在苛刻的條件下，涂層技術(shù)可以減少摩擦同時提高抗磨損保護，是實現(xiàn)減少CO2排放的途徑之一。因此涂層在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。遵循當(dāng)前的發(fā)展趨勢提高溫度和降低油品的粘度，Hauzer開始了參雜類金剛石DLC涂層和Ta-C （四面體非晶碳）涂層的研究。不同的參雜材料被添加到無氫和有氫的DLC 涂層中。
汽車行業(yè)的最新發(fā)展是提高發(fā)動機的效率，比如小型化，發(fā)動機啟停技術(shù)，渦輪增壓和使用低粘度的油品達到相應(yīng)的效果，同時需要應(yīng)用涂層。工作溫度和部件的裝填密度越來越高。經(jīng)典的DLC涂層已經(jīng)達到其使用極限，例如：活塞環(huán)頂環(huán)與氣缸套接觸區(qū)的溫度超過400°C。DLC 涂層典型地穩(wěn)定溫度小于300°C。傳統(tǒng)上，在這種情況下厚的CrN涂層被應(yīng)用于這個應(yīng)用領(lǐng)域。但是CrN涂層的摩擦系數(shù)高，意味著高的燃油消耗和高的CO2排放。另外一個趨勢是使用少量的添加劑改變材料的潤滑性能和減少粘度，從而提高了抗磨損保護的要求。
試驗
參雜的DLC 和 Ta-C 涂層由HauzerFlexicoat® 1200（圖片一）物理氣相沉積涂層系統(tǒng)生產(chǎn)，該系統(tǒng)使用混合的沉積技術(shù)，包括閉合磁場非平衡濺射，電弧沉積和等離子輔助化學(xué)氣相沉積的工藝。Flexicoat® 1200設(shè)備配有4個磁控濺射陰極（Cr, WC, C）和一組圓形電弧陰極（C）。在直徑30mm 基底粗糙為15 nm的拋光高速鋼基片上進行鍍膜，生產(chǎn)六種不同的涂層，請參考表格一?；珘海?重旋轉(zhuǎn)，星式旋轉(zhuǎn)工件盤，基片加熱后，泵抽到2.10-5hPa時，基片在氬氣氣氛下進行等離子刻蝕，然后進行涂層。Cr和WC靶材被用于形成合適的中間層，確保涂層和基底之間有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合力以及一個合適的方式適應(yīng)載荷應(yīng)力。最頂層是一個碳基涂層，比如使用碳電弧源生產(chǎn)Ta-C 涂層（表一，1-3 項）。比如案例2使用WC參雜這些涂層，比如案例3，在低功率下濺射其中的一個WC靶，同時通入C2H2 氣體。
后處理
因電弧鍍膜過程中有微小液滴產(chǎn)生，所以電弧鍍膜會有較高的表面粗糙度。特別應(yīng)該避免“多山狀的”表面粗糙度，它會導(dǎo)致摩擦接觸面的局部區(qū)域內(nèi)有著非常高的接觸應(yīng)力，會損壞相應(yīng)的鍍膜部件。潤滑系統(tǒng)要求非常光滑的表面沒有這些表面微凸體，確保潤滑系統(tǒng)達到所需要的工作壽命。在這種情況下，電弧沉積的基片（1-3）采用研磨拋光的方法使其表面粗糙度由80nm降低為<20nm.
磁控濺射參雜的DLC 涂層（4）由碳濺射靶材制備，共濺射C和WC 靶材實現(xiàn)W 的參雜。涂層5和涂層6采用PACVD 的方法制備。沉積Cr 和WC的結(jié)合層后，直接由氣相的C2H2 制備氫化的DLC頂層，然而a-C:H-Si涂層（6）參雜劑來源于氣相的含Si前驅(qū)體氣體。磁控濺射的a-C:H-W涂層，a-C:H涂層和a-C:H-Si涂層均采用PACVD 的方法制備，涂層后不在需要進一步的拋光。
這些涂層的表面粗糙度在15-20nm 范圍內(nèi)，非常類似于未鍍膜的拋光基片。
調(diào)查分析了在高溫下的耐磨性能，同時也分析了在不同潤滑條件下的耐磨和摩擦。
干式工況
在布倫瑞克的夫瑯和費測試了在室溫下的銷盤測試和高溫下的磨損測試。在室溫下的測試采用UMT3摩擦計。鍍膜件放在轉(zhuǎn)盤上，運行一個未鍍膜的球，這個球由1.3505 鋼制成，直徑5 mm作為副本。加熱后，60分鐘后開始測試，加載3N的力，滑動速度32 mm/s.
在高溫下的銷盤測試采用UMT3摩擦計（CETR），在450°C空氣中（見圖片2）。鍍膜工件放在轉(zhuǎn)盤內(nèi)，并固定在加熱爐內(nèi)，在實驗前需要加熱40分鐘，加熱到450°C。一個未鍍膜的球，這個球由1.3505 鋼制成，直徑9.5mm作為副本.加熱后，60分鐘后開始測試，加載12N的力，滑動速度32 mm/s（總的痕跡長度115米）。.在不同的裝置和不同的直徑和法向力下，完成在室溫和高溫下的測試。為了得到實際的對比，選定法向力參數(shù)，比如兩個測試中接觸壓力相同。
潤滑工況
在利茲大學(xué)進行潤滑條件下的往復(fù)試驗，采用Biceri公司內(nèi)部改進型的摩擦計。在潤滑條件下，一個曲率半徑40mm未涂層鑄鐵銷與涂層的盤相接觸，加載73.5N的力(接觸壓力600 MPa)。測試時間持續(xù)2個小時，在8 cm/sec速度下，滑動 1cm ,滑行距離為0.72Km. 測試用的礦物油（沒有添加劑）溫度為20 °C 和 150 °C。此外還在溫度150 °C的含添加劑的調(diào)質(zhì)潤滑油進行測試。在100°C時，礦物油的粘度為4.03.10-3Pa.sec和調(diào)質(zhì)潤滑油的粘度為14.10-3 Pa.sec
測試結(jié)果
在干式工況下，銷盤的測試結(jié)果見圖片3的曲線。圖片3顯示了在室溫和450C時的摩擦系數(shù)以及在450C測試后涂層磨損痕跡的深度。在室溫下沒有涂層顯示出能測量出磨損量。對比在之前的低溫下和450°C高溫下的磨損與摩擦的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)Ta-C（500%）和ta-C:W (700%)摩擦系數(shù)極劇增加，對于PACVDa-C:H (5)涂層也有很大的增加400% ,對于 a-C:H-Si (6)可測量到增加600%。ta-C:H (3) 和磁控濺射 a-C:H-W (4)也出現(xiàn)適度的增加，大約摩擦系數(shù)增加了200%。推測導(dǎo)致摩擦系數(shù)增加的原因可能是升高溫度的過程中缺少水蒸汽。在高溫下可以測量出涂層有比較大的磨損量。Ta-C 基的涂層（大約70 µm3磨損）比a-C:H基的涂層表現(xiàn)好。
標準的a-C:H涂層磨損量200 µm3，a-C:H-Si涂層（6）磨損量100 µm3，a-C:H-W (4)磨損量大約120 µm3。測試結(jié)果表明Si-DLC在不適用于高溫的條件下，ta-C涂層顯示出良好的潛力。特別是ta-C: H (3)顯示出具有最低的摩擦系數(shù)優(yōu)勢。a-C:H-W 涂層（4）也是一個很好的候選涂層。
磨損保護
在潤滑工況下，使用往復(fù)摩擦計分析這些涂層。在不同的溫度和有潤滑油的條件下，測試6種不同涂層的運行狀況。在摩擦系統(tǒng)中潤滑油提供了磨損保護。因為摩擦，在一個摩擦系統(tǒng)中潤滑油的粘度是一個極大影響CO2減排的參數(shù)。因此有一個傾向是減少油品的粘性，不缺點是會減少油膜的承載能力和導(dǎo)致更高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。
使用往復(fù)摩擦計測試在室溫下，150°C礦物油和150°C調(diào)質(zhì)潤滑油的表現(xiàn)。在室溫下調(diào)質(zhì)油中的添加劑沒有起到效果，所以只測試調(diào)質(zhì)潤滑油在150°C溫度下的表現(xiàn)。例如，圖片4顯示Ta-C涂層調(diào)查結(jié)果。分析了在不同條件下的摩擦系數(shù)和磨損痕跡。所有的評估結(jié)果匯總在圖片5. 圖片的上半部分顯示所有涂層在三種潤滑條件下的摩擦系數(shù)，圖片的下半部分顯示涂層磨損痕跡的磨損量。藍色垂直線顯示沉積涂層的厚度。
更好的理解
礦物油在室溫條件下，大多數(shù)涂層顯示只有非常小的磨損。例外的是，a-C:H-Si出現(xiàn)一些小的磨損和ta-C:W出現(xiàn)相對大的磨損。ta-C 基的涂層(1-3) 和a-C:H-W (4)具有最低的摩擦。
在150°C的礦物油條件下可以觀察到，即使ta-C涂層的摩擦系數(shù)遠低于PACVD 基的涂層（5-6），ta-C 基的涂層(1-3)也比a-C:H-W, a-C:H 和a-C:H-Si 涂層磨損大。
為什么ta-C基涂層會有更高的磨損率還需要繼續(xù)進行調(diào)查。在150°C調(diào)質(zhì)潤滑油的潤滑條件下，a-C:H-Si 涂層(6)被完全磨損。銷的磨損不能被測量出。這表明在涂層和潤滑劑之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。ta-C:H 涂層 (3)顯示出一些磨損，其他涂層沒有磨損。ta-C 基的涂層(1-3)的摩擦系數(shù)相對較高，但是低于r a-C:H-W, a-C:H 和 a-C:H-Si (4-6).
結(jié)論
對于零部件的低摩擦和高耐磨性有更多的需求量。大多數(shù)應(yīng)用是在較低低溫下使用（160-200 °C）。在這項研究中，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)新的參雜涂層，可以在高溫下使用并具有高的耐磨性和較好的低摩擦。在不同的潤滑和溫度模式下，對比不參雜的ta-C基涂層，W參雜和H 參雜的ta-C基涂層，W 參雜和Si參雜氫化DLC 涂層。
在450°C高溫下測試顯示出ta-C:W幾乎沒有干磨損和ta-C涂層低磨損（沒有變化）。a-C:H:Si觀察到了高的干磨損。在150°C礦物油條件下，往復(fù)實驗測試證明了對所有的Ta-C涂層都有大的磨損。與a-C:H:X相比發(fā)現(xiàn)所有ta-C涂層具有更低地摩擦系數(shù)。在調(diào)質(zhì)油條件下，除了Si-DLC因為化學(xué)親和性的問題導(dǎo)致涂層有非常高的磨損，其他涂層只是最小的磨損。
在礦物油的條件下發(fā)現(xiàn)所有a-C:H涂層都只是出現(xiàn)小的磨損。所有W參雜的涂層顯示出非常好的磨損保護。W參雜的涂層沒有顯示出最低的摩擦系數(shù)，但特別是在礦物油條件下的W參雜涂層的摩擦系數(shù)等于或優(yōu)于Ta-C 涂層。
總之，可以說通過參雜元素，特別是W，會影響摩擦和磨損的性能。對于發(fā)動機部件參雜涂層顯示出很好的潛能。額外的發(fā)動機測試評估現(xiàn)在正在進行，需要進一步探索涂層在實際發(fā)動機部件的性能表現(xiàn)。
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圖片1：HauzerFlexicoat®1200設(shè)備和Ta-C 配置
Coating
涂層 Technology
技術(shù) Composition (doping element)
組成（參雜元素） Thickness
厚度 Hardness
硬度
1 ta-C Arc 0,8 µm 7898 HV
2 ta-C:W Arc/Sputter <1 at% W
0,8 µm 4496 HV
3 ta-C:H Arc/Sputter
3-5 at% H 0,8 µm 6819 HV
4 a-C:H:W Sputtering 5 at% W/ 10at% H 2,1 µm 2327 HV
5 a-C:H PACVD/Sputter 3,1 µm 2215 HV
6 a-C:H:Si PACVD/Sputter
8-10 at% Si 2,8 µm 1552 HV
>illustratie van maken<
表格一: 此研究中的涂層評價
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圖片2:高溫摩擦計
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圖片3:干式工況銷盤
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圖片 4:潤滑工況的磨損和摩擦
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圖片5:
在不同潤滑條件下的摩擦系數(shù)和磨損，RT是室溫，MO 是礦物油，F(xiàn)F 是調(diào)配油，150°C是油的溫度
