進入21世紀以來，隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，化石燃料消耗帶來的環(huán)境污染問題也日益突出。當前，隨著“國五”標準的不斷推進以及“國六”標準的即將到來，在汽車制造企業(yè)自身努力創(chuàng)新以及燃油成本不斷提高的大環(huán)境下，追求汽車發(fā)動機的減排增效已經(jīng)是大勢所趨。

PVD（物理Q相沉積）作為一種逐漸被人們普遍認識和認可的表面處理方法，其給發(fā)動機整體性能帶來的改善逐漸顯現(xiàn)其優(yōu)勢。PVD自身具有的綠色環(huán)保無污染排放、工藝溫度低、涂層硬度高、摩擦系數(shù)低、結(jié)合力強并且化學穩(wěn)定性好等特點，使其具備應用于汽車發(fā)動機零部件的基本條件。

DLC（類金剛石）涂層作為一種較為常見的PVD涂層，和金剛石幾乎擁有一樣的特性。由于其具有高硬度和高彈性模量、低摩擦因數(shù)、耐磨損以及良好的真空摩擦學特性，很適合于作為耐磨涂層，因而通過氣相沉積工藝獲得的DLC涂層在眾多有耐磨性以及硬度要求的零件上得到普遍應用。

DLC工藝溫度通常在200攝氏度左右，甚至更低，能夠處理大多數(shù)的汽車零件；DLC涂層細膩光滑，自潤滑性好，摩擦系數(shù)通常在0.1以下；硬度高，通常在Hv2200以上；尤其適合涂覆在汽車零件表面，承受頻繁持續(xù)的G強度摩擦磨損，起到提高零件使用性能、延長使用壽命的作用；另外，DLCZ高可耐受350攝氏度，且耐腐蝕性好、化學穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)致密，能夠勝任發(fā)動機的內(nèi)部溫度和工作環(huán)境。

我們知道，發(fā)動機中的活塞環(huán)安裝在活塞側(cè)壁的凹槽內(nèi)，環(huán)外圓面緊貼在氣缸內(nèi)壁。隨著活塞在氣缸內(nèi)上下往復運動，環(huán)面不斷地刮擦氣缸內(nèi)壁，產(chǎn)生較大的摩擦功損耗，工況比較惡劣?；钊h(huán)在發(fā)動機中一般起到導向、導熱、密封等作用，因此，圍繞其開展的表面處理技術(shù)直接影響到發(fā)動機整機的能耗和使用壽命。近些年，國內(nèi)外很多科研機構(gòu)、制造企業(yè)對活塞環(huán)加工工藝和表面處理的探索一直沒有停止。

傳統(tǒng)的主要表面處理技術(shù)有滲氮處理、滲碳處理、磷化處理等，目前比較成熟的PVD涂層是多指CrN涂層，在市場上較為普遍。近年來出現(xiàn)的含氫DLC涂層（以下簡稱DLC）和無氫DLC涂層（以下簡稱TaC）作為一種新的涂層材料和技術(shù)，因為具有更加優(yōu)異的性能得到業(yè)界的普遍重視。與CrN相比，DLC可以有效減少摩擦，進一步降低摩擦功損耗，重要的一點是更加不易拉缸。

在以非燃油為燃料的新能源汽車發(fā)動機（如天然氣和目前在努力推廣的甲醇燃料的發(fā)動機）中，DLC涂層的活塞環(huán)可以在無潤滑油的干態(tài)摩擦條件下起到良好的潤滑和耐磨減磨的作用，這也是目前解決這類活塞環(huán)壽命和節(jié)能問題的惟一手段。

但是，需要指出的是，傳統(tǒng)的DLC涂層通常不到5微米，很容易被刮擦掉，遠遠達不到發(fā)動機的實際使用壽命。無論是在什么樣的零件上使用，一般來說，在滿足零件尺寸要求的前提下，涂層的厚度，尤其是DLC涂層的厚度往往是越厚越好，這樣零件的耐磨性會相應提高。然而，一旦涂層的厚度增加，尤其是DLC層的厚度增加，就會導其內(nèi)應力增大，影響涂層和基材結(jié)合力，導致涂層與基材剝離，這就對涂層的使用壽命和效率產(chǎn)生影響。

因此，厚度及其表現(xiàn)出的耐磨性一直是應用上的一個瓶頸。而TaC作為一種無氫DLC雖然有報導稱能做到20微米，但是現(xiàn)有條件下，其生產(chǎn)成本以及設備的維護保養(yǎng)等方面恐怕很難滿足真正的大規(guī)模量產(chǎn)需要，這時候就急需真正適合活塞環(huán)的DLC工藝。

DLC涂層目前可以通過很多種技術(shù)獲得，但市面上常用的方法分別是磁控濺射、離子束和電弧技術(shù)。實現(xiàn)這三種技術(shù)手段依靠的硬件——等離子體源（磁控濺射靶座、離子束源和電弧源），其結(jié)構(gòu)開發(fā)設計和裝配甚至后續(xù)的檢驗和維護保養(yǎng)等，都是由公司自行完成。

應用于活塞環(huán)上的DLC主要采用磁控濺射技術(shù)和離子束技術(shù)多層復合沉積而成。等離子體源在相應的電源和反應氣體的共同作用下，將原材料變成大量微觀帶電的等離子體。這些提供涂層主要成分的等離子體隨著鍍膜設備內(nèi)產(chǎn)生的電磁場的分布，有規(guī)律地做定向運動，Z終在需要沉積的工件位置，逐漸形成宏觀可見的、具有一定厚度的涂層。

其中，磁控濺射技術(shù)沉積速率高，穩(wěn)定性高，均勻性好，結(jié)合力強，需要沉積的材料只要制作成相應的塊狀靶材即可安裝在靶座上；在涂層沉積過程中，該技術(shù)負責沉積與基材接觸的底層以及介于底層和Z外層的功能層之間的過渡層。離子束技術(shù)主要用來沉積功能層，含碳的反應氣體在離子束源產(chǎn)生的強電場作用下被電離成等離子體并沉積到上述過渡層上。

因為是氣體作為碳元素的來源，所以沉積出的涂層結(jié)構(gòu)更為致密，表面更為光滑和黑亮。過渡層的存在能夠有效地提高納米硬度范圍，從而能夠?qū)崿F(xiàn)功能層厚度的增加，并且可以有效緩沖后功能層帶來的巨大應力，提高復合薄膜與基材的結(jié)合力。同時，由于過渡層的表面微觀結(jié)構(gòu)良好，不會破壞DLC自身的粗糙度，從而保證復合涂層具有較低的摩擦系數(shù)。