第20卷 第2期摩擦学学报V o l20, N o2 2000年4月TR I BOLO GY A p r,2000表面工程摩擦学研究进展3
张绪寿,余来贵,陈建敏
(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 730000)
摘要:综述了第二代表面工程技术和表面工程摩擦学的研究进展,展望了21世纪表面工程摩擦学研究的发展动向.
关键词:表面工程摩擦学;表面涂层;复合表面工程;多层涂层
中图分类号:TH117文章标识码:A文章编号:100420595(2000)022*******
随着表面科学和材料科学与工程的发展,近廿年来表面工程摩擦学(改性表面摩擦学)获得了迅速发展.80年代初,表面工程摩擦学研究在英国和德国摩擦学各研究领域中已分别上升到了第一位和第二位. 1983年世界上第一个表面工程研究所在英国伯明翰大学成立.1985年《SU R FA CE EN G I N EER I N G》创刊,1988年《表面工程》创刊.资料表明[1],1990年到1994年仅德国就有近1000家新的表面工程公司成立.1994年北美、日本和西欧各国在表面工程研究领域的总投资达400亿美元.目前表面工程摩擦学已成为摩擦学研究领域中十分活跃的分支[2,3].这从1997年第一届世界摩擦学大会的有关论文情况亦可得到佐证[4].表面工程摩擦学领域所获得的大量研究成果不仅促进和丰富了摩擦学的基础研究,而且为开发工业和高新技术发展所必需的具有高强度、高耐磨性和高抗蚀性的摩擦学材料提供了重要的指南.
1 表面工程摩擦学研究现状
1.1 表面工程技术研究进展
1997年B ell根据表面工程技术(涂层和表面处理)发展历程把表面工程分为两代[5]:第一代主要采用单一技术,包括电镀、化学镀、热喷涂、热化学处理、CVD、PVD沉积以及载能束改性等表面工程技术.20多年来,该类表面工程及其摩擦学的研究取得了巨大进展,许多研究成果已获得了应用.随着新型工艺如PA PVD、PA CVD和PS II等的采用,具有低摩擦高抗磨性的新型涂层如C3N4等应运而生[6,7].但是,只有采用第二代表面工程即复合表面工程才有可能从经济和技术上不断满足高性能新材料的要求[5,8].Sub ram an ian等[9]根据涂层的发展历程把涂层技术分为3代:第一代涂层指传统的单组分涂层如T i N;第二代指二元复合涂层如T i(CN)和(T i A l)N;第三代指新近出现的多层及多组元涂层.近年来针对复合表面工程及多层涂层的研究更为活跃[10],其代表了表面工程技术90年代以来的发展方向.本文就复合表面工程和多层涂层摩擦学的研究进展进行综述. 1.2 复合表面工程的定义和分类
复合表面工程的特点在于采用2种或2种以上表面技术以获得任何单一技术不能达到的具有良好综合性能的复合物表面.按照两种不同技术间的相互作用及其对复合表面层综合性能的贡献,可以进一步将复合表面工程分为2类[5]:第一类指2种不同工艺技术互相补充,其最终性能是2种工艺共同作用的结果;第二类指一种工艺补充和增强另一种工艺,前者作为预处理或前处理,最终性能则主要取决于后一种工艺.采用复合表面工程的主要目的在于:①通过对底材进行强化预处理以提高底材对涂层的支撑能力,从而防止在给定负荷下由于底材的塑性变形而导致涂层的过早失效[5];②利用多种涂层或处理技术复合产生协同效应,从而在表面上获得更高性能的复合改性层[8].从技术上说,2种或多种表面技术的结合是没有限制的,但实际上复合表面工程不是每种表面技术的简单混合.由于复合处理的结果组成了一个典型的多层复合体系,复合体系的最终性能主要取决于2种不同处理技术的综合效应,其中2种处理间的协同效应对改善复合体系的性能有利.因此,选择复合表面处理技术时,必须仔细考虑不同处理工艺在冶金学、力学、物理和化学等方面的相互作用,严防
3国家杰出表年基金资助项目.
1999210212收到初稿,2000201228收到修改稿 通讯联系人张绪寿.张绪寿 男,65岁,研究员,主要从事摩擦学表面工程研究工作.
第二种处理损伤第一种处理原本具有的良好特性.正因为如此,目前仅有为数不多的复合处理技术显示出优异的性能和潜在的应用前景.而复合表面工程技术本身仍处在初级阶段[1]甚至工艺选配阶段,在许多方面还缺乏指导性的理论和规范.1.3 复合表面工程摩擦学研究现状1.3.1 铁及其合金表面工程摩擦学
10多年以来,人们针对多种双处理体系如底材
先进行化学镀N i 2P 、电镀N i 、渗硼或离子氮化后再涂敷T i N (C ),以及热或等离子喷涂后再激光处理等进行了大量的研究.业已发现,合金钢等离子氮化(PN )后再经PVD 2T i N 涂层处理不仅可大幅度地提高其耐磨性,而且可明显提高其承载能力和抗疲劳能力[5,11].图1示出了上述复合处理与单一处理技术在
F ig 1 W ear vo lum e lo ss of untreated and
vari ous treated En 40B steel
图1 几种表面处理技术对En 40B 钢抗磨性能的影响
改善En 40B 钢抗磨性方面的效果[5].可以看出,复合处理可使En 40B 钢的磨损体积损失降低近40倍.1.3.2 T i 、A l 及其合金表面工程摩擦学
T i 合金由于其优异的高比强度、
优良的抗蚀性和生物相容性,因而在宇航工业、化学工业和现代生物医学领域越来越受到重视,A l 及其合金与T i 相似.但是
,T i 、A l 及其合金的摩擦学特性很差,这使其
在摩擦学领域的应用受到极大限制.为了适应节能需要,对发动机及其附件和其他机械设备运动构件的轻量化要求日益突出.多年来,金属材料学家和摩擦学家在高强度新型合金及其润滑材料研究方面已取得了巨大进展,但相关材料的摩擦学性能仍然难以满足工业摩擦学构件的应用需要.因此,对T i 及A l 等合金的表面工程摩擦学研究尤为重要和迫切.
近年来,B ell 等[5]对T i 合金表面工程摩擦学进行了系统研究,取得了显著成绩.他们开发成功的氧
扩散处理 涂敷类金刚石碳膜复合处理技术可明显提高T i 合金的承载能力,并使其可适用于更大范围的滑滚比工况(如图2所示).
F ig 2 T he effect of dup lex surface engineering
开发铝制汽车发动机,关于A l 合金汽缸和活塞环组合件的摩擦学特性研究已取得了一些进展.研究表
明[12],必须采用表面工程技术以强化和改善A l 合金的表面特性,以满足高表面强度、高耐磨性和低摩擦的要求.德国很早就将N i 2Si C 复合镀层用于A l 质汽缸的制造,并成功地将其用在BMW 的部分发动机上.英国最近也开始采用这一技术.日本本田二轮摩托和赛车用铝发动机中也采用了N i 2Si C 镀层.铃木和雅马哈摩托车上则采用了N i 2P 2BN 和N i 2P 2Si C 镀层.实践表明,采用上述复合镀技术可大大降低油耗和提高输出功率.近些年来,A l 及其合金的载能束重熔和合金化以及等离子氮化等表面工程技术也受到了人们的重视[13～15].研究表明,由于A l 合金的固有特性,许多已成功用于Fe 质合金的复合技术不适用于A l 合金.例如,由于表面氧化物特别是低导电性氮化铝膜的形成将使氮化过程终止,目前实际上难以对A l 合金进行等离子氮化处理.这就要求我们尽快开展射频氮化、离子注入和离子辅助氮化等预强化技术的研究,以早日开发实用的A l 合金复合表面工程技术[15].
2 多层膜的摩擦学特性研究
在涂层 底材体系中,采用复合表面工程技术的
7
51第2期张绪寿等: 表面工程摩擦学研究进展
