“碳”秘博世等离子涂层技术

看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99％。现在人们已经掌握利用电场和磁场来产生和控制等离子体，广泛用于日常生活及工业生产。

今天，就由博世智能制造解决方案事业部（以下简称ATMO-3CN）的专家来带我们探索等离子涂层技术的奥秘。

12

本期专家：

Yu Sisley

博世智能制造解决方案事业部涂层生产及工程项目工艺工程师。毕业于英国曼彻斯特大学，先进材料工程硕士及表面材料研究型硕士。

2019年加入博世协助HDEV阀球涂层工艺及产线转移，并且负责涂层质量检测设备。自2020年10月起在博世智能制造解决方案事业部负责涂层设备及服务的市场营销及销售技术支持。2020年11月协助无锡威孚集团WFMS事业部完成涂层设备及产品放行。

“碳”

Vlog Time

想知道博世的涂层技术是如何运行的吗？

一个零件从制作到出厂又需要经过哪些工艺程序？

接下来，就请我们的工艺小姐姐Sisley

用Vlog的形式带你走近神奇的涂层技术

快来一“碳”究竟吧！

一个闪电，科技萌发源于自然

猛烈的闪电火花，绚丽的北极光，宇宙中变换的星云，甚至燃烧的恒星，自然界中人类所能观察或接触到的事物，你是否好奇过它们的来源呢？

科学家研究发现，有99%的自然界现象实际上都是由一种名为等离子体的第四种物质形态引起的，它是一种同时存在于电子和带正负电荷粒子的亚稳定态的中性粒子团。只要施加一定的能量，几乎所有的物质（元素）都可以变成等离子体。施加的能量可以是电压，热能，核能，辐射能等，例如，空气和云层中电荷堆积产生的电压差（形成闪电），太阳的核聚变产生大量的热能和辐射能（形成太阳风）。近百年来，等离子体可谓是物理及化学研究的重要部分。

不同元素的等离子体呈现不同颜色

等离子体含有带电荷的粒子（离子）和电子，可以在电场或者磁场的作用下按照一定的方向有规律的运动。等离子涂层技术就利用了这个特性，操纵气态粒子团向零件表面运动，从而形成涂层。

通过调节气体的种类，密度和激发能量，可以调节等离子体自身的能量及温度。这个特性使得等离子技术在工业领域得到广泛利用：高温等离子体可以冶炼高熔点金属（冶金），高能等离子体冲击物体表面可以去除残留的有机物及油渍（表面清洁），电场磁场作用下的等离子可以在金属表面形成薄膜（涂层）。

等离子不仅可以改变金属材料或非金属材料的表面性质，还可以通过添加涂层来加成原本材料不具备的特性，例如耐磨性、耐腐蚀性、导电性等。目前，等离子体技术已经被广泛应用于国防、环境、工业、农业、信息技术等各大领域。

从科研宝宝到工业解决者的成长

如果在博世内网上搜索“Plasma”，你会发现有5300多条相关信息：

等离子体清洁用于电器元件焊接前的去油脂，低温等离子体用于塑料件的表面处理（清洁或涂层）等等；但其实，大部分的信息都是关于一种叫类金刚石涂层的应用。类金刚石是一种由碳元素组成的具有金刚石和石墨的物理化学特性的物质，它既有金刚石的硬度，又具备石墨的润滑，这也使得类金刚石拥有较低的摩擦系数。这样一想，又耐磨又润滑，这简直就是提升发动机零部件工艺性能的不二之选。

三十年前，中央研发事业部（以下简称CR）在产品设计和实验的过程中发现，仅靠提升零部件硬度的方法，无法满足燃油泵及喷油嘴中存在高速往复运动的部件对高压，碰撞及磨损环境的要求。他们将目光开始转向当时表面处理最前沿的等离子体技术，并成功研发出了拥有耐高压、耐冲击、耐气蚀等超强性能的类金刚石涂层（TaC， DLC）及氮化铬CrN陶瓷涂层。

如何量产有涂层的零部件

以满足庞大的市场需求呢？

这个问题使产品落地一度陷入瓶颈。后来，智能制造解决方案事业部（ATMO）运用博世核心制造技术鼎力相助，CR成功将这一技术转化落地为可实现稳定大规模生产的等离子涂层设备。从此，类金刚石涂层被广泛应用于柱塞、针阀/阀座、滚轴挺杆和阀球等燃油高压共轨系统（CP/CPN，CRI/CRIN ，CB series，DMV24）的高压油泵及燃油喷嘴的核心零部件表面，有效延长了核心零部件的寿命并且整体提升了产品的性能。

截至目前， ATMO已协助博世各事业部在全球8个城市设立涂层中心（德国斯图加特，中国苏州，中国无锡，美国查尔斯顿，巴西库里蒂巴，土耳其布尔萨，印度那西克，日本东松山），提供了超过50台等离子涂层设备，每年可为全球汽车制造商提供超过4.5亿件高质量涂层零部件。

它还是高效环保小卫士

这种具有优异摩擦学特性的涂层（类金刚石涂层）的奇特之处在于，它不仅可以显著提升被涂层零件的表面硬度及耐磨性，还能降低其对磨部件的磨损。这大大降低了对关键零部件的热处理及表面硬化处理的工艺要求和对材料本身性能的要求，从而显著降低了材料处理的成本。同时，其润滑性能显著降低了发动机结构内部的摩擦以及产生的热能，有利于提升能效利用及传动效率。

除此之外，类金刚石涂层仅需1-5微米，就可以显著产品摩擦综合性能，这使得产品几乎不需要设计改动就可以实现整体性能的提升。在发动机排放标准日益严苛的当今，博世也成功将类金刚石涂层从最初的柴油发动机燃油喷射系统应用到汽油发动机燃油喷射系统（HDEV），为绿色出行、产品升级提供了技术的保障。

在环境保护要求日益严格的工业环境下，等离子涂层技术也是电化学涂层技术的替代解决方案，无废水废气排放是这项技术的一大亮点。等离子涂层学名为等离子气相沉积，分为等离子物理气相沉积和等离子化学气相沉积。

通常表面处理行业使用高频或直流电场激发等离子体。而博世等离子技术在电场的作用上还增加了微波技术来激发等离子，不仅降低了设备激发等离子体所需的总能量，还使得等离子的密度大大提升。也就是说，博世的微波辅助等离子涂层设备不仅耗电量低，还拥有超快的涂层的速率（约为同体系涂层设备的3-5倍）。

微波的引入还降低了等离子体形成时所需的温度，这使得被涂层时温度可控制在150°C甚至更低，这远远优于目前市场上的用于相同涂层体系等离子涂层设备的过程温度。

对产品来说，温度的降低，能减少过热导致基材硬度的损失；对设备来说，可以免去冗长的升温降温环节，使涂层设备的最大利用率可达到95%。

有了这微波和等离子技术的双效结合，博世涂层设备得以为汽车零部件提供绿色高效的表面处理服务。

在和AE事业部的交流合作中，ATMO的涂层专家将等离子涂层应用到一款超声波铝带焊接头上，能将这款单价千元级别的高成本耗材寿命提升12倍。博世等离子涂层技术还可以运用到更多的产品中以提高产品的性能和竞争力。如，在产品设计的初期作为考量因素之一，或是遇到材料瓶颈时作为可行的解决方案。

苏州涂层中心自成立以来，始终坚持根植本土，服务本土的发展战略，一起看看它的发展历程吧！

根植本土

2017

ATMO中国苏州

建立涂层生产及研发中心

2020

为无锡博世柴油系统及联合汽车电子汽油系统提供涂层服务

并向威孚柴油集团交付涂层设备。

2021

全球首次对外部客户销售博世等离子涂层设备

未来发展

未来，位于中国苏州的研发中心将积极寻找与博世产品内部合作的机会，为博世各事业部提供更迅速高效的产品表面性能咨询及涂层工艺开发。

同时，我们将与博世德国ATMO的等离子涂层团队继续深入紧密的合作，为本土的涂层设备客户搭建更便捷完善的服务体系。

编辑：jq