“碳”秘博世等離子涂層技術(shù)

看似“神秘”的等離子體，其實(shí)是宇宙中一種常見(jiàn)的物質(zhì)，在太陽(yáng)、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙的99％?，F(xiàn)在人們已經(jīng)掌握利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生和控制等離子體，廣泛用于日常生活及工業(yè)生產(chǎn)。

今天，就由博世智能制造解決方案事業(yè)部（以下簡(jiǎn)稱ATMO-3CN）的專家來(lái)帶我們探索等離子涂層技術(shù)的奧秘。

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本期專家：

Yu Sisley

博世智能制造解決方案事業(yè)部涂層生產(chǎn)及工程項(xiàng)目工藝工程師。畢業(yè)于英國(guó)曼徹斯特大學(xué)，先進(jìn)材料工程碩士及表面材料研究型碩士。

2019年加入博世協(xié)助HDEV閥球涂層工藝及產(chǎn)線轉(zhuǎn)移，并且負(fù)責(zé)涂層質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備。自2020年10月起在博世智能制造解決方案事業(yè)部負(fù)責(zé)涂層設(shè)備及服務(wù)的市場(chǎng)營(yíng)銷及銷售技術(shù)支持。2020年11月協(xié)助無(wú)錫威孚集團(tuán)WFMS事業(yè)部完成涂層設(shè)備及產(chǎn)品放行。

“碳”

Vlog Time

想知道博世的涂層技術(shù)是如何運(yùn)行的嗎？

一個(gè)零件從制作到出廠又需要經(jīng)過(guò)哪些工藝程序？

接下來(lái)，就請(qǐng)我們的工藝小姐姐Sisley

用Vlog的形式帶你走近神奇的涂層技術(shù)

快來(lái)一“碳”究竟吧！

一個(gè)閃電，科技萌發(fā)源于自然

猛烈的閃電火花，絢麗的北極光，宇宙中變換的星云，甚至燃燒的恒星，自然界中人類所能觀察或接觸到的事物，你是否好奇過(guò)它們的來(lái)源呢？

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，有99%的自然界現(xiàn)象實(shí)際上都是由一種名為等離子體的第四種物質(zhì)形態(tài)引起的，它是一種同時(shí)存在于電子和帶正負(fù)電荷粒子的亞穩(wěn)定態(tài)的中性粒子團(tuán)。只要施加一定的能量，幾乎所有的物質(zhì)（元素）都可以變成等離子體。施加的能量可以是電壓，熱能，核能，輻射能等，例如，空氣和云層中電荷堆積產(chǎn)生的電壓差（形成閃電），太陽(yáng)的核聚變產(chǎn)生大量的熱能和輻射能（形成太陽(yáng)風(fēng)）。近百年來(lái)，等離子體可謂是物理及化學(xué)研究的重要部分。

不同元素的等離子體呈現(xiàn)不同顏色

等離子體含有帶電荷的粒子（離子）和電子，可以在電場(chǎng)或者磁場(chǎng)的作用下按照一定的方向有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。等離子涂層技術(shù)就利用了這個(gè)特性，操縱氣態(tài)粒子團(tuán)向零件表面運(yùn)動(dòng)，從而形成涂層。

通過(guò)調(diào)節(jié)氣體的種類，密度和激發(fā)能量，可以調(diào)節(jié)等離子體自身的能量及溫度。這個(gè)特性使得等離子技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛利用：高溫等離子體可以冶煉高熔點(diǎn)金屬（冶金），高能等離子體沖擊物體表面可以去除殘留的有機(jī)物及油漬（表面清潔），電場(chǎng)磁場(chǎng)作用下的等離子可以在金屬表面形成薄膜（涂層）。

等離子不僅可以改變金屬材料或非金屬材料的表面性質(zhì)，還可以通過(guò)添加涂層來(lái)加成原本材料不具備的特性，例如耐磨性、耐腐蝕性、導(dǎo)電性等。目前，等離子體技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、環(huán)境、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、信息技術(shù)等各大領(lǐng)域。

從科研寶寶到工業(yè)解決者的成長(zhǎng)

如果在博世內(nèi)網(wǎng)上搜索“Plasma”，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有5300多條相關(guān)信息：

等離子體清潔用于電器元件焊接前的去油脂，低溫等離子體用于塑料件的表面處理（清潔或涂層）等等；但其實(shí)，大部分的信息都是關(guān)于一種叫類金剛石涂層的應(yīng)用。類金剛石是一種由碳元素組成的具有金剛石和石墨的物理化學(xué)特性的物質(zhì)，它既有金剛石的硬度，又具備石墨的潤(rùn)滑，這也使得類金剛石擁有較低的摩擦系數(shù)。這樣一想，又耐磨又潤(rùn)滑，這簡(jiǎn)直就是提升發(fā)動(dòng)機(jī)零部件工藝性能的不二之選。

三十年前，中央研發(fā)事業(yè)部（以下簡(jiǎn)稱CR）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，僅靠提升零部件硬度的方法，無(wú)法滿足燃油泵及噴油嘴中存在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部件對(duì)高壓，碰撞及磨損環(huán)境的要求。他們將目光開(kāi)始轉(zhuǎn)向當(dāng)時(shí)表面處理最前沿的等離子體技術(shù)，并成功研發(fā)出了擁有耐高壓、耐沖擊、耐氣蝕等超強(qiáng)性能的類金剛石涂層（TaC， DLC）及氮化鉻CrN陶瓷涂層。

如何量產(chǎn)有涂層的零部件

以滿足龐大的市場(chǎng)需求呢？

這個(gè)問(wèn)題使產(chǎn)品落地一度陷入瓶頸。后來(lái)，智能制造解決方案事業(yè)部（ATMO）運(yùn)用博世核心制造技術(shù)鼎力相助，CR成功將這一技術(shù)轉(zhuǎn)化落地為可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定大規(guī)模生產(chǎn)的等離子涂層設(shè)備。從此，類金剛石涂層被廣泛應(yīng)用于柱塞、針閥/閥座、滾軸挺桿和閥球等燃油高壓共軌系統(tǒng)（CP/CPN，CRI/CRIN ，CB series，DMV24）的高壓油泵及燃油噴嘴的核心零部件表面，有效延長(zhǎng)了核心零部件的壽命并且整體提升了產(chǎn)品的性能。

截至目前， ATMO已協(xié)助博世各事業(yè)部在全球8個(gè)城市設(shè)立涂層中心（德國(guó)斯圖加特，中國(guó)蘇州，中國(guó)無(wú)錫，美國(guó)查爾斯頓，巴西庫(kù)里蒂巴，土耳其布爾薩，印度那西克，日本東松山），提供了超過(guò)50臺(tái)等離子涂層設(shè)備，每年可為全球汽車制造商提供超過(guò)4.5億件高質(zhì)量涂層零部件。

它還是高效環(huán)保小衛(wèi)士

這種具有優(yōu)異摩擦學(xué)特性的涂層（類金剛石涂層）的奇特之處在于，它不僅可以顯著提升被涂層零件的表面硬度及耐磨性，還能降低其對(duì)磨部件的磨損。這大大降低了對(duì)關(guān)鍵零部件的熱處理及表面硬化處理的工藝要求和對(duì)材料本身性能的要求，從而顯著降低了材料處理的成本。同時(shí)，其潤(rùn)滑性能顯著降低了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的摩擦以及產(chǎn)生的熱能，有利于提升能效利用及傳動(dòng)效率。

除此之外，類金剛石涂層僅需1-5微米，就可以顯著產(chǎn)品摩擦綜合性能，這使得產(chǎn)品幾乎不需要設(shè)計(jì)改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)整體性能的提升。在發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛的當(dāng)今，博世也成功將類金剛石涂層從最初的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)用到汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)（HDEV），為綠色出行、產(chǎn)品升級(jí)提供了技術(shù)的保障。

在環(huán)境保護(hù)要求日益嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下，等離子涂層技術(shù)也是電化學(xué)涂層技術(shù)的替代解決方案，無(wú)廢水廢氣排放是這項(xiàng)技術(shù)的一大亮點(diǎn)。等離子涂層學(xué)名為等離子氣相沉積，分為等離子物理氣相沉積和等離子化學(xué)氣相沉積。

通常表面處理行業(yè)使用高頻或直流電場(chǎng)激發(fā)等離子體。而博世等離子技術(shù)在電場(chǎng)的作用上還增加了微波技術(shù)來(lái)激發(fā)等離子，不僅降低了設(shè)備激發(fā)等離子體所需的總能量，還使得等離子的密度大大提升。也就是說(shuō)，博世的微波輔助等離子涂層設(shè)備不僅耗電量低，還擁有超快的涂層的速率（約為同體系涂層設(shè)備的3-5倍）。

微波的引入還降低了等離子體形成時(shí)所需的溫度，這使得被涂層時(shí)溫度可控制在150°C甚至更低，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前市場(chǎng)上的用于相同涂層體系等離子涂層設(shè)備的過(guò)程溫度。

對(duì)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，溫度的降低，能減少過(guò)熱導(dǎo)致基材硬度的損失；對(duì)設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以免去冗長(zhǎng)的升溫降溫環(huán)節(jié)，使涂層設(shè)備的最大利用率可達(dá)到95%。

有了這微波和等離子技術(shù)的雙效結(jié)合，博世涂層設(shè)備得以為汽車零部件提供綠色高效的表面處理服務(wù)。

在和AE事業(yè)部的交流合作中，ATMO的涂層專家將等離子涂層應(yīng)用到一款超聲波鋁帶焊接頭上，能將這款單價(jià)千元級(jí)別的高成本耗材壽命提升12倍。博世等離子涂層技術(shù)還可以運(yùn)用到更多的產(chǎn)品中以提高產(chǎn)品的性能和競(jìng)爭(zhēng)力。如，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期作為考量因素之一，或是遇到材料瓶頸時(shí)作為可行的解決方案。

蘇州涂層中心自成立以來(lái)，始終堅(jiān)持根植本土，服務(wù)本土的發(fā)展戰(zhàn)略，一起看看它的發(fā)展歷程吧！

根植本土

2017

ATMO中國(guó)蘇州

建立涂層生產(chǎn)及研發(fā)中心

2020

為無(wú)錫博世柴油系統(tǒng)及聯(lián)合汽車電子汽油系統(tǒng)提供涂層服務(wù)

并向威孚柴油集團(tuán)交付涂層設(shè)備。

2021

全球首次對(duì)外部客戶銷售博世等離子涂層設(shè)備

未來(lái)發(fā)展

未來(lái)，位于中國(guó)蘇州的研發(fā)中心將積極尋找與博世產(chǎn)品內(nèi)部合作的機(jī)會(huì)，為博世各事業(yè)部提供更迅速高效的產(chǎn)品表面性能咨詢及涂層工藝開(kāi)發(fā)。

同時(shí)，我們將與博世德國(guó)ATMO的等離子涂層團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深入緊密的合作，為本土的涂層設(shè)備客戶搭建更便捷完善的服務(wù)體系。

編輯：jq