活塞环表面镀膜（PVD）技术

1活塞环表面镀膜（PVD）技术广州有色金属研究院粤有研材料表面科技有限公司从事物理气相沉积技术研究开发工作已有二十几年的历史，以电弧离子镀、非平衡磁控溅射及多种技术复合为主要研究方向，近年来，完成了大量的国家、省市、军工项目，取得了一批科研成果获得省部级二等奖两项、三等奖三项。在机械功能薄膜的超硬、耐磨、减摩方面不断完善，开拓新的膜系。经过多年的努力，已建成镀膜设备齐全、先进、膜层性能分析手段全面，并拥有一支高水平的研究开发队伍的先进薄膜产业化基地。为了改善发动机的燃油耗，必须使燃油在气缸内进行高效燃烧，尽可能地将燃烧能量无损地作为驱动力加以有效利用。减少摩擦可直接降低这种能量的损失，它直接关系到发动机燃油耗的改善，因此作用非常重要。但是这些滑动部位大多处在严酷的边界润滑状态，因此在要求低摩擦的同时，也要求有高的耐磨性能。活塞/活塞环部分的摩擦随着发动机转速的升高而增加，在发动机总摩擦损失中占40～50％。活塞环是内燃机心脏的一个关键零件，它的表面处理质量直接影响到内燃机的性能因此，对活塞环的表面处理很重要。采用物理气相沉积（设备见图1）有如下优点：能产生很硬的陶瓷涂层，这有利于提高耐磨性；涂层均匀一致，且孔隙度小，涂层结合强度高（大于70MPa)；涂层表面粗糙度小，可不需加工。活塞环所采用的TiN（金黄色，见图2）、CrN（银灰色）、ZrN（青黄色）、TiAlN（从褐色到黒色可调）等是利用物理气相沉积(PVD)工艺在合金钢活塞环上形成的数微米厚的硬质薄膜。这种硬质薄膜的耐磨性优于一般的镀铬，因此滑动面的平滑性得到保持，从而也可望获得减摩效果。类金刚石膜（DLC）已在赛车发动机活塞环上作过应用尝试，与CrN相比，在确保同等耐磨性的同时，有效地降低图1计算机全程监控的十二弧源离子镀膜机2了摩擦，并将处理费用控制在同等水平，从而提高了生产率。从TiN、CrN之类的PVD硬质薄膜向在机油中有良好润滑性的、超硬和超低摩擦的类金刚石膜过渡，是今后减摩表面处理技术的发展方向。表1用于活塞环PVD硬质薄膜的部分性能薄膜类型色泽硬度（Hv）厚度(μm)摩擦系数（钢对磨）耐热温度(℃)TiN金黄2200±2001～40.5～0.7550±50ZrN青黄2400±2001～40.5～0.7650±50CrN银灰2000±2001～100.5～0.7600±50TiAlN褐-黑2700±4001～40.5～0.7800±50DLC黑色1000～80001～40.2500图2表面镀TiN薄膜的摩托车活塞环