进入21世纪以来，随着国家经济的快速发展，化石燃料消耗带来的环境污染问题也日益突出。当前，随着“国五”标准的不断推进以及“国六”标准的即将到来，在汽车制造企业自身努力创新以及燃油成本不断提高的大环境下，追求汽车发动机的减排增效已经是大势所趋。PVD（物理气相沉积）作为一种逐渐被人们广泛认识和认可的表面处理方法，其给发动机整体性能带来的改善逐渐显现其优势。PVD自身具有的绿色环保无污染排放、工艺温度低、涂层硬度高、摩擦系数低、结合力强并且化学稳定性好等特点，使其具备应用于汽车发动机零部件的基本条件。
DLC（类金刚石）涂层作为一种较为常见的PVD涂层，和金刚石几乎拥有一样的特性。由于其具有高硬度和高弹性模量、低摩擦因数、耐磨损以及良好的真空摩擦学特性，很适合于作为耐磨涂层，因而通过气相沉积工艺获得的DLC涂层在众多有耐磨性以及硬度要求的零件上得到广泛应用。DLC工艺温度通常在200摄氏度左右，甚至更低，能够处理大多数的汽车零件；DLC涂层细腻光滑，自润滑性好，摩擦系数通常在0.1以下；硬度高，通常在Hv2200以上；尤其适合涂覆在汽车零件表面，承受频繁持续的高强度摩擦磨损，起到提高零件使用性能、延长使用寿命的作用；另外，DLC最高可耐受350摄氏度，且耐腐蚀性好、化学稳定性高、结构致密，能够胜任发动机的内部温度和工作环境。
="pgc-img-caption">图1: DLC 涂层的活塞环
我们知道，发动机中的活塞环安装在活塞侧壁的凹槽内，环外圆面紧贴在气缸内壁。随着活塞在气缸内上下往复运动，环面不断地刮擦气缸内壁，产生较大的摩擦功损耗，工况比较恶劣。活塞环在发动机中一般起到导向、导热、密封等作用，因此，围绕其开展的表面处理技术直接影响到发动机整机的能耗和使用寿命。近些年，国内外很多科研机构、制造企业对活塞环加工工艺和表面处理的探索一直没有停止。传统的主要表面处理技术有渗氮处理、渗碳处理、磷化处理等，目前比较成熟的PVD涂层是多指CrN涂层，在市场上较为普遍。近年来出现的含氢DLC涂层（以下简称DLC）和无氢DLC涂层（以下简称TaC）作为一种新的涂层材料和技术，因为具有更加优异的性能得到业界的广泛重视。与CrN相比，DLC可以有效减少摩擦，进一步降低摩擦功损耗，最重要的一点是更加不易拉缸。在以非燃油为燃料的新能源汽车发动机（如天然气和目前在努力推广的甲醇燃料的发动机）中，DLC涂层的活塞环可以在无润滑油的干态摩擦条件下起到良好的润滑和耐磨减磨的作用，这也是目前解决这类活塞环寿命和节能问题的唯一手段。而文章开头提到的DLC指的就是这里的含氢DLC涂层。
但是，需要指出的是，传统的DLC涂层通常不到5微米，很容易被刮擦掉，远远达不到发动机的实际使用寿命。无论是在什么样的零件上使用，一般来说，在满足零件尺寸要求的前提下，涂层的厚度，尤其是DLC涂层的厚度往往是越厚越好，这样零件的耐磨性会相应提高。然而，一旦涂层的厚度增加，尤其是DLC层的厚度增加，就会导其内应力增大，影响涂层和基材结合力，导致涂层与基材剥离，这就对涂层的使用寿命和效率产生影响。因此，厚度及其表现出的耐磨性一直是应用上的一个瓶颈。而TaC作为一种无氢DLC虽然有报导称能做到20微米，但是现有条件下，其生产成本以及设备的维护保养等方面恐怕很难满足真正的大规模量产需要，这时候就急需真正适合活塞环的DLC工艺。
星弧经过多年与世界顶级活塞环制造企业紧密配合，开发出了新款DLC涂层，其无论是在材料结构上还是经济性上都满足了工业生产的需求。目前，该款涂层已经成功应用于汽油和柴油发动机平台上，而且已经实现了大规模批量化生产。应该说，DLC应用于活塞环已经逐渐成为一种趋势。
="pgc-img-caption">图2： 活塞环上DLC 涂层的压痕表现（左图，环外圆面洛式压痕；右图，涂层附着性级别判断标准）
星弧应用于发动机活塞环上的DLC涂层采用多层纳米结构，通过掺杂金属元素可以有效改善原材料的脆性，其性能除了保持上述常规DLC的一般涂层特性以外，总厚度最高达10微米，与传统PVD涂层材料相比耐磨性有了大幅提高，而且其结合力也远好于普通DLC。从结合力来看，根据洛式硬度计在涂层正上方垂直向下加载150kg的力后产生的压痕的周围膜层状况可判定为等级1级（图二，左图；等级分为1-6级，1-4级合格，图2，右图），此为定性测试；而定量的划痕测试得到的结合力通常达到50N以上（图3）。目前，已经应用到的活塞环类别有汽油机中的气环，油环和柴油机环，环直径从最小的52.4毫米到最大的112毫米不等。
="pgc-img-caption">图3：活塞环上DLC 涂层的划痕表现
DLC涂层目前可以通过很多种技术获得，但市面上常用的方法分别是磁控溅射、离子束和电弧技术。实现这三种技术手段依靠的硬件——等离子体源（磁控溅射靶座、离子束源和电弧源），其结构开发设计和装配甚至后续的检验和维护保养等，都是由公司自行完成。星弧应用于活塞环上的DLC主要采用磁控溅射技术和离子束技术多层复合沉积而成。等离子体源在相应的电源和反应气体的共同作用下，将原材料变成大量微观带电的等离子体。这些提供涂层主要成分的等离子体随着镀膜设备内产生的电磁场的分布，有规律地做定向运动，最终在需要沉积的工件位置，逐渐形成宏观可见的、具有一定厚度的涂层。
其中，磁控溅射技术沉积速率高，稳定性高，均匀性好，结合力强，需要沉积的材料只要制作成相应的块状靶材即可安装在靶座上；在涂层沉积过程中，该技术负责沉积与基材接触的底层以及介于底层和最外层的功能层之间的过渡层。离子束技术主要用来沉积功能层，含碳的反应气体在离子束源产生的强电场作用下被电离成等离子体并沉积到上述过渡层上。因为是气体作为碳元素的来源，所以沉积出的涂层结构更为致密，表面更为光滑和黑亮。过渡层的存在能够有效地提高纳米硬度范围，从而能够实现功能层厚度的增加，并且可以有效缓冲后功能层带来的巨大应力，提高复合薄膜与基材的结合力。同时，由于过渡层的表面微观结构良好，不会破坏DLC自身的粗糙度，从而保证复合涂层具有较低的摩擦系数。
另一种常用的DLC沉积技术通过电弧源来实现，其工作原理是在碳靶表面形成电弧，瞬间熔融靶材并产生等离子体。电弧沉积DLC涂层的优点是沉积速率高、硬度更高以及稳定性更好，是解决市场对更厚DLC（20微米）需求的手段之一。但电弧DLC表面粗糙度较高，在很多应用场合失去了其本身固有特点，造成所制备的活塞环摩擦力较大，耐磨减摩性能不良，目前还存在很多应用问题。星弧总结前人的经验，将不断推出更多更好的DLC。
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="ql-align-right">-来源：星弧涂层新材料科技（苏州）股份有限公司
="ql-align-right">-作者：高级工程师柏洋
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