表面工程技术与摩擦学

表面工程技术与摩擦学

摘要：利用表面工程技术解决摩擦磨损问题具有高效、实用等特点。随着科学技术的迅速发展，表面工程技术被广泛应用于摩擦学领域，以解决和提高材料、机件的抗磨减摩性能。本文对几种具有摩擦学应用价值的表面工程技术进行了概述，并对其在液体润滑材料制备方面的应用进行了展望。

关键词：表面工程技术；摩擦；应用

据不完全统计，世界能源的1/3～1/2消耗于摩擦，机械零件80%失效原因是磨损[1]。机械设备零部件的摩擦磨损过程只发生在表面。从这一现象出发，可以从两个方面考虑来解决机件的摩擦磨损问题：一是采取外加润滑材料的方式，实现抗磨减摩的目的；二是改善和提高机件材料本身表面的抗磨减摩性能。显然，表面工程技术作为“为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺[2]”,可以实现对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能，从而有效解决摩擦磨损问题。

1 表面淬火和表面形变强化

表面淬火技术和表面形变强化技术不需要外加其它材料，主要依靠材料自身组织与结构转变来进行表面改性，实现表面强化和硬度提高，从而改善机件的耐磨性能。

表面淬火技术是采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到对亚共析钢或对

过共析钢之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，从而形成表面强化层，根据淬火热源不同，可以分为感应加热淬火、火焰淬火、激光淬火、电子束淬火等。表面淬火技术主要用于高碳钢和中碳钢，低碳钢由于强化效果不显著，较少采用该工艺。该技术被广泛应用于汽车工业，如万向节、十字轴、曲轴、齿轮、发动机缸体和气缸套内壁等部件的表面强化处理，以提高机件的耐磨性能。

表面形变强化技术是指通过滚压或者高速喷丸冲击，使得工件表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度和抗疲劳强度，以改善零部件的耐磨和抗腐蚀性能。该技术常用于齿轮和轴类工件的表面强化硬化处理。

2 热扩渗

将工件置于特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素（通常选择能提高材料硬度和耐磨性能的C、B、N、Zn、Cr等元素）渗入工件表面，形成合金层的工艺，称之为热扩渗技术，或化学热处理技术。根据渗剂物质状态不同，通常分为气体热扩渗、液体热扩渗、固体热扩渗、等离子热扩渗和复合热扩渗。其基本原理是通过加热或化学反应，产生渗剂元素的活性原子，活性原子在基体表面吸附，随后被基体吸收，并在基体金属内部发生扩散，形成具有高硬度、韧性良好、耐磨性高的特殊功能层，从而提高机件的抗磨耐磨性能。

3 热喷涂

热喷涂技术是采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程，根据热源、

喷涂材料的形式和喷涂时的气氛环境的不同，一般分为火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等。热喷涂技术被成功地应用于喷涂机械零件表面的耐磨涂层，改善零件的摩擦学性能，延长零件的使用寿命，或修复磨损失效的机械零件，并以此为基础发展为“再制造技术”和“在线修复技术”。喷涂耐磨涂层通常用于如汽轮机转子、密封轴颈、活塞环、主动齿轮轴颈等滑动磨损部位，喷涂材料一般选择各种铁基或镍基耐磨合金涂层、或氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层和镍基或钴基碳化钨涂层。目前，还发展了具有良好抗磨减摩特性的纳米硫化物自润滑材料涂层、Al2O3聚合物纳米复合涂层、氧化铝和氧化钛纳米结构耐磨涂层等[3]。

4 电镀

电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。通过镀硬铬，可以获得耐磨镀层，通过镀铅-锡合金、锡、钴-锡合金、银-锡合金等，可以获得具有良好减摩性能的镀层。在电镀液中加入具有良好摩擦学特性的不溶性纳米颗粒，使其与金属离子共沉积，可以形成硬度高、摩擦系数低、磨损率低的镀层，使镀层的性能得到明显改善；以镍镀层作基体，使用硬度较高的氧化铝、碳化硅、氮化硼等作为弥散粒子，可以获得高硬度、耐磨性好的复合镀层；以镍或铜镀层作基体，使用二硫化钼、石墨、氟化石墨、聚四氟乙烯等作为弥散粒子，可以获得摩擦系数很低的复合镀层，在轴承、轴、气缸、齿轮等部件上被广泛应用[4]。

5 转化膜

转化膜技术是通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变金属外观的一种技术，其原理是通过化学或电化学反应，使得被处理金属表面发生溶解，并与溶液反应生成一层难溶的化合物膜层。通常使用稀磷酸或磷酸盐溶液，对金属进行磷化处理，可以形成具有良好减摩作用的磷化膜，既降低摩擦系数，又可以在摩擦副之间形成缓冲层，可以有效减小摩擦副之间的摩擦阻力和磨损；通过铝阳极氧化，生成高硬度的氧化膜，可以有效提高材料表面硬度，使零件表面耐磨性能大为改善，从而延长机件使用寿命。

6 气相沉积

气相沉积技术是指在真空条件下，通过各种物理或化学方法产生原子或分子，使其在基材上沉积，形成薄膜或涂层的工艺。目前，气相沉积技术不仅可以沉积金属膜、合金膜，还可以沉积各种各样的化合物、非金属、陶瓷等。通过气相沉积技术，不仅可以制备具有超高硬度的薄膜涂层，还可以制备具有良好抗磨减摩性能的功能涂层。目前常选择二硫化钼、铅-锡合金、聚四氟乙烯等许多摩擦学特性良好的材料在零件表面进行沉积，从而提高机件抗磨减摩性能，该技术在宇航设备制造上应用广泛。

7 离子注入技术

离子注入技术是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有几万到几十万电子伏特的高能离子束后注入到固体材料表面，形成特殊物理、化学或力学性能表面改性层的过程。离子注入技术通过固溶强化效应、晶粒细化效应、晶格损伤效应、弥散强化效应、晶格变化效应和压应力效应作用，使得基材表面性质发生很大变化，主要表现在材料硬度和强度的升高，以及耐磨性和抗疲劳强

度增加。离子注入提高零件耐磨性的途径主要有两方面：一是降低摩擦系数，如在Ti-6Al-4V合金表面注入C、N离子，可以使表面摩擦系数降低50%；二是提高注入零件表面硬度，如在304不锈钢表面注入高浓度N或大量其它元素，在润滑条件下，可以使304不锈钢摩擦副中滑动磨损减少90%以上[5]。

综上所述，表面工程技术在摩擦学上的应用可以分为两大类，一是通过改变材料表面本身的组织结构，从而提高材料硬度，达到减磨的效果；二是通过在材料表面形成具有抗磨减摩作用的特殊功能涂层或在材料表层形成具有抗磨作用的结构层，来实现抗磨减摩的目标。因此，可以设想，在液体润滑材料的制备中，通过分散含特定元素的化合物，使其在摩擦副表面沉积，或者通过其在摩擦副表面发生摩擦化学反应，同样可以形成具有类似特性的结构层，实现抗磨减摩作用，从而获得更加优异的润滑性能，并拓展液体润滑材料的功能（如自修复润滑材料[6]）。表面工程技术和润滑材料研究的交叉，必将推动摩擦磨损领域的研究和应用，具有广阔的发展前景。