第18卷　第2期摩擦学学报V o l18,　No2 1998年6月T RIBO LOGY Jun,1998评述与进展(185～190)表面改性技术在微动摩擦学领域中的应用*徐桂珍　刘家浚周仲荣(清华大学摩擦学研究所　北京　100084) (西南交通大学摩擦学研究所　成都　610031)摘要　对近年来国内外在采用表面改性技术改善材料的抗微动损伤性能方面的研究和进展做了简要的综述.分析了各种表面改性层在微动摩擦学中的应用和作用机制.指出采用多种表面改性手段,如表面机械强化、表面化学处理及表面涂覆等可不同程度地提高材料的抗微动损伤性能,延长零件的服役寿命.关键词　微动磨损　微动疲劳　表面改性　表面涂层分类号　T H113.22微动损伤是在结构振动或交变应力作用下相互配合并紧密固定在一起的部件之间相互接触并发生微小振幅的相对运动所引起的磨损现象[1].它是一种非常复杂的现象,可能同时伴有磨损、疲劳和腐蚀.微动损伤在运输、航空航天、发动机、核电等行业已成为导致材料损伤的主要原因.因此,关于微动损伤机理的研究一直是人们关注的焦点.特别是近10余年来,由于高科技发展的需要,采用新材料和表面防护来改善材料微动损伤性能的研究取得了长足的进展.但是许多试验结果缺乏可比性,有些结果甚至互相矛盾.为此有必要从微动损伤的基本理论出发,考察影响微动损伤过程的关键因素,分析各种表面改性层在微动中的作用机理,最终为合理选择表面改性技术指明方向.1　微动损伤机制及其主要影响因素微动损伤机理较为复杂,它牵涉到粘着、腐蚀、疲劳及磨粒磨损等多种磨损机制.磨损和疲劳作为主要的微动失效方式,往往在同一接触面内发生,其作用机理既有区别,又互相影响.磨损的特征表现为磨屑脱落.微动磨损主要由振动或位移引起,滑动振幅的大小是影响微动磨损的主要因素.而疲劳的特征表现为裂纹形核和扩展及由此引起的疲劳断裂失效.裂纹一般在微动接触区的应力集中处形核,随后裂纹的扩展方向主要受滑动振幅的影响.当滑动振幅较大时,裂纹的扩展方向趋于与接触表面平行,结果当裂纹扩展至表面时,磨屑颗粒脱落产生麻坑而不形成扩展疲劳裂纹,因此增加滑动振幅有利于延长疲劳寿命[2,3].但Nishio ka和Hirakawa[4]发现,增加滑动振幅可降低微动疲劳强度.Funk[5]在早期的工作中也得到了类似的结果.Field和Wa ters[6]则发现,在临界值以下,增加滑动振幅可降低微动疲劳强度,但在临界值以上增加滑动振幅则可增大微动疲劳强度,这可能是由于在疲劳裂*国家自然科学基金和四川省青年科学基金项目/1997-11-28收到初稿,1998-06-10收到修改稿/通讯联系人徐桂珍.徐桂珍　女,30岁,博士生,主要从事表面工程和微动摩擦学的研究.刘家浚　男,66岁,教授、博士生导师,主要从事摩擦学材料和表面工程研究,发表论文130余篇,专著4部.周仲荣　男,34岁,教授,主要从事摩擦学表面工程和材料的摩擦磨损研究,发表论文20余篇.186摩　擦　学　学　报第18卷纹达到最小临界长度之前已被磨损掉所致.从组织结构而言,疲劳裂纹的形核与白亮层的形成有关.白亮层因强烈的剪切变形产生,其形成与材料从一个表面转移到另一个表面所发生的结构转变有关.表面磨损对疲劳的影响体现在多个方面[7].在某些情况下,磨损可以控制疲劳裂纹的产生.由于表面磨损的作用,表面接触形状发生变化,使得接触应力随之变化.如果这种接触应力的重新分布降低了接触应力集中,则对微动疲劳裂纹的形核及扩展起抑制作用.另外,由微动磨损产生的磨屑分布在接触面之间,隔离了对磨表面,对抑制粘着和降低接触应力集中也是有益的.微动损伤的复杂性不仅来自于多种磨损机理的交叉作用,而且来自于影响微动损伤因素的多样性,如载荷的性质及大小、滑动振幅、环境条件、材料因素以及微动过程中接触形状的改变所引起的变化等.其中,滑动振幅和材料本身的机械或摩擦学性能起着决定性的作用.因此,在选择表面改性技术提高材料的抗微动损伤性能时,必须注意研究和分析两者在微动过程中的变化及相互作用.2　表面改性技术及改性层的微动作用机理表面改性技术种类繁多,从表面改性层的特征可分为表面化学处理、表面机械处理、金属涂层和非金属涂层等;从表面改性的工艺方法可分为化学热处理、表面热处理、表面机械强化、电化学处理、化学转变处理、堆焊技术、热喷涂技术、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)等.2.1　表面化学热处理表面化学热处理的工艺方法很多,如磷化、阳极氧化、渗C、N、S、B、Al、Cr、Si及碳氮共渗、硫氮共渗等.磷化层的抗微动磨损性能很好,但其抗微动疲劳性能较差.阳极氧化层可以提高某些材料的抗微动磨损性能,但由于阳极氧化法损害了材料的常规疲劳性能,因此其抗微动疲劳性能较差.渗氮层的抗微动疲劳性能优于渗碳层.Car to n[8]研究了渗氮层的微动性能,发现其表面损伤程度随表面机械强度的提高而降低,特别是残余压应力和较高的屈服强度降低了表面承受的有效载荷,使裂纹形核时间延长,扩展速率降低,因而磨损减小,抗微动疲劳性能大大提高.Tay lor和Wa terhouse[9]发现碳氮共渗层可减小接触应力,使微动疲劳性能增加.渗B、Al、Cr、Si和渗C相似,但这些表面改性层用于改善微动疲劳性能的可行性还有待于进一步研究.2.2　表面机械处理研究表明,表面机械处理如喷丸强化、滚压强化等因在表面引入压应力,因而减少了疲劳应力作用下裂纹的形核并抑制裂纹的早期扩展,结果使微动疲劳性能显著提高.Chiv ers 和Go rdelier[10]从提高表面强度和降低应力集中的角度出发对3.5Ni-Cr-Mo-V钢进行了表面喷丸强化处理,发现其疲劳强度有所提高.这是由于表面压应力抵销了滑动接触中的张应力所致.Waterho use和Trow sdale[11]研究了表面喷丸强化处理引入的残余压应力和粗糙度对改善材料微动疲劳性能的作用,发现喷丸处理增加了表面粗糙度,由于真实接触面是一些离散的较小的面,达不到形成裂纹的临界体积,因而抑制了微动疲劳裂纹的产生.2.3　金属涂层金属涂层可分为硬质金属涂层和软质金属涂层.硬质金属涂层因为硬度很高,因而多用于抗微动磨损.Bill[12]用等离子喷涂法在Ti6Al4V合金上沉积Co粘结的W C涂层,结果降低了与其对磨的Ti6Al4V合金的微动磨损.据分析,这与W C-Co涂层中Co粘结剂的作用有关.一方面,Co 粘结剂本身具有抗粘着性能,可以防止涂层的粘着破坏和金属转移;另一方面,Co 通过形成一层薄膜而减轻硬质陶瓷颗粒的磨粒磨损作用.H a rris 等[13]研究了火焰喷涂M o 涂层、电弧喷涂Fe-13%(以质量分数计,下同)Cr 涂层、18Cr-8Ni 不锈钢涂层、低Ni-Al-Mn 合金涂层、Fe-13%Cr +Ni-Al-M n 复合涂层、化学镀Ni-P 涂层等在室温和高温下的微动磨损性能.发现各种涂层的摩擦学性能随循环次数和温度的变化而表现出不同的变化特征.火焰喷涂Mo 涂层,因存在弥散分布的M oO 2硬质相,在室温下MoO 2能均匀分布于微动磨损表面,阻止了金属间的接触并降低了摩擦因数;当温度由20℃升高至300℃时,Mo 涂层的磨损率有所增加.推测这是由于温度升高时M oO 2部分转变成MoO 3,M oO 3产生了磨粒磨损所致.电弧喷涂Fe -13%Cr 和18Cr -8Ni 涂层在喷涂过程中形成弥散分布的铁和铬的氧化物.如图1所示,在室温下,微动磨损初期,表面氧化物阻止了摩擦因数Fig 1　W ea r r ate o f lo w alloy steel and stainless steel1-Low alloy steel(826M 31),2-Fe-13%Cr coating ,3-Ni-Al-M n coating ,4-Fe-13%Cr +Ni-Al-M n composite coating,5-18Cr-8Ni coating,6-316L stain les s steel coating图1　低合金钢与不锈钢的各种电弧喷涂涂层的磨损率1-826M 31低合金钢,2-Fe-13%Cr 涂层,3-Ni -Al -M n 涂层,4-Fe -13%Cr +Ni -Al -M n 复合涂层,5-18Cr -8Ni 涂层,6-316L 不锈钢涂层187第2期徐桂珍等:　表面改性技术在微动摩擦学领域中的应用188摩　擦　学　学　报第18卷的升高,当微动循环次数达到104次时,由于表面氧化物不足以分离金属表面,因此粘着和微动破坏导致了摩擦因数的升高,其磨损率则与基体材料相近.当温度升至475℃时,随着M3O4型氧化物的形成,Fe-13%Cr和18Cr-8Ni涂层的抗微动磨损性能显著提高.此时快速形成的氧化膜有利于降低其摩擦因数和磨损率.低Ni-Al-Mn软质合金涂层内含有少量氧化物,在室温微动摩损条件下金属间很快接触使摩擦因数急剧升高,随后发生表面粘着和撕裂.当温度升高至475℃时,其磨损率依然很高.而当温度升至700℃时,因氧化物的快速生长起到了充分的保护作用,而使得摩擦因数显著下降.复合涂层在磨损初期的微动性能类似于Fe-13%Cr涂层,这可能是因为金属粒子之间存在Fe-Cr氧化物所致.而复合涂层中含有50%Ni-Al-Mn,使Fe-Cr氧化物在其中分布更为离散,所以在几百次循环时金属间发生了粘着和微动破坏.在温度为475℃时,M3O4型氧化物大面积生成并保护了富Ni区,此时复合涂层的微动磨损性能类似于相同温度时的Fe-13%Cr涂层,即摩擦因数降低,磨损率减小.与室温相比,化学镀Ni-P层在350℃下的微动磨损性能较差,而当温度达到600℃时,其摩擦学性能显著提高.这是因为当温度达到350℃以上时形成五氧化磷并升华,使磨屑变软并生成具有良好保护作用的光亮氧化镍膜层,从而使摩擦因数维持低值.总的来说,硬金属涂层在成形过程中易产生张应力,所以不宜用于改善材料的微动疲劳性能.软金属涂层如镀镉层在汽车工业中已得到广泛应用,镀银层的抗微动损伤性能也受到广泛重视.但是Car ton[8]和Chiv ers[10]研究发现,镀镉及镀金、银和铜等软金属层由于与基体的附着性差,容易从表面脱落,因此它们在抗微动损伤中的应用受到限制.2.4　非金属涂层非金属涂层有软、硬之分.硬质非金属涂层主要是一些陶瓷涂层,如等离子喷涂陶瓷粉末涂层、离子镀层、溅射陶瓷涂层及类金刚石涂层等;软质非金属涂层主要指固体润滑剂涂层及高分子涂层等,其特点是柔韧性好,摩擦因数小.B ill[12]考察了等离子喷涂硬质保护性抗磨损涂层(包括Al2O3-13%TiO2涂层,Cr2O3涂层,Al青铜涂层),乳化液喷涂软质聚合物型减摩涂层(包括聚酰亚胺涂层,聚酰亚胺+60%石墨片涂层,聚酰亚胺+75%Mo S2涂层,甲基苯硅树脂+M o S2+Sb2O3涂层)及溅射M o S2、TiC、TiB2涂层等多种非金属涂层对Ti6Al4V合金的抗微动磨损性能的影响,发现在相同的试验条件下,各种涂层具有不同的抗微动磨损性能.其中Al青铜+芳香型聚酯涂层作为牺牲涂层,可用作易磨损机件的表面涂层.等离子喷涂Al2O3-13TiO2涂层作为抗磨损能力最强和对湿度最不敏感的硬质涂层可用作易磨损或疲劳机件的表面涂层.溅射M o S2涂层在干燥空气下可有效降低微动磨损,但在饱和湿度空气下无效.溅射TiC和TiB2能显著降低微动磨损,其有效作用主要缘于减少了微动早期的粘着转移和破坏,而不是象M o S2那样通过形成润滑膜来降低磨损.Ca rto n[14]研究了2种有机涂层(环氧树脂中添加PTFE固体润滑剂和聚酰亚胺树脂中添加PT FE固体润滑剂)的抗微动磨损性能,发现其机械性能虽然比钢基体差,但微动接触的运行条件均有明显改善,从而使钢基体免受磨损和开裂.由于聚酰亚胺/PTFE涂层与基体材料的附着性好,屈服强度高,因此其抗微动损伤能力较高.应该注意的是,这2种有机涂层的寿命很大程度上依赖于加载状态特别是滑动振幅,如图2所示.由此可见,软质非金属润滑涂层抗微动磨损性能较差,一般只作牺牲涂层使用.但其摩擦因数低并可有效提高材料的微动疲劳性能.离子镀Ti2N涂层较厚且与基体的附着性好,因此与TiN涂层相比,Ti2N涂层有更高的抗微动磨损能力.Blanpain等[15]人发现,在给定的试验条件下,硬碳涂层如RF等离子沉积类金刚石涂层(简称DLC,下同),电弧离子镀DLC 涂层,激光沉积DLC 涂层及CVD Fig 2　Th e lifetime o f two o rga nic coa tings v ersus a mplitude 图2　2种有机涂层的磨损体积损失与滑动振幅的关系金刚石涂层等的抗微动磨损性能均优于PVD TiN 涂层.图3所示为不同涂层的微动磨损体积损失随循环次数的变化关系.可以看出,PV D TiN 涂层的磨损取决于TiN →TiO 2-x 的摩擦氧化,推测其氧化产物具有一定的润滑作用,可以使摩擦因数降低,但是氧化物磨屑对PVD TiN 涂层起磨粒磨损作用,因此使PVD TiN 涂层的磨损体积损失急剧增加.几种DLC 涂层的微动磨损性能与具有润滑性能的第3体的形成有关,因其磨屑以碳的石墨形态存在,可降低摩擦因数和磨损率.CVD 金刚石涂层与刚玉球对磨时,初始摩擦因数较高但随着循环次数的增加迅速降低,其磨损则可以忽略,这可能与金刚石表面上转移膜的形成有关.3　结束语综上所述,许多研究者在应用表面改性技术提高材料抗微动损伤性能方面做了很多尝试,研究范围几乎覆盖了各种表面改性技术,其中等离子喷涂、渗镀处理和喷丸强化处Fig 3　T he fre tting w ear v o lumes of v ariousco ating s v er sus numbe r of cy cles图3　不同涂层的微动磨损体积损失随循环次数的变化理技术应用较多;其次是阴极溅射、CV D 等.无论采用何种表面改性手段,从表面摩擦学的角度来看,所获得的表面改性层均可分为软质润滑性减摩涂层和硬质保护性抗磨涂层.前者通过润滑作用降低摩擦因数,改善微动运行条件,可有效提高材料的抗微动损伤性能;而后者通过提高微动接触面的硬度、屈服强度,即提高耐磨性来改善抗微动损伤性能.在一定的试验条件下,它们都能不同程度地改善材料的微动磨损性能.但在实际应用中必须注意涂层与基体的结合力和温度、湿度、环境等因素对微动磨损行为的影响.此外在防止微动损伤的理论和实践方面仍存在大量悬而未决的研究课题,如表面涂层的微动损伤机理,微动区内的应力场和温度场分布,第3体的形成过程及其作用等.因此有必要充分利用现有表面改性技术,结合实际应用中易微动磨损部件的服役条件,寻求采用表面改性技术提高其抗微动磨损性能的有效手段.189第2期徐桂珍等:　表面改性技术在微动摩擦学领域中的应用190摩　擦　学　学　报第18卷参考文献1　W aterhous e R B.Fretting Corrosion.Pergam on,Ox ford,1972.2　Bill Robert C.Review of factors th at influence fretting w ear.AS TM S TP780,ASTM,Philad elphia,1982,165～182 3　Beard 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perties of materials at hom e and abroad.The fretting w ea r m echa-nisms o f va rio us surface m odificatio n coating s are analy zed after discussing the basic mech-anism of fretting dam ag e.It is sho w ed tha t the fretting-resista nt properties of ma terials and the lifetim e of co mponents can be improv ed by applying v arious surface mo dificatio n techniques such as surface ha rdening,coating,and allo ying.Key words fretting w ear　fretting fatig ue　surface mo dificatio n　surface coa ting Classifying number TH113.22。