表面工程摩擦学研究进展

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 andvari 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751第2期张绪寿等:　表面工程摩擦学研究进展目的在于:强化底材表面以提高底材对涂层(薄膜)的支撑能力,从而使涂层(薄膜)固有的潜力得以发挥,但涂层本身的性能并未改善.因此如何改善涂层本身的性能,以进一步提高复合处理表面的力学和摩擦学性能就成了人们面临的新课题.这促进了第二代2元涂层如T i (CN )M oS 2+A u 的出现.继而又出现了第三代涂层——多层和超晶格涂层.大量研究表明[16～18],多层涂层能满足多种性能要求,这是因为其具有如下优点:①可获得各个不同材料单层特性的综合特性;②与底材更牢固地粘结;③多层涂层中多个平行于底材表面的界面可有效地拟制裂纹的产果远远超过了Koeh ler 多层强化模型所预料的效果[18];②按照Koeh ler 模型,在多层强化涂层中,对硬质耐磨涂层而言,较少层数的均质和非均质结构单层组成的多层涂层比层数很多的超晶格(超模量)多层涂层具有更优异的摩擦学特性,换言之在性能、组分和结构上具有梯度特征的多层体系具有更优异的摩擦学特性;③最外层、涂层总厚度及层数主要取决于工况条件.在给定的工况条件下,也许2层复合涂层即可具有高抗磨、高抗蚀和低摩擦的特性,而不一定以多层复合涂层为先决条件,如T i N 化学镀N i 、C r N 化学镀N i 、DL C W C 及T i C (N ) T i 等双层涂层等即是.其中DL C W C 涂层已在齿轮和轴承中获得了应用,T i N (C r N )T i 等涂层已成功应用与磨粒磨损及冲蚀磨损条下[18].切削刀具用涂层的情况与此相似,如以T i N 为外层,由T i N 、T i CN 和A l2O 3交替组成的8层涂层及由A l 2O3 T i C T iN 组成的3层涂层都在不同切削工况下获得了成功应用并已实现了商品化[11].近十多年来,与硬质耐磨多层涂层相比而言,针对M oS 2及软金属等的多层润滑膜的研究相对较少.关于M oS 2双层膜的研究主要集中在80年代,其中以金属(如N i 、Pd 或R h )中间层、C r 3Si 2中间层和硼或硼化物中间层的M oS 2双层膜为主要代表[19～20].90年代以来,相继出现了M oS 2 T i N ,M oS 2 A u 以及A u M oS 2 T i N[21];A u N i 2P [22],M oS 2 A u 220%Pd[23]及代号为M oST 的M oS 2 T i 多层膜[24].其中T eer 等[24]采用专利技术(非平衡密闭场磁控溅射技术)制备的M oS 2 T i 多层膜(M oST )在保持低摩擦的同时使用寿命有了显著增加(如图3所示),与同期面世的 F ig 3　V ariati on in fricti onal fo rce of vari ous M oS 2coatings w ith sliding cycles图3　几种不同的M oS 2N 载荷下的往复摩擦磨损试验结果,该多层膜的寿命提高了约50%;000多次工作循环后仍未失效,膜的磨损厚度仅为原膜厚的一半.3　表面工程改性表面的力学特性研究与无涂层固体摩擦接触中表面次表面应力场和分布的表征研究相比,关于多层体系摩擦接触中应力场和应力分布表征的研究尚处于早期阶段.Ho l m berg 等[18]对90年以来这方面的研究进展进行了评述,并提出了在硬2软交替多层涂层中,在垂直和切向力作用下,软质中间层的弹性应变将导致硬质层的相对偏移,从而在保证高承载能力的同时提高涂层耐磨性的新观点.90年以来,大量学者用有限元法对应力值及其分布进行了表征和计算.最近M ao 等[5,25]基于积分变换和有限元相结合的方法,提出了应力屏障(stress barriers )模型和相关的数学计算公式,取得了新的进展.他们发现,但N ji w a 等[26]对涂层底材体系的研究表明,摩擦系数主要影响涂层中的应力状态.随着摩擦系数增大,最大应力逐渐向表面接近.近年来,纳米硬度仪的出现使得人们能从纳米尺度了解单层和多层涂层的力学性能和断裂破坏过程[27,28].可以预期,在纳米压痕条件下对具有不同中间层、不同厚度及层数的多层涂层的微观力学性能和破坏过程的深入研究必将推进多层涂层摩擦接触力学模型的建立和完善.4　涂层摩擦化学效应研究近10年来,针对涂层在摩擦过程中的摩擦化学效应及其对摩擦学特性影响的研究主要集中于金刚石薄膜、类金刚石(DL C)薄膜和氮化碳(CN x)薄膜.研究表明[29],金刚石薄膜的摩擦学行为基本上受接触表面化学特性控制,界面上化学键的形成和断裂控制摩擦行为,键的断裂部分控制磨损行为.金刚石的摩擦系数完全取决于环境,并主要受控于表面悬挂键.金刚石薄膜在湿空气或干燥氮气中的摩擦系数较低,在真空中金刚石薄膜 金刚石薄膜的摩擦系数则可高达1.0,H或其他原子分子吸附物的存在可使摩擦系数降低.DL C薄膜在超高真空中的摩擦学行为与金刚石薄膜相似,但在湿空气中不同.含氢DL C薄膜在湿的氮或氧气氛中的摩擦系数较低,在干燥氮气或高真空中极低[24](10～50Pa的Λ值处于0.010～0.070之间,在0.1Pa以下Λ值可低达0.006～01008),在干燥氧气氛中则极高,除H以外,吸附其他原子或分子增大DL C2DL C摩擦副的摩擦系数.通常DL C的摩擦磨损随湿度降低而降低[18].在湿空气中含H的DL C薄膜的摩擦系数增大,这归因于吸附的水分子与氢键间的范德华键强增大.和金刚石薄膜相似,DL C薄膜的摩擦和磨损都受摩擦时界面上或转移薄膜形成的影响[24].业已证实,DL C与不同偶件、金刚石与金刚石及陶瓷在干燥氮气中滑动时,表面上或转移膜的石墨化是导致极低摩擦系数(0.010～0.050)的原因[18,29].在相对湿度50%的大气环境中,不同偶件与DL C薄膜滑动时均可获得比与金刚石薄膜滑动时更低的摩擦系数[30].此外,对不同磁头材料与DL C涂敷磁盘的摩擦学试验研究表明,磁头材料(A l2O32T i C)起催化和加速DL C薄膜氧化磨损的作用[29].因此,只有在干燥氮气和氩气环境下, A l2O32T i C DL C对摩时才可获得最长耐磨寿命[31]. M aillat等[32]发现,T i C涂敷的钢球与涂敷DL C薄膜的钢盘对摩时从真空到相对湿度≤97%下均可给出比钢球与涂敷M oS2薄膜钢盘对摩时更稳定的摩擦系数和低约1个数量级的磨损率.Ho l m berg[20]等发现,水润滑对含H的DL C薄膜(-∶)不利,可引起灾难性破坏,T i的引入使耐磨性能有所改善,但增大了偶件的磨损;油润滑对DL C薄膜的摩擦性能影响不大,但含EP添加剂的油可使DL C薄膜的摩擦系数明显降低.不过,亦有研究表明[32],在全氟聚醚薄膜润滑下,随着磁盘表面DL C膜中含氢量从12%增大到32%,磁头与磁盘的接触起停寿命(Con tact Start Stop,略作CSS)明显增大.含N的CN x膜的CSS进一步增大.5　结束语21世纪机械制造业的进一步发展很可能主要受制于表面工程技术的发展,为了获得高生产率、高效和低能耗,要求机械在更苛刻的条件下工作,这就需要机械构件表面具有多种综合性能.为此必须进一步挖掘复合表面工程的应用潜力,以满足高性能表面的新要求.预料在不久的将来,从高技术器械到日用消费品,从磁盘到内燃机气缸构件等均将离不开表面工程处理技术.因此,针对表面工程技术和表面工程技术改性表面特性及其作用机制的研究将会是新世纪人们关注的焦点之一.在表面工程摩擦学领域,关于不同底材上涂层和处理工艺的优化和定型、多层膜的摩擦接触力学求解、残余应力的控制和优化、多层膜的设计与工艺指南、涂层摩擦化学效应及机制、高温自润滑涂层、T i和A l等合金的预强化与复合表面工程技术、陶瓷材料的表面工程技术、纳米尺度多层膜及复合膜技术等方面的研究必将进一步深入和完善,以满足不同领域对构件表面性能越来越苛刻的要求.参考文献:[1]　L arsen2Basse J.Surface engineering and the new m illennium[J].Surf Eng,1998,14(2):81～83[2]　徐洮,薛群基,田军.氮离子注入Si O2单晶磨损机理的SE 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lex su rface engineering;m u ltilayer coating 061摩　擦　学　学　报第20卷。