薄膜/涂层的摩擦学设计及其研究进展

介绍了近年来有机分子自组装薄膜(SAMs)、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)类金刚石薄膜(DLC)、液相法制备类金刚石薄膜、功能梯度薄膜以及绿色环保电化学沉积镀层的制备及其摩擦学研究进展,讨论了薄膜/涂层的制备方法和影响薄膜/涂层结构及其摩擦学性能的各种因素,评述了几种具代表性的薄膜/涂层摩擦磨损机理,分析并指出了SAMs、DLC、梯度薄膜和电镀镀层的摩擦学研究方向.     

工艺因素对离子束增强沉积氮化硅薄膜组成与结构的影响

本世纪８０年代以来，利用各种表面技术陶瓷材料涂覆于金属零件表面的研究发展很快，离子束增强沉积技术以其突出的优点更受到重视，利用这种技术合成陶瓷薄膜是一种新的物理气相沉积方法，而沉积薄膜的质量，性能和成膜速度都会受到工艺因素的影响，由于氮化硅陶瓷的硬度高，韧性和高温稳定性都比较好，是一种相当理想的耐磨材料，且其还有一定的自润滑性，因此，着重研究了氮离子束流和束压，氮离子与硅原子在基片上的达比，以及不     

脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积TiN和TiCN薄膜摩擦磨损特性研究

对比研究了脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积TiN和TiCN薄膜的摩擦磨损特性，用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及销-盘摩擦磨损试验机分析薄膜形貌和结合力，考察了不同沉积条件下2种薄膜的摩擦磨损过程及其影响因素．结果表明，TiCN薄膜具有较高硬度、良好的膜基结合力，相对于TiN薄膜而言表现出更低的摩擦系数和更好的耐磨性能．在实际使用中应注重成分和结构优化设计，以保证薄膜具有良优良的减摩性能．     

含氮类金刚石薄膜的力学和摩擦学性能的研究

利用脉冲等离子体增强化学气相沉积系统沉积了含氮类金刚石碳薄膜.利用X射线光电子能谱和红外光谱分析了薄膜的化学键状态,在UMT摩擦磨损试验机上考察了薄膜的摩擦学性能,利用扫描电子显微镜分析了摩擦对偶球表面的转移膜形貌.结果表明:随着薄膜中氮含量的增加,薄膜中的sp2C含量增加,硬度有所降低,薄膜的平均摩擦系数先减小后增加.     

相对湿度对类金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅表面制备了含氢类金刚石薄膜,在球-盘摩擦磨损试验机上考察了相对湿度对薄膜摩擦磨损性能的影响,利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪观察和分析其磨损表面形貌和化学状态的变化情况.结果表明,随着相对湿度增加,DLC薄膜的摩擦系数和磨损率增加.这主要是由于薄膜表面氧化作用所致.     

磁控溅射和脉冲直流化学气相沉积Ti-Si-N薄膜摩擦磨损性能对比研究

分别利用磁控溅射和脉冲直流化学气相沉积(PCVD)技术制备了Ti-Si-N薄膜，测定了2种Ti-Si-N薄膜的显微硬度，并采用球一盘式高温摩擦磨损试验机对比考察了其高温摩擦磨损性能．结果表明，当薄膜中Si含量(原子分数)约为10％时，2种薄膜的显微硬度达到最大值；2种Ti-Si-N薄膜的耐磨性能同其硬度之间不存在对应关系，其中采用PCVD方法制备的Ti-Si-N薄膜的高温抗磨性能较优；2种薄膜在高温下的摩擦系数均有所降低，这归因子高温下氧化膜的润滑作用。     

脉冲直流等离子体增强化学气相沉积Ti—Si—N纳米薄膜的摩擦磨损特性

采用工业型脉冲等离子体增强化学气相沉积设备，通过调节氯化物混合比例控制薄膜成分，在高速钢基材表面于550℃下沉积由纳米晶TiN和纳米非晶Si3N4组成的Ti—Si—N复合薄膜；采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪及X射线光电子能谱仪分析了薄膜的结构、组成和化学状态；采用球-盘高温摩擦磨损试验机考察了薄膜同GCrl5钢对摩时的摩擦磨损性能．结果表明：薄膜的Si含量在0％～35％范围内变化，随着Si含量增大，薄膜沉积速率增大，但薄膜由致密形态向大颗粒疏松态过渡；薄膜的晶粒尺寸为7～50nm；Ti—Si—N薄膜的显微硬度高于TiN的硬度，最高可达60GPa；引入少量Si可以显著改善TiN薄膜的抗磨性能，但薄膜的摩擦系数较高(室温下约0．8、400℃下约0．7)；随着Si含量的增加，Ti—Si—N薄膜的耐磨性能有所降低，其原因在于引入导电性较差的Si元素使得薄膜的组织变得疏松．     

Si-B-N复合薄膜的结构及摩擦学性能研究

利用三极射频-直流负偏压-等离子体增强化学气相沉积技术在45#钢表面制备了附着力较强的Si-B-N复合薄膜;采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪分析了所制备的Si-B-N复合薄膜的组成和结构,通过划痕试验和球-盘摩擦磨损试验考察了薄膜与基体的附着力及摩擦学性能.结果表明:通过合理地控制工艺参数,并对试样基体施加适当的直流负偏压,可以制得含六方氮化硼(h-BN)和立方氮化硼(c-BN)混合相的Si-B-N复合薄膜;而在Si-B-N复合薄膜表面引入沉积MoS2薄膜可以改善其摩擦学性能.     

离子束增强沉积和磁控溅射硫化钼薄膜的摩擦磨损性能研究

在离子束增强沉积的Ｓｉ３Ｎ４膜和ＴｉＮ膜的表面，分别利用离子增强沉积法和磁控溅射法制取了ＭｏＳｘ薄膜。在ＳＲＶ摩擦磨损试验机上，对几种薄膜试样与５２１００钢板样作了对比试验研究。结果表明，两种ＭｏＳｘ薄膜都具有良好的摩擦磨损性能。     

Si过渡层类金刚石薄膜界面优化及其性能研究

本文中利用等离子体化学气相沉积法,制备了具有Si过渡层的DLC薄膜.利用俄歇深度分析的方法,研究了Si过渡层沉积条件如电压、气压和气源对Si过渡层的影响;利用薄膜应力分布测试仪和划痕仪,研究了不同沉积条件下制备的Si过渡层对类金刚石薄膜内应力和附着力特性的影响;利用摩擦磨损仪,分析比较了薄膜的摩擦性能.研究表明:DLC薄膜与基底之间形成(Fe+Si+O混合层)/Si/(Si+C混合层)过渡层.过渡层制备过程中,气压、电压和Ar/Si H4比例升高,会导致过渡层中Si层厚度的减小.这种过渡层在一定范围内提高了DLC薄膜与基体之间的结合力,缓解了因薄膜与基底间不匹配而产生的应力.在大气环境下,优化的DLC薄膜与GCr 15钢对偶的摩擦系数及磨损率可低至0.02和8.2×10-14m3/(N·m).     

材料磨损研究的进展与思考

阐述了材料磨损理论和抗磨损技术研究的进展,分析了磨损损伤特征和复杂性,着重讨论了磨屑形成机制,指出疲劳机制研究具有重要意义,并就今后材料磨损研究提出了若干建议.     

生物形态木质陶瓷的摩擦学性能研究

采用甘蔗渣浸渍环氧树脂后真空烧结制备生物形态木质陶瓷.研究了木质陶瓷的孔径分布及孔隙度,采用摩擦磨损试验机评价了木质陶瓷在干摩擦状态下的摩擦学性能,分析了木质陶瓷磨损后的表面形貌,简要讨论了木质陶瓷的磨损机理.研究表明：木质陶瓷的磨损机理主要以磨粒磨损和黏着磨损共同作用.木质陶瓷能够在磨损表面形成1层碳膜,具有良好的自润滑作用.甘蔗渣含量较高时,孔隙度较大,摩擦系数较大,磨损率较高,木质陶瓷的磨损主要表现为严重磨粒磨损,磨损表面无法形成碳膜.     

载荷和转速对铜合金材料摩擦磨损性能的影响

采用MMW-1A摩擦磨损试验机,对比研究干摩擦条件下,载荷和转速对QSn7-0.2、CuZn31Si1和Cu9Ni6Sn三种铜合金材料摩擦磨损性能的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析磨损表面形貌及元素成分,讨论了QSn7-0.2、CuZn31Si1和Cu9Ni6Sn的磨损机理. 结果表明:当载荷和转速增大时,平均摩擦系数和磨损率为Cu9Ni6Sn＜CuZn31Si1＜QSn7-0.2. 当载荷增大时,QSn7-0.2的磨损机理由磨粒磨损逐渐加剧转变为黏着磨损;CuZn31Si1的磨损机理由塑性变形磨损加重并伴有轻微的磨粒磨损转变为磨粒、黏着磨损;Cu9Ni6Sn的磨损机理由轻微的磨粒、塑性变形磨损转变为疲劳磨损. 当转速增大时,QSn7-0.2的磨损机理由塑性变形磨损加重转变为黏着磨损,整个过程伴随着轻微的磨粒磨损;CuZn31Si1的磨损机理由磨粒磨损转变为塑性变形磨损;Cu9Ni6Sn的磨损机理由轻微的磨粒磨损转变为磨粒磨损与塑性变形磨损共存.      

钛硅多元掺杂类金刚石薄膜在不同气氛环境下的摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备了钛硅多元掺杂的含氢类金刚石薄膜. 在球-盘摩擦试验机上考察了不同气氛环境对薄膜摩擦学性能的影响. 利用扫描电子显微电镜和拉曼光谱分析了磨损表面形貌和转移层结构, 探讨了薄膜的摩擦磨损机理. 结果表明:薄膜在真空和氮气环境下摩擦系数较小、磨损率低,表现为磨粒磨损;在氧气和高湿度大气环境下摩擦系数较大、磨损率高,表现为黏着磨损;在低湿度空气环境下薄膜摩擦系数最低,表现为磨粒磨损和黏着磨损混合磨损机理;转移层发生摩擦诱导石墨化和聚乙炔链C=C键双氢化两种摩擦化学过程.     

TC4钛合金在模拟海水中腐蚀?磨损交互行为研究

采用自制摩擦腐蚀装置研究了TC4钛合金在模拟海水中电化学腐蚀与机械磨损间的交互作用,探究了不同电化学状态对TC4钛合金腐蚀磨损行为的影响. 在摩擦腐蚀过程中,TC4钛合金的腐蚀电位发生负偏移,腐蚀电流随着外加电位升高而增大,在零电流电势(OCP)附近TC4钛合金获得最低摩擦系数. TC4钛合金总体积损失随着外加电位的增加而增大,证实了腐蚀磨损交的交互作用随着外加电位的增加而增强;当电位从–0.5 V增大至0.8 V时,腐蚀磨损交互作用导致的材料损失占总材料损失的比例由12%增加至66%,其中腐蚀诱导磨损导致的损失量占比由7%增加至44%. OCP及其以下外加电位条件下,TC4钛合金的磨损机制为磨粒磨损;0 V电位下TC4钛合金磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损;0.8 V电位下TC4钛合金的磨损机制为磨粒磨损和摩擦诱导的腐蚀磨损.      

纳米碳管/铝基复合材料的制备及摩擦磨损性能研究

利用粉末冶金法制备纳米碳管/铝基复合材料,研究不同纳米碳管含量对复合材料硬度和稳态摩擦磨损行为的影响,采用扫描电子显微镜观察复合材料的磨损表面形貌,并对其磨损机制进行探讨.结果表明:随着纳米碳管质量分数的增加,复合材料的硬度呈现先增大而后减小的趋势,含质量分数为2%的纳米碳管复合材料硬度比铝增加约80%;复合材料的摩擦系数逐渐降低,磨损率先减小而后增大;含质量分数为1%的纳米碳管复合材料磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损,而含质量分数为2%的纳米碳管复合材料以剥层磨损和疲劳磨损为主.     

消除精密机床主轴轴承滚道表面白亮带的方法研究

为了解决国产精密机床主轴轴承滚道表面因接触疲劳磨损而很快(运转十多分钟至两小时)就形成白亮带的问题,本文通过对滚道或滚子镀覆TiN层,MoS_2层和Ag层的真空镀层处理,以及对粗磨后的轴承套圈进行真空热处理等制成的试样,在模拟试验机上与原轴承的滚道及滚子作了对比试验研究,并就磨损表面的宏观状态和微观形貌进行了观察与分析。作者指出,TiN层由于硬度高和耐磨性好,可以防止滚道表面在运转过程小形成白壳带,但其弱点是使与之配磨的滚子磨损加剧而导致轴承的精度变差和使用寿命缩短;MoS_2层因其减摩抗磨作用良好,也能使滚道表面不形成白亮带;真空热处理可以消除粗磨造成的变质层,并能提高滚道表层的硬度和耐磨性,且其处理的工件变形比一般保护气氛下淬火的小,能够保证精加工余量和正确的几何尺寸,因而这种工艺是消除精密机床主轴轴承滚道表面白亮带的一种有效方法。     

套管磨损三维表面形貌恢复及其机理分析

在DCWT-1000型套管摩擦磨损试验机上进行了套管摩擦磨损试验,研究深井、超深井中"冲击-滑动"复合磨损对套管磨损行为的影响,采用三维表面形貌测试仪、光学显微镜及扫描电子显微镜观察分析了在不同载荷条件下套管磨损表面的微观结构和表面形貌,在此基础上对套管磨损表面进行了三维恢复并计算套管磨损表面的主要形貌参数,探讨了套管磨损表面的磨损机理.结果表明:套管的磨损性能与载荷有关;在不同载荷条件下,套管磨损表面的三维形貌具有不同特点,且主要的表面形貌参数与载荷呈现出较好的相关性,证明了三维形貌分析方法能够真实反映套管磨损表面的情况;当冲击载荷和频率不大时,套管的磨损机制以磨粒磨损为主,兼有粘着磨损,随着冲击载荷和频率增加,套管磨损表面出现明显粘着剥落和疲劳剥落迹象,并出现疲劳裂纹扩展和连通,套管的磨损机制向粘着磨损和疲劳磨损转化,磨损趋向严重.     

N31型磷酸盐激光玻璃的摩擦磨损性能研究

在Rtec-MFT3000多功能摩擦磨损试验机上采用硅酸盐玻璃球作为对摩副,研究了0.2~2 N的载荷条件下N31型磷酸盐激光玻璃的摩擦磨损性能,着重讨论了载荷对该玻璃摩擦磨损性能的影响.结果显示:稳定磨损阶段的摩擦系数随载荷的增加而减小,且载荷越大摩擦系数达到稳定所需的时间越短.随着载荷的增加,N31型磷酸盐激光玻璃的磨损体积先急剧增加后缓慢增加,同时磨损机理经历从磨粒磨损为主到磨粒磨损和裂纹滋生并存最后到脆性剥落为主的转变过程.而硅酸盐玻璃球的磨损体积在给定载荷范围内随载荷的增加保持线性增加,且在所有试验载荷下的磨损机理均以磨粒磨损为主.在目前试验条件下N31型磷酸盐玻璃表面磨损区域未发生可被EDS检测到的明显的摩擦化学反应,磨屑成分为对摩副两种材料的混合体.     

高浓度过氧化氢中AlCoCrFeNiCu 的摩擦学性能研究

为研究AlCoCrFeNiCu高熵合金在强氧化的过氧化氢介质中的摩擦学性能,采用销盘磨损试验机测试了AlCoCrFeNiCu合金与3种工程陶瓷组成摩擦副在90％过氧化氢介质中的摩擦学性能,采用SEM、EDS、白光共焦显微镜等分析了磨损表面,并且探讨了高熵合金与3种陶瓷配副在高浓度过氧化氢中的磨损机理.结果表明:在高浓度过氧化氢中,AlCoCrFeNiCu合金与碳化硅和氮化硅陶瓷配副具有较低的摩擦系数和较小的磨损;AlCoCrFeNiCu/ZrO₂摩擦副的主要磨损机制为黏着磨损和磨粒磨损,同时伴随有氧化磨损;AlCoCrFeNiCu/SiC摩擦副和AlCoCrFeNiCu/Si₃N₄摩擦副的主要磨损机制为抛光型氧化磨损并伴随有轻微的三体磨粒磨损;AlCoCrFeNiCu/Si₃N₄摩擦副还伴随有边界润滑效应.