掺杂碳基涂层抗摩耐磨性能的改进

    在苛刻的工作条件下，涂层技术可以减小摩擦和提高零部件的耐磨性，因此成为减少CO
_{2排放的途径之一，在汽车行业得到了广泛应用。为了适应当前提高工作温度和降低润滑油粘度的发展趋势，豪泽（Hauzer）公司开始对类金刚石（DLC）涂层掺杂技术和ta-C（四面体非晶碳）涂层进行研究。不同的掺杂材料被添加到无氢和有氢DLC涂层之中。
    汽车行业的最新发展是提高发动机的工作效率。发动机小型化、发动机启停和涡轮增压技术、使用低粘度润滑油等都能发挥其各自的作用，同时还需要应用涂层技术。随着发动机工作温度和零部件载荷密度日益增高，传统的DLC涂层正达到其性能极限。例如，活塞环端部与气缸套接触区的工作温度已超过400℃，而DLC涂层的稳定工作温度通常在300℃以下。在这种情况下，传统做法是在该区域涂覆CrN厚涂层。但是CrN涂层的摩擦系数（COF）较大，这意味着燃油消耗和CO2排放也较高。另一个趋势是利用少量添加剂，改变材料的润滑性能和减少润滑油粘度，这对提高零部件的耐磨性提出了更高的要求。
    试验研究
    掺杂的DLC和ta-C涂层由Hauzer Flexicoat 1200物理气相沉积（PVD）涂层系统生产。该系统采用混合沉积技术，包括闭合磁场非平衡（UBM）溅射、电弧蒸发和等离子辅助化学气相沉积（PACVD）涂层工艺。Flexicoat 1200涂层设备配置了4个磁控溅射阴极（Cr, WC, C）和一组圆形电弧阴极（C），在直径30mm、表面粗糙度15nm的抛光高速钢基片上进行镀膜，沉积6种不同的涂层。基片加载偏压，并在卫星式回转工件盘上双重旋转时进行涂层。在设备加热和用泵抽真空至2×10^{-5ＨPa以后，基片在氩气气氛中进行等离子刻蚀，然后进行涂层。Cr和WC靶材被用于形成合适的中间层，以确保涂层与基底之间有适当的结合力，并能以适当方式承受载荷应力。顶层为碳基涂层，即用碳电弧源沉积的ta-C 涂层。涂层2用WC进行掺杂，并由其中另一个WC靶在低功率下溅射沉积，涂层3同时通入了C2H2气体。
    涂层后处理
    电弧涂层中会产生微小的液滴，从而使涂层表面粗糙度变差。尤其应避免“多山状”表面粗糙度，因为它会导致摩擦接触面的局部区域产生非常高的接触应力，并损坏相互摩擦的涂层零部件。为了确保摩擦系统达到要求的工作寿命，要求摩擦表面非常光滑，没有这些凹凸点。在这种情况下，对电弧沉积涂层的基片进行了研磨抛光，使其表面粗糙度值由80nm降低到20nm以下。
    溅射沉积的掺杂DLC 涂层由碳溅射靶材形成。通过同时溅射C和WC靶材，实现了W的掺杂。涂层5和涂层6采用PACVD工艺沉积，制备出Cr和WC的结合层后，在C2H2气相中直接形成氢化的DLC顶层；而在a-C:H-Si涂层中，掺杂剂则来源于添加了含Si前驱气体的气相氛围。溅射沉积的a-C:H-W涂层以及采用PACVD工艺制备的a-C:H和a-C:H-Si涂层，涂层后均无需再进行抛光。这些涂层的表面粗糙度值在15—20nm范围内，与未涂层的抛光基片表面粗糙度类似。为了分析涂层的高温耐磨性以及在不同润滑条件下的抗摩耐磨性能，还进行了以下试验研究。
    干式工况下的抗摩耐磨性能
    室温和高温下的销-盘磨损测试在位于布伦瑞克的夫琅和费研究所进行。室温试验在一台UMT3摩擦测试仪上进行。涂层试件被放在一个转盘上，并与一个未涂层的钢球相互摩擦。该配对钢球材质为1.3505钢，直径5mm。开机运行后，开始进行60分钟的测量，加载的法向力为3N，滑动速度32mm/s。
    高温销-盘磨损测试在450℃的热空气中在UMT3摩擦测试仪（CETR）上进行。涂层试件放在一个转盘上，并固定在加热炉中。开始测试前需预热40分钟，将试件加热到450℃。配件为直径9.5mm、未涂层的1.3505钢球。加热后，开始用12N的法向力、32 mm/s的滑动速度（痕迹总长度为115m）进行60分钟测量。室温和高温测试在采用不同直径钢球和不同法向力的不同实验装置上完成。为了使对比结果更具有实际意义，在试验中选用了不同的法向力参数，以使两次测试具有相同的接触压力。
    润滑工况下的抗摩耐磨性能
    润滑工况下的往复摩擦测试在利兹大学进行，该测试采用的是Biceri公司一台经过改进的摩擦测试仪。在润滑条件下，用一个曲率半径40mm的未涂层铸铁销，以73.5N的力(接触压力600 MPa)与涂层试件盘进行滑动摩擦。测试持续时间为2小时，每个往复行程为1cm，滑动速度为8cm/sec，总滑行距离为0.72km。试验所用润滑油分别为20℃ 和150℃的矿物油（无添加剂）。此外，还用温度150℃、含添加剂的调质润滑油进行了测试。当温度为100℃时，矿物油的粘度为4.03×10-3 Pas，调制润滑油的粘度为14×10-3 Pas。
    试验结果分析
    干式工况下的销—盘摩擦试验测试结果显示了在室温和高温（450℃）下测得的摩擦系数，以及高温摩擦实验后涂层磨损痕迹的深度。在室温摩擦实验中，涂层未出现任何可测出的磨损量。可以发现，与室温条件下的实验结果相比，在450℃高温条件下，涂层的摩擦系数急剧增大：ta-C和ta-C:W 涂层分别增大5倍和7倍，用PACVD工艺沉积的a-C:H涂层也增大了4倍；a-C:H-Si涂层则增大了6倍；ta-C:H 涂层和用溅射工艺沉积的a-C:H-W涂层的摩擦系数也增大了2倍左右。据推测，导致摩擦系数增大的原因可能是在高温条件下缺少水汽。在高温条件下，可测量出涂层有较大的磨损量。ta-C 基涂层的磨损量约为70μm3，其表现优于a-C:H基涂层。
    标准a-C:H涂层的磨损量约为200μm3；a-C:H-Si涂层的磨损量则很大（约为100μm3）；a-C:H-W涂层的磨损量约为120μm3。这些测试结果表明，含Si的DLC涂层不适合在高温条件下使用，而ta-C涂层则显示出良好的应用潜力，尤其是ta-C:H涂层具有摩擦系数最小的优势。此外，a-C:H-W涂层也是一种很不错的候选涂层。
    耐磨性能分析
    在润滑工况下，用往复摩擦测试仪对这些涂层进行了分析。对6种不同涂层在不同温度下、采用不同润滑油的抗摩耐磨性能进行了测试。在一个摩擦系统中，润滑油可以提供对摩擦副的磨损保护。摩擦系统的润滑油粘度也是对CO2减排具有很大影响的参数，因此，采用粘度较小的润滑油已成为一种趋势。不过，低粘度润滑油的缺点是会减小油膜承载能力，并导致发动机转速升高。用往复摩擦测试仪分别对使用室温、150℃矿物油以及150℃调制油的抗摩耐磨性能进行了测试。由于在室温下调质油中的添加剂不起作用，因此只测试了调制油在150℃温度时的性能。通过分析不同条件下的摩擦系数和磨损痕迹，将所有评估结果汇总。
    更好的了解
    在室温条件下采用矿物油润滑时，大多数涂层的磨损量都非常小。不过也有一些例外：a-C:H-Si涂层有一些小的磨损，而ta-C:W涂层则出现了较大的磨损。ta-C基涂层和a-C:H-W涂层具有最小的摩擦系数。在150℃的高温条件下使用矿物油润滑时可以观察到，虽然ta-C涂层的摩擦系数远远小于PACVD工艺涂层，但ta-C基涂层的磨损仍然比a-C:H-W、a-C:H和a-C:H-Si涂层的磨损大。为更好了解ta-C基涂层磨损率更高的原因，还需要继续进行研究分析。在150℃高温条件下用调制油进行润滑时，a-C:H-Si涂层被完全磨穿（销子的磨损量难以测出）。这就表明，在涂层与润滑剂之间发生了化学反应。ta-C:H涂层显示出有一些磨损，而其他涂层都没有磨损。ta-C基涂层的摩擦系数比较大，但小于a-C:H-W、a-C:H 和 a-C:H-Si涂层的摩擦系数。
    结论
    汽车行业对低摩擦、高耐磨零部件的需求与日俱增。以前的大多数涂层都应用于温度较低（160℃—200℃）的工作环境。在本项研究中，通过试验研究发现可在高温（450℃）条件下使用、并具有高耐磨性和低摩擦系数的新型掺杂涂层。在不同的润滑和温度条件下，对未掺杂、掺杂W和H的ta-C基涂层以及掺杂W和Si的氢化DLC 涂层进行了对比分析。
    在450℃的高温耐磨试验中，ta-C:W涂层几乎没有出现干磨损；ta-C涂层的磨损量很小（无变化）；a-C:H:Si涂层则观察到较大的干磨损。在润滑条件下的往复摩擦试验中，当使用150℃矿物油时，所有ta-C涂层都有较大的磨损。与a-C:H:X涂层相比，所有ta-C涂层的摩擦系数都更小；在使用调制润滑油时，除了Si-DLC涂层因化学亲和性问题而出现很大磨损外，其他所有涂层的磨损量都非常小；在使用矿物油时，所有a-C:H涂层的磨损都很小。所有W掺杂涂层都显示出非常好的耐磨性。虽然这些涂层的摩擦系数并非最小，但尤其是在使用矿物油的情况下，其摩擦系数与ta-C涂层相当或更小。
    总之，通过掺杂元素（尤其是W）可以影响涂层的抗摩耐磨性能。对于发动机零部件来说，涂层掺杂技术显示出良好的潜能。为了进一步探究涂层在实际发动机零部件上的使用性能，目前正在对发动机进行更多的测试评估。}}