涂层技术提升发动机密封与耐磨性能

卢小伟星弧涂层新材料科技（苏州）股份有限公司 2014-11-13

DLC薄膜由于具有高硬度和高弹性模量、低摩擦因子以及耐磨损等特性，很适合作为发动机滑动摩擦副表面减摩耐磨涂层。该涂层技术在汽车发动机关键零部件上的应用，充分满足了现代汽车工业发动机的制造需求。

随着汽车制造业的飞速发展和人们环保意识的逐渐加强，节能减排成为衡量汽车质量的一个重要指针。为了实现节能减排，提高燃油效率是最有效的途径之一，而提高燃油效率则主要是通过增大油气喷射压力、提高发动机输出功率来实现。油气喷射压力的增大必然会导致发动机零部件承受的摩擦力越来越大，磨损将越来越严重，而传统的材料和表面处理手段已经很难满足发动机正常工作需求。

本文为大家介绍一种解决汽车发动机耐磨与密封问题的新型产品，即星弧涂层新材料科技（苏州）股份有限公司（以下简称“星弧涂层”）研发的DLC-T涂层。该DLC涂层由于具有高硬度和高弹性模量、高韧性、低摩擦因子以及耐磨损等特性，很适合作为发动机滑动摩擦副表面减摩耐磨涂层。如今，欧洲、日本和美国等发达国家及地区已经将DLC薄膜材料作为21世纪的战略材料之一。

DLC涂层概述

DLC涂层又叫类金刚石薄膜，它是一种新型的硬质润滑功能薄膜材料，具有SP2和SP3电子轨道杂化的碳原子空间网络结构，通常为非晶态或非晶-纳米晶复合结构。DLC涂层具有高硬度、优异的减摩耐磨性能、高热导率、低介电常数、宽带隙、良好的光学透过性以及优异的化学惰性和生物兼容性等。

DLC涂层的制备方法有多种，目前常用的主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）以及液相法等。其中，物理气相沉积方法主要包括离子束沉积、离子束辅助沉积、溅射沉积、真空阴极电弧沉积、等离子体沉积和脉冲激光沉积等；化学气相沉积方法主要包括热丝化学气相沉积、直接光化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积等；液相沉积则主要分为电化学沉积和聚合物热解法等。气相沉积技术已相对成熟，而液相电化学沉积作为一种新的方法，其沉积工艺还不成熟，未能解决薄膜质量差、膜基结合弱以及石墨含量高等瓶颈问题。

DLC涂层虽然具有众多优良的性能，但其未能在世界范围内得到广泛应用，技术瓶颈主要体现在以下几方面：首先，DLC涂层在沉积过程中产生较高的内应力，使其与基体结合力差，膜层易起皮、脱落；其次，DLC涂层的热稳定性差，当温度高于200℃时发生石墨化转变，高于450℃则发生明显的氧化；DLC涂层材料存在脆性强、韧性低及摩擦性行为具强环境敏感性等问题；最后，其大面积的均匀沉积以及极端尺寸工件镀覆等问题尚不能很好地解决。

DLC涂层在零部件上的应用

摩擦磨损是汽车能量损耗的主要原因之一，汽车消耗的燃油只有15％左右的能量用于驱动车辆正常行驶，大部分能量被发动机和动力传动系统等消耗，可见降低摩擦损失对汽车节能减排具有重要意义。PVD涂层自1995年引进到汽车工业并获得成功应用，便打开了汽车零部件行业对PVD涂层的需求，从此PVD涂层在汽车工业就成了降低磨损和减少摩擦做功的代名词。早期发挥巨大作用的主要是以CrN为代表的金属氮化物陶瓷涂层，但随着汽车工业的发展，以及对节能减排要求的提高，陶瓷涂层由于其较高的摩擦系数已不能满足汽车工业的需求。DLC则因其具有高硬度、高弹性模量、低摩擦因子和耐磨损等特性，迅速被应用于汽车零部件的表面减摩耐磨处理中，CrN与DLC性能对比如表所示，与CrN相比，DLC最大的优点在于大大降低了活塞环摩擦功耗，实验表明排量1.8 L的L4发动机活塞环采用DLC涂层后，在整个工作转速区域摩擦损失下降10％～15％。

DLC涂层由于其高硬度和低摩擦因子使得部件磨损大大降低，同时也减小了由摩擦引起的噪声和由磨损造成的密封性下降等问题，提高了燃油效率。例如DLC在气门机构零件上的应用，可以减少40％的摩擦功耗，结果得到的是更好的燃油经济性和1％～2％的CO2减排。DLC薄膜在汽车发动机零部件上的应用降低了各部件原有功耗的50％左右（见图1），提高了输出功率。

具有优异性能的新一代DLC-T涂层

随着排放标准的提高，发动机燃油喷射压力尤其是柴油发动机的燃油喷射压强大大增加（从90MPa提升到135MPa左右），作为燃油喷射系统的心脏，供油控制阀的耐磨与密封处理必须要首先考虑，而传统的热处理等方法已不能满足其性能要求。此外，控制阀每分钟还将承受200次左右的强力冲击，普通DLC涂层也不能满足其性能要求。鉴于此，星弧涂层在普通DLC涂层的基础上开发了DLC-T涂层，其采用多种金属过渡，减小了内应力，大大提高了膜基结合强度，使薄膜能够做得更厚，达到8mm，从而延长其耐磨寿命；此外薄膜的韧性增加，抗冲击性大幅度改善，这些都使得DLC-T涂层能够适用于发动机中高冲击性部件和高磨损部件的表面处理，如柱塞、活塞环、挺杆、挺柱以及控制阀等零部件。

DLC-T涂层由于具有优异的耐磨性能和较好的抗冲击性能，极大地满足了控制阀的耐磨和抗冲击需求，同时也解决了由于磨损而引起的密封性能下降问题。DLC-T涂层在台架试验中大大延长了控制阀的使用寿命（寿命延长6倍以上），也保证了燃油喷射系统的封闭性，提高了其燃油喷射压强，从而提高了燃油燃烧率。控制阀使用镀DLC-T涂层前后的使用寿命和喷油压强变化如图2、图3所示。