碳基薄膜水润滑性能的研究进展

3基金项目:南京航空航天大学高级人才基金项目(401529053812S05812GXY )1收稿日期:2006-04-20联系人:周飞,E 2mail:fzhou@nuaa 1edu 1cn 1碳基薄膜水润滑性能的研究进展3周　飞1　戴振东1　加藤康司2(1.南京航空航天大学高新技术研究院仿生结构与材料防护研究所　江苏南京210016;2.日本东北大学机械学院摩擦学研究所　日本仙台980-8579)摘要:评述了碳基薄膜如类金刚石薄膜(DLC )和非晶氮化碳(a 2CN x )薄膜水润滑的研究现状和进展。

分析了第2元素加入和摩擦副材料对碳基薄膜在水中摩擦磨损特性的影响,探讨了碳基薄膜在水中的磨损机制。

指出:氢化或氮化碳基薄膜的磨损率与摩擦副材料的水合反应有关,若摩擦副材料易于摩擦水合反应,碳基薄膜的磨损率很低;3种DLC 薄膜在水中的磨损率与DLC 的种类和对磨钢球材料无关,都在10-8mm 3/(N ・m )的数量级上变动;a 2CN x /Si 基非氧化物陶瓷摩擦副显示很低的摩擦因数和低的磨损率;在相同条件下,a 2CN x 薄膜比a 2C 薄膜更能显示优异的水润滑性能。

关键词:碳基薄膜;摩擦;磨损;水润滑中图分类号:T H11712　文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2006)7-185-5Progress i n Wa ter L ubr i ca ti on of Carbon 2ba sed Coa ti n gsZho u Fe i 1　D a i Zhe ndo ng 1　Ka to Ko ji2(1.I nstitute of B i o 2ins p ired Structure and Surface Engineering (I B SS ),Acade my of Fr ontier Science,NanjingUniversity of Aer onautics and A str onautics,Nanjing J iangsu 210016,China;borat ory of Tribol ogy,School ofMechanical Engineering,Tohoku University,Sendai 980-8579,Japan )Abstract:The water lubrication characteristics of carbon 2based coatings such as diamond 2like carbon (DLC )and amor 2phous carbon nitride (a 2CN x )were reviewed .The influences of the second element and mating materials on the fricti on and wear p r operty of carbon 2based coatings were analyzed,and the wear mechanis m of carbon 2based coatings was investiga 2ted .It is indicated that the s pecific wear rate of the amorphous hydrogenated carbon or the amorphous carbon nitride coat 2ings is related to the hydrati on reacti on of mating materials with water .If the mating materials are easily hydrated,the s pe 2cific wear rate of carbon 2based coatings is lower .The s pecific wear rate of three kinds of DLC coatings in water varies at a low level of 10-8mm 3/Nm,is independent of the type of DLC coatings and the mating steel balls .The a 2CN x /Si 2basednon 2oxide ceram ics tribo 2pairs exhibit the lowest friction coefficient and wear rate .The water lubricati on p r operty of a 2CN x coatings is better than that of a 2C coatings under the same experi mental conditi ons .Keywords:carbon 2based coatings;fricti on;wear;water lubrication　近年来,人们逐渐认识到节约能(资)源和保护环境、降低CO 2的排放量、减少温室效应对实现社会经济可持续发展具有重大意义。

从现代摩擦与润滑来看,世界上最重要的流体润滑系统有人造和自然2种[1]。

它们之间的差异是人造的润滑系统通常用油基润滑介质,而自然的润滑系统是用水基润滑介质。

目前,油基润滑系统已经被广泛用于现代机械中的驱动系统。

然而在一些特殊领域,润滑油的泄漏和燃烧易污染自然环境,并损害人类的身体健康。

为了解决我国面临的环境污染和能源浪费等问题,人们提出用水润滑系统来替换油润滑系统。

众所周知,水具有安全无污染、价廉易得、优异的冷却性能等优点,是一种有着广阔发展前景的润滑介质,而被用于核电水冷却系统、工业水压系统、水泵、食品加工机械、制药、健康保健和护理设备等领域[2]。

但水的沸点低、粘度低、氧化性强,因此成膜能力差,易造成金属摩擦副的氧化腐蚀和粘着磨损。

因此,研制与水润滑相匹配的摩擦副材料具有非常重要的科学意义和经济价值。

目前,常用的水润滑摩擦副非金属材料主要有有机高分子材料(如橡胶早已被用作轮船水润滑轴承的摩擦副材料)和无机非金属材料(如工程陶瓷Si C 已被用作水泵轴承的摩擦副材料)。

在水润滑的情况下,有机高分子材料具有摩擦因数低、成本低和减振性能好等显著优点。

但其热稳定性很差和易老化。

在2006年7月第7期(总第179期)润滑与密封LUBR I CATI O N ENGI N EER I N GJuly 2006No 17(serial No 1179)低转速、频繁启动的情况下,容易发生承载能力下降、严重磨损和装备精度很差。

陶瓷材料具有密度较小、硬度高、耐磨性好和化学性能稳定等优点,但由于陶瓷材料的强度高、硬度大和低的断裂韧性,使陶瓷材料零部件的成型和加工很困难,成本很高。

此外,陶瓷材料对裂纹的敏感性亦降低了陶瓷材料零部件的可靠性[3]。

若在金属材料表面沉积硬质薄膜,既能利用金属的优异力学和成型性能,又能利用硬质薄膜的优异减摩抗磨性能,从而满足水润滑机械的使用要求。

最近,碳基薄膜如DLC 和a 2CN x 薄膜在水中显示了优异的减摩抗磨的性能而受到人们的普遍关注。

为此,本文作者主要论述碳基薄膜在水中的摩擦磨损特性及摩擦化学机制等方面的研究进展。

1　DLC 薄膜水润滑性能的研究DLC薄膜的摩擦学特性与其结构、成分和周围环境有关。

如a 2C ∶H 薄膜在超真空情况下显示超低摩擦因数,而在空气中,随着周围湿度的增加,其摩擦因数也逐渐增加。

而a 2C 薄膜显示相反的结果,即在湿度大的空气中显示低的摩擦特性,而在真空中获得很高的摩擦因数(大约018)[4]。

这种对环境变化的敏感性使得评估DLC 薄膜在工业中的使用性能显得尤为重要。

由于DLC 薄膜具有生物相容性,不会引起局部组织反应,DLC 薄膜常被作为人体关节假体的涂层。

DLC 薄膜在工业和医学的应用促使人们要研究DLC 薄膜在水中的摩擦磨损性。

图1　3种DLC 薄膜与A l 2O 3销在湿度为50%的空气中和水中对磨时的摩擦因数μ和摩擦副材料的磨损率图1为3种DLC 薄膜与A l 2O 3销在湿度为50%的空气中和水中对磨时的摩擦因数和摩擦副材料的磨损率[5]。

由图1可知,当有氢与无氢的DLC 薄膜与A l 2O 3销在水中相对滑动时(5N,4mm /s ),无氢的DLC 薄膜显示很低的摩擦因数与磨损率,而有氢的DLC 薄膜在水中发生严重磨损而失效。

若在a 2C ∶H 添加微量的Ti 元素,可以延长a 2C ∶H 薄膜的使用寿命,但其磨损率也是很高的[5]。

对于制备方法对DLC薄膜水润滑特性的影响,Ronkainen H 等[6]指出:真空弧放电沉积的无氢DLC 薄膜在水中显示了良好的减摩(大约0104)和抗磨损能力。

单层a 2C ∶H 薄膜在水润滑条件下显示很差的抗磨能力,但通过添加微量第三组元如Ti 和Si 或采用多层结构可以改善其抗磨能力。

最近,Stallard J 等[7]的研究指出:当碳基薄膜与WC 球在水中对磨时,无氢的DLC 薄膜显示优异的低摩擦因数和低磨损率,而氢化的DLC 薄膜出现早期的失效和剥落。

表1为DLC 薄膜的性能[8],图2为DLC 薄膜/A ISI 440C 球在水中滑动时的摩擦行为[8]。

从表1和图2可知,当氢化的DLC 薄膜与马氏体不锈钢球在水中进行相对滑动(10N,20mm /s )时,其摩擦因数和磨损率与DLC 薄膜中的氢含量无关,摩擦因数大约为0107,DLC 薄膜磨损率在10-8～10-9mm 3/(N ・m )范围内变动[8]。

这种结果的差异主要是由于对磨材料的不同引起的。

与钢球相比,A l 2O 3销和WC 在水中显示很高的抗氧化能力。

表1　DLC 薄膜的性能薄膜DLC A DLC B DLC C DLC D 氢原子分数/%25293744硬度/GPa 2710206表面粗糙度R a /nm0118011301200113图2　DLC 薄膜/A I SI 440C 球在水中滑动时的摩擦行为　对于微量第三组元如A r 、F 和Si 对氢化DLC 薄膜在水中摩擦磨损特性的影响,研究表明:所有的A r 2DLC 薄膜/A I SI 440C 摩擦副的摩擦因数大约为011,A r 2DLC 薄膜呈现较低的磨损率,低于2×10-8mm 3/(N ・m )[9]。

当F 2DLC 与2种不锈钢(A I SI 304和A ISI 440C )在水中相对滑动时,其摩擦因数仅在0107～011范围内变化,远低于相同实验条件下在空气中的摩擦因数,如图3所示[10]。