类金刚石涂层拓展汽车零部件使用寿命(1).doc

+类金刚石涂层拓展汽车零部件使用寿命①
来源：盖世汽车网 发布时间：2010-11-15

图1：DIARC技术股份有限公司的类金刚石涂层可广泛用于从金属到塑料等多种材料

图2：金刚石分子结构示意图

图3：类金刚石涂层/镀膜DLC显微外观
类金刚石涂层/镀膜DLC（Diomand-Like Coating）技术新领域的开拓者之一、DIARC技术股份有限公司声称：尽管类金刚石涂层并非意味着永久免于磨损，但对于机械寿命和工作效率而言，却有着可观的贡献。
DIARC技术股份有限公司最新一代DLC生产系统结合高精确度加工模具，能够使四面体无定形碳ta-C（Tetrahedral Amorphous Carbon）形成类金刚石结构涂层，大批生产后可面向汽车发动机、液压系统以及传动系统等汽车零部件的应用。
最常见的碳元素单质存在形态有三种：石墨、金刚石和无定形碳。石墨为层型结构，层中每个碳原子以sp2杂化轨道与三个相邻的碳原子形成三个等距离的σ共价键，与层平行方向上具有完整的解离性，材料质地软而润滑；金刚石为四面体分布结构，碳原子以sp3杂化轨道形成四面体的键，每个四面体与相邻四面体紧密结合成庞大的分子，碳-碳共价键在整个晶体中彼此相连，使得材料具有极高的硬度和强度；无定形碳则是石墨层型结构的分子碎片大致平行地无序堆积而成，间或有碳原子按四面体成键方式互相键连，形成无序结构。金刚石的优异物理性质适宜于机械应用，而无定形碳诸如焦炭等却是最常见最广泛的存在形式，如何使无定形碳形成具有金刚石性能的薄膜起到保护作用，这正是DIARC技术公司开发DLC技术的方向。
一、DLC类金刚石涂层/镀膜的生产原理与工序
类金刚石涂层/镀膜的处理工序以等离子体加速器技术为基础，制造过程是：在低温真空室内，离子束使镀膜材料（碳）进入高度电离化的等离子状态。碳原子形成的等离子体经过电磁加速，获得极高的速度，直接撞击工件并形成薄膜。到达工件表面后，在碳原子之间形成sp3（金刚石）共价键，即一个无定形和致密的结构，并且薄膜不含氢和其他杂质。常见类金刚石涂层/镀膜的厚度为0.5-10μm，根据不同的使用需求，可以通过加工调整获得不同的镀膜/涂层厚度。

图4：DIARC技术股份有限公司的Miclub系列产品可提高发动机与机械的运行效率

图5：Miclub系列产品还具有降低摩擦系统的能力
二、类金刚石涂层/镀膜的制作工序特点提高了产品的使用范围并降低了环境污染
公司技术副总监Tapani Haikola解释说：DIARC技术股份有限公司在低温真空室工艺方面已经处于领跑地位，通常操作温度为100摄氏度（212华氏度）以下，如果需要的话，可以大幅降低操作温度。由于镀膜过程在低温条件下进行，因此不仅能在各种金属底物、陶瓷材料上使用，而且可以在塑料等不耐高温的材料上沉淀镀层。当应用于高精密模具上时，低温加工的特点可避免工件产生变形和回火等不良现象。
而DIARC技术股份有限公司的生产工艺消耗能量少，对原材料依赖度低，加工过程只是基于物理变化，未利用化学反应，并且未使用或制造害化学品或气体，因此也不用担心产生环境污染。
三、DLC类金刚石涂层/镀膜的超群性能
新一代涂层/镀膜具有高硬度、低摩擦系数和化学稳定性等特点。公司的最新技术产品着眼于为产品需要硬质耐磨保护层的生产商提供服务，以使其产品元件在极端恶劣的环境下运行时仍然可以保持良好的工作效率与可靠性。
从本质上说，类金刚石涂层/镀膜等同于将金刚石与石墨成分在微观组织结构上结合，从而获得接近金刚石材料的硬度。无定形碳制成的DLC类金刚石镀膜比硬金属氮化物或由碳氢化合物制成的似碳金刚石镀膜硬得多，只能被天然金刚石刮擦磨损。Haikola透露：无定形类金刚石涂层磨损一微米的工况下，换成高硬度钢将磨损一毫米。现代机械结构中，大部分磨损都得到了有效控制，不过最主要的例外在于活动件的扣死磨损尚未得到理想的解决。当处于超负荷运行状态时，润滑剂可能工作失效或者由于其他原因停止发挥作用，此时活动件的磨损将带来挑战。

图6：采用DLC类金刚石涂层/镀膜的活塞销
同时DLC类金刚石涂层/镀膜还具有极低的摩擦系数，在干燥的滑动条件下，对比钢的摩擦系数，其摩擦系数只有相应钢数值的五分之一，这表明这种镀膜能作为永久的干燥润滑剂使用，不但进一步降低磨损提高工作寿命，而且还有利于节约能源消耗。一个量化的效率数字可以说明效果：与通常无镀膜钢制齿轮相比，采用DIARC技术股份有限公司的类金刚石镀膜齿轮的摩擦系数约降低25-30%。
类金刚石涂层/镀膜还具有原子结构排布紧密的特点，避免了其它涂层内部微观结构中有较多空隙的缺陷。加上其主要成分为碳，无定形类金刚石具有抵抗酸和吸附剂的作用，化学稳定性极佳，在防腐和防止材料粘黏等应用上有良好的效果。
Tapani Haikola表示：类金刚石涂层/镀膜可以显著增加工具寿命，对于提升机械工具的性能而言至关重要。经由更改工序的处理细节，涂层/镀膜的性能可进一步优化。
四、商业前景
当前DIARC技术股份有限公司的类金刚石镀膜制作系统主要为小型零部件进行小批量加工，最大加工尺寸为直径660毫米（26英寸），长度700毫米（27.6英寸），某些情况下可加工长度1000毫米的工件，最大加工重量为250千克（551磅）。
DIARC技术股份有限公司的类金刚石涂层/镀膜技术最早源自于八十年代末芬兰赫尔辛基大学研究人员的探索。随后研究工作逐渐转向独立公司形式。DIARC技术股份有限公司当前正从事一项主动研究项目，与多所欧盟公司、大学及研究机构展开合作。该公司的典型合作手段是通过联合研发项目共同为客户开发解决方案。类金刚石涂层/镀膜产品进入大批量生产阶段之后，DIARC技术的涂层/镀膜服务同时接纳小宗与大宗业务。