高玉周[1]2000年在《耐磨梯度表面层的制备及其滑动摩擦学特性的研究》文中提出在材料表面工程领域中，表面涂层是材料改性技术中的一个重要分支。氮化物陶瓷膜层如TiN由于具有较高的硬度和耐磨、抗蚀等性能已经在工业生产中得到了广泛的应用。为了进一步提高TiN膜层的性能，人们对多层膜、多组元膜及梯度膜进行了研究。本文采用电弧离子镀工艺制备了一系列(Ti,Me)N多组元复合膜层(Me代表Nb,Zr,Ta,Cr元素)，系统地研究了不同膜层的材料的物性值对膜层结构及性能的影响；借鉴梯度功能材料的设计思想，制备了(Ti,Me)N多组元梯度膜，探索了多组元梯度膜的设计准则；对膜层的断裂韧性提出了新的评价方法和量化准则；并对(Ti,Me)N膜层的滑动摩擦磨损性能进行了研究，同时对膜层涂层前预渗氮处理和涂层后强能离子表面处理进行了探索，为开发和应用新型的耐磨表面层提供了理论基础和试验数据。本文所作的创新性工作和有关的主要结论如下： 1．本文采用电弧离子镀工艺制备了TixNb1—xN、TixZrI_xN、TixCrl_xN、TixTal-xN等TiN基的TixMel—xN系列多组元复合膜； (1)研究了TiN基的TixMel—xN多组元复合膜的相结构组成；其结构主要有两种，一种为形成固溶体的(Ti,Me)N单一相结构；另一种为TiN和MeN的混合相结构； (2)从热力学相容性、原子半径相容性、晶格结构相容性、元素的电负性相容性等方面对膜层的成分组成和相结构等方面进行了深入的理论分析；讨论了膜层成分与相结构形成的规律； (3)对已有的多组元复合膜层的相结构进行了理论验证；对各种多组元复合膜的相结构和性能进行预测； (4)解释了已有的TiN基的TixMel—xN多组元复合膜的相结构及多组元复合膜Me(C，N，B…)膜层的相结构； (5)对于多组元复合膜层(Mel,Me2)N进行了相结构和显微硬度等性能预测，这对于研究和开发适于工业应用的新型硬质耐磨表面层提供了试验数据和理论依据。 2．根据材料的物性值的相容性，首次制备了TixNbl—xN、TixZh—xN梯度表面层；对于膜层的成分梯度、结构及性能进行了研究。 3．球形压痕试验主要定性测量膜基界面的结合力，而菱形压痕试验是定性测 ＼ ＼ 量膜层的断裂韧性的一种简单方法。本文首次将裂纹密度函数p同球形压 痕试验结合，提出： ZNc／S 2＼ 个——（十） E＼P／ 评价膜层断裂韧性的新方法；推导出计算膜层断裂韧性的裂纹密度函数p 的计算公式： ＿l＿，－＿0。8、、 p自二X二仙Xf“＊（1一子Z d””L”’ 此公式既考虑了裂纹的几何尺寸、裂纹数目分布；定量地计算了膜层的－＞ 裂纹同函数p；对膜层的断裂韧性提出了新的评价方法和量化准则；为膜。－－ 层的断裂韧性评价研究开辟了新的领域。 4．对（Ti，Nb）N均质膜和梯度膜及（Ti，Zr）N均质膜和梯度膜的滑动磨损 性能进行了研究。研究了不同摩擦载荷条件对 TIXNb；－XN膜层的滑动磨损 性能的影响：讨论了膜层的断裂韧性在摩擦磨损中的作用。膜层的显微 硬度不是决定膜层的滑动摩擦性能的唯一因素。在较小的摩擦载荷下， 膜层的显微硬度起主要作用。而在较高的摩擦载荷的条件下，膜层的韧 性起更大的作用。合理地选择膜层材料和梯度结构是充分发挥膜层性能 的重要因素。 5．膜层制备前采用离子渗扩工艺对基体表面进行氮化处理和膜层制备后强流 离子表面处理的后处理工艺，研究膜层的复合处理工艺对膜层性能的影 响。 6．分析了膜层的表面强化机理，提出了梯度膜的设计准则。 本文所得的有关实验结果和重要结论，对于形成多元复合薄膜的强化机制理论，建立新型的（Ti，Me）N硬质薄膜材料体系，促进硬质膜层在工业中的应用是十分有益的。本文对膜层的研究工作，只是对硬质（梯度）膜层理论研究领域中的探索性工作，是国家自然科学基金资助课题。耐磨梯度表面层滑动磨损特性仿真和设计研究＞＞的一部分，并得到了三束国家重点实验室的开放课题的资助，大量的工作需要进一步地深入研究。
莫继良[2]2008年在《物理气相沉积（PVD）涂层的摩擦学行为研究》文中研究表明物理气相沉积(PVD)方法制备的涂层具有高硬度、耐磨性能良好和化学性能稳定等优点,已经在刀具、模具、汽车及航空航天等行业获得广泛应用。开展PVD涂层的摩擦磨损基础研究能为涂层的制备开发和工业应用提供指导,同时对深化涂层摩擦学基础理论具有重要意义。本文在CETR UMT-2多功能摩擦磨损试验机上,以Si_3N_4陶瓷球和纯钛球为对磨副,采用球-平面接触方式,对多弧离子镀(MAIP)制备的CrN、AlCrN和AlTiN涂层,磁过滤阴极弧源(FCVA)制备的CrN涂层和磁控溅射制备的WC/C类金刚石涂层进行了往复(双向)和球-盘式(单向)滑动摩擦学试验。采用显微硬度计、纳米压痕仪、表面轮廓仪、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)和电子探针仪(EPMA)等分析手段,系统地研究了PVD涂层的摩擦磨损行为。获得的主要结论如下:1.采用FCVA技术制备了CrN涂层,与MAIP法制备的CrN涂层进行对比,结果表明:FCVA CrN涂层沉积参数对其摩擦磨损特性有很大的影响,大量试验优化了其制备工艺;相比MAIP CrN涂层,FCVA CrN涂层表面更为光滑、致密,“大颗粒”和孔洞缺陷更少,因此表现出更优越的耐磨性。PVD CrN涂层微观结构上的差异导致了在摩擦过程中排屑行为和损伤机制等方面的差异。2.综合对比了CrN、AlCrN和AlTiN涂层的摩擦学行为,研究了PVD涂层成分对涂层摩擦学特性的影响,结果表明:1)正常磨损条件下,CrN涂层的耐磨性优于AlCrN涂层,但高法向载荷条件下CrN涂层磨痕中心最大应力处出现明显的局部严重磨损,AlCrN涂层的优势主要体现在承载能力的提高;2)AlTiN与AlCrN涂层的摩擦磨损特性差异主要源自涂层排屑行为和摩擦化学行为的不同:AlTiN涂层排屑性能较差,磨屑存在摩擦界面加速了涂层的磨损;AlCrN涂层排屑性能良好,磨损表面呈抛光效应,涂层中的Cr元素和Al元素都能同时在摩擦过程中形成稳定、高硬度、耐热的氧化物(Cr_2O_3、Cr_2O_5和Al_2O_3)而保护了涂层。3)AlCrN涂层拥有良好的承载能力和排屑行为,优越的抗磨粒磨损和抗氧化磨损性能。总之,PVD涂层组成成分在摩擦过程中导致了涂层在硬度、承载能力、排屑行为和摩擦化学行为等方面的差异,并最终影响了涂层的摩擦学性能。3.CrN涂层的抗钛粘着性能明显优于AlCrN和AlTiN涂层。AlCrN和AlTiN涂层中的Al元素与Ti摩擦副有很高的亲和力,容易引起钛的粘着,不适合与钛配副的摩擦学应用领域。4.WC/C类金刚石固体润滑涂层在摩擦过程中在对磨球表面形成石墨转移膜,因此涂层表现出良好的润滑效果。与纯钛球配副时,不同滑动模式下涂层的损伤仅表现为极其轻微的磨粒磨损和氧化磨损;与Si_3N_4球配副时,WC/C涂层在往复滑动模式下的磨损主要表现为塑性流动、磨粒磨损和氧化磨损,在球-盘滑动模式下的磨损主要表现为剥层和氧化磨损,涂层沉积过程所产生的孔洞缺陷是涂层剥落的起始源。研究发现较小的滑动速度有利于转移膜在两种对磨球表面形成。WC/C涂层拥有良好的抗钛粘着性能,在与钛配副的摩擦学应用领域具有巨大潜力。
李建亮[3]2009年在《宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究》文中认为室温到高温具有良好摩擦学性能的润滑材料是尖端工业领域迫切需要解决的难题。固体润滑剂与传统液体润滑剂相比在高温摩擦领域具有优势,但常用的固体润滑剂石墨、MoS2和低熔点金属在高温易氧化而失去润滑性能；一些稀土化合物和氧化物高温润滑性能好,但室温易导致磨粒磨损。合理运用多种润滑剂的协同润滑效应是实现室温到高温宽温度范围润滑的有效方法之一。以往研究通常是在金属基体中添加固体润滑剂制备复合材料或在金属基体表面沉积润滑涂层,复合材料中润滑剂添加量少对润滑性能改善效果不明显,而润滑剂添加量过多则会导致力学性能的显著下降；而润滑涂层寿命有限,一旦失效将造成灾难性后果。本论文从润滑剂组元、表面形貌及润滑渗层等方面设计宽温度范围自润滑材料,用粉末冶金法制备含石墨、Ag、MoS2及Ce02的镍基自润滑复合材料,利用石墨或金属银在低温段润滑,利用硫化物或氧化物在高温段润滑；采用脉冲激光在镍基材料表面刻蚀微孔来存储润滑氧化物；采用双层辉光等离子渗金属技术对微孔化表面渗Mo或Mo／N复合渗处理以改善表面耐磨性能。研究多种润滑剂的协同润滑作用以及表面形貌与润滑渗层的复合运用。固体润滑复合材料表面制备润滑渗层,改善复合材料的表面力学性能和摩擦学性能,该研究对于解决极端工况下工作的转动密封、高温轴承的摩擦润滑问题具有重要的指导意义。研究了镍基自润滑复合材料、渗Mo层以及Mo／N复合渗层的力学性能、抗氧化性能以及室温～600℃的摩擦学性能,并探讨了润滑剂添加量、温度、载荷、配副材料及微孔化、渗Mo处理对摩擦学行为的影响。采用光学显微镜、扫描电镜及X射线衍射仪观察分析镍基复合材料及渗层的微观组织形貌,采用白光干涉三维表面轮廓仪观察微孔形貌,利用扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)分析高温磨损表面形貌及其成分。镍基自润滑复合材料中,石墨与钨热压反应生成碳化钨,MoS2与铬反应生成CrxSx+1共晶化合物。添加一定量的MoS2,由于Mo的固溶强化,提高了复合材料的硬度和抗弯强度。添加石墨和MoS2分别有利于降低镍基合金室温段和高温段的摩擦系数,同时添加石墨和MoS2的镍基材料含有硬质相(Mo2C、WC)及润滑相(CrxSx+1、石墨)其室温到700℃的摩擦系数(0.14-0.27)低于添加单一润滑剂的复合材料,且磨损率比添加单一润滑剂的材料低一个数量级。添加MoS2的镍基复合材料,由于低熔点硫化物的摩擦熔融,获得了较低的摩擦系数。润滑剂的添加,降低了材料的抗氧化性能。随润滑剂添加量的增加,复合材料的氧化激活能线性变化。添加金属银有利于改善镍基材料中低温段的摩擦学性能,银添加量为10%时,Ni-Ag合金室温摩擦系数降低为0.2。添加Ce02有利于高温摩擦表面致密氧化膜的形成,降低了Ni-Ag合金的高温摩擦系数和磨损率。同时添加Ag、MoS2和Ce02的镍基复合材料含有Ag、CrxSx+1、CeS等润滑相,室温～700℃的摩擦系数降低到0.16-0.26,磨损率下降了一个数量级。双层辉光等离子渗金属技术在镍基合金表面获得了厚度为20-30μm的渗Mo层,其表面Mo浓度为34wt%,渗Mo处理提高了镍基合金表面的硬度和弹性模量,降低了合金高温段的摩擦系数和磨损率。渗Mo基础上渗氮处理,在Ni-Ag合金表面形成的MoN化合物层,提高了表面力学性能,但连续的化合物层阻碍了内部润滑剂银的释放,对摩擦学性能产生不利影响。激光微孔化处理在镍基合金表面形成直径为150μm,深度为40～50μm,规则排列的微孔。微孔化表面渗Mo处理,Mo的高温润滑性氧化物降低了高温摩擦系数,微孔存储润滑性氧化物,并且存积硬质磨粒,降低了高温磨损率。激光微孔化表面进行Mo／N复合渗处理,Ni-Ag合金中内含的银可以通过微孔向外释放,并且硬质渗层提高了软质润滑膜的承载能力,降低了银的摩擦损耗,提高了高温摩擦学性能。镍基复合材料和渗层的动态氧化增重抛物线常数比静态氧化增重高2个数量级。在传统的氧化磨损模型及熔融磨损模型的基础上,建立了更接近于实验值的镍基复合材料及渗层的高温氧化物熔融磨损模型,计算了复合材料的静态和动态氧化激活能,阐述了高温摩擦表面氧化物的生成、剥落／部分熔融以及致密承载层的形成等演化过程。
郑立允[4]2006年在《表面处理Ti（C，N）基金属陶瓷的结构与性能》文中提出为了适应对刀具材料日益苛刻的性能要求,开发适合高速切削和干式切削的高性能刀具,本文采用高温高压氮化、多弧离子镀和复合表面处理等先进表面处理技术对Ti(C,N)基金属陶瓷进行表面处理,制备了具有优异的表面性能和韧性基体的Ti(C,N)基金属陶瓷,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线能谱(EDS)、原子力显微镜等试验手段研究了制备工艺、基体材料和后处理工艺对材料近表面层组织结构、性能的影响。本文首先概述了Ti(C,N)基金属陶瓷的组织和性能特点、金属陶瓷表面处理的发展趋势、热等静压技术和多弧离子镀技术的原理及特点,并阐明了本文的研究目的和意义。将含Ni量为32%的金属陶瓷进行了WC、Mo成分的微量调整,以及真空烧结工艺的微量调整。在1415oC进行烧结所得金属陶瓷具有最高的横向断裂强度,其显微组织均匀,为典型的芯-壳结构,具有较高的硬度和断裂韧性,并且断裂韧性随着WC含量的增加而提高。确定了制备Ti(C,N)基金属陶瓷基体材料的真空烧结工艺为1415oC保温60min。在高温高压条件下,利用热等静压炉对Ti(C,N)基金属陶瓷进行了氮化处理。热等静压氮化处理使金属陶瓷表面形成了一层大约15μm厚、富含TiN的金黄色表面反应及影响区,提高了表面显微硬度和断裂韧性。另外,在高温高压极限条件下,氮化处理温度不宜太高,否则将引起晶粒长大,降低材料的性能。首次对Ti(C,N)基金属陶瓷进行多弧离子镀制备TiN涂层。金属陶瓷多弧离子镀处理后,表面呈现致密的金黄色,镀层主要为具有(111)择优取向的TiN相,使金属陶瓷表面的显微硬度大幅度提高,不影响其抗弯强度。基体表面粗糙度值越高,涂层与基体的结合强度越低;粗糙度值越低,涂层与基体的结合强度越高。Ti(C,N)基金属陶瓷的涂层结合强度高于硬质合金基体的涂层结合强度。TiN与Ti(C,N)基金属陶瓷之间润湿性良好,TiN涂层的生长是按层状生长模式进行的,TiN与基体原子之间形成键合结合方式,因此,TiN涂层不仅光滑致密,而且与基体的结合力也高于硬质合金基体。硬质合金基体上涂层生长是按着岛状生长模式进行的,因此,表面具有许多岛状Ti液滴,并具有明显的方向性,涂层表面粗糙。首次探索了Ti(C,N)基金属陶瓷的多弧离子镀+热等静压后处理的复合表面处理。热等静压后处理显著提高了TiN涂层与基体之间的结合强度,同时使涂层的断裂韧性得到显著提高,而对TiN的相结构没有影响,材料的横向断裂强度基本不变。热等静压处理提高TiN涂层性能的机制是通过扩散形成的梯度变化界面和使材料致密化加强界面间机械互锁作用。首次对Ti(C,N)基金属陶瓷进行多弧离子镀制备了厚度约为3μm的TiN/TiAlN多层涂层,其努氏显微硬度均达到2808HK,涂层与金属陶瓷之间的结合强度高达57.52N,而横向断裂强度几乎没有变化。结构分析表明,金属陶瓷基体多弧离子镀后涂层最表层为TiN,中间层主要为TiAlN,基体金属陶瓷主要为Ti(C,N)和Ni,并且在最外层和中间层中都发现有基体的衍射峰,只是峰的强度不同。TiN相和TiAlN相均存在强烈的(111)择优取向。TiN/TiAlN涂层组织均匀,Al的含量从涂层内部到表面逐渐增大,呈现梯度分布特征。当基体材料不同时,涂层的形貌差别很大。TiN相、TiAlN相与Ti(C,N)基金属陶瓷之间润湿性良好,涂层的生长是按层状生长模式进行的,TiN、TiAlN与基体原子之间形成键合结合方式,因此,TiN/TiAlN涂层不仅光滑致密,均方根粗糙度为20.6nm,而且涂层与基体的结合力也高于硬质合金基体。硬质合金基体上涂层生长是按着岛状生长模式进行的,因此,形成许多岛状液滴,并具有明显的方向性,涂层表面粗糙,均方根粗糙度高达272.2nm,而且表面的Ti液滴还具有方向性。采用球-盘摩擦磨损试验机研究了TiN/TiAlN多层涂层的摩擦学性能和磨损机制。TiN/TiAlN涂层的平均摩擦系数均低于金属陶瓷基体的平均摩擦系数。在较高载荷下,金属陶瓷基体上TiN/TiAlN涂层的平均摩擦系数较大。随着滑动速度的增大,平均摩擦系数增大,材料的质量变化由增量减少变为减量,即由严重粘着向少量粘着变化,其磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损。硬质合金基体上TiN/TiAlN涂层的摩擦系数比相同载荷、相同滑动速度下金属陶瓷基体上TiN/TiAlN涂层的摩擦系数小。硬质合金基体上TiN/TiAlN涂层是由Ti液滴颗粒和颗粒间的凹坑所构成的表面,微观上呈雨滴状,这种表面形貌有利于减小摩擦系数,改善工件表面的耐磨损性。其磨损机制主要是粘着磨损和涂层的微剥落。通过对TiN、TiN/TiAlN涂层的膜层裂纹密度的分析,发现Ti(C,N)基金属陶瓷基体的TiN膜层的压痕边缘出现了大块的片状剥落,膜层的脆性较大,断裂韧性很低。而经热等静压处理后膜层-基体之间的结合力显著提高,具有最高的断裂韧性。金属陶瓷基体上TiN/TiAlN多层涂层的断裂韧性高于硬质合金基体的,其压痕形貌中没有涂层剥落,而且不同基体上的压痕裂纹其特点也不同,金属陶瓷基体膜层的径向裂纹非常短,并有裂纹偏转现象;而其侧向裂纹很长,分布压痕周围。硬质合金基体上膜层的径向裂纹很长,非常平直,从裂纹起始端到裂纹尖端,几乎为一直线;侧向裂纹很短,只有与颗粒方向垂直的压痕边缘才稍微有一点侧向裂纹。通过用TiN/TiAlN涂层金属陶瓷刀具对0Cr18Ni9钢和45#钢进行铣削实验,发现TiN/TiAlN涂层金属陶瓷的切削性能明显优于未涂层金属陶瓷和硬质合金YW2,其平均寿命为硬质合金刀具的2倍。TiN/TiAlN涂层金属陶瓷刀具的失效形式主要是磨损和崩刃,没有涂层剥落现象,TiN/TiAlN涂层与基体的结合强度很好。未涂层金属陶瓷刀具的磨损形式主要是磨损和粘着。
周宇[5]2004年在《多层膜摩擦学特性的测试与模拟》文中提出在金属表面加工薄膜层是提高材料性能的重要途径之一。多层膜尤其是梯度多层膜能改善各膜层的受力情况，特别是能改善膜层与基体界面及膜层与膜层界面处的应力、应变分布，从而能有效的防止薄膜的裂纹形成及膜层的脱落。本文采用有限元程序分析和试验方法研究多层膜与应力分布间的关系，得到的主要结论可总结如下： (1) 本文在Visual C++6.0开发环境下编制的二维弹性有限元分析程序，将程序分成若干模块，将每个模块分别封装在类中，使程序流程清晰，调试容易；程序可用于解决弹性接触问题，边界条件修改容易，并可以图形直观输出应力场分布；网格的划分便于模拟多层膜模型；前处理及后处理程序，稍加处理，就可以应用于其它有限元程序。 (2) 运用有限元法研究了多层膜主要膜层参数对应力分布的影响，得到的主要结果是：膜层厚度过大或过小，都会使表面的最大剪切应力值下降；膜层弹性模量的增加，将使表面处的最大剪切应力随之增加，而界面处的最大剪切应力还要取决于膜层与基体间的弹性模量的差值；随着膜层层数的增加，界面处的最大剪切应力值逐渐降低，且其最大值逐渐移向前缘；随着膜层表面摩擦系数μ的增加，界面处的最大剪切应力，在接触前缘附近，都是随着μ的增加而增加，而在接触后缘则都随着μ的增加而降低。 (3) 利用原子力显微镜测试手段，对Cu膜、Ni膜及Cu／Ni多层膜的摩擦学特性进行分析，结合理论分析与试验结果，表明多层膜与单层膜相比，既能有效的改善基体的受力状况，又能降低表面所受的摩擦力，这正是多层膜的优势所在。 本文所得的有关结果和结论，可为确定及制备覆层膜提供理论指导，同时也为将有限元与分子动力学相结合分析覆层膜的摩擦磨损机理做出了一些基础性的工作。本文是国家自然科学基金资助课题《多层膜摩擦学特性的分子动力学—有限元模拟研究》(5007104)的一部分，大量的工作还有待于今后继续深入研究。
代明江[6]2016年在《类金刚石薄膜掺杂作用机理及其摩擦学性能》文中研究指明类金刚石(diamond-like carbon)薄膜具有高硬度、高弹性模量、优异的减摩耐磨性能、良好的光透过性、较强的化学稳定性和生物相容性等优异的性能,在太空机械、工模具、汽车、电子器件、光学、生物医学等领域拥有广阔的应用前景。然而,大量的研究发现类金刚石薄膜(DLC)中存在着很大的残余应力,不仅削弱了薄膜与基体之间的结合强度导致薄膜在服役过程中提前剥落失效,还限制了薄膜的沉积厚度,此外DLC薄膜还存在摩擦学行为对服役环境敏感性高的缺点,这些因素均限制了DLC薄膜在工业中的大规模应用。为了改善DLC薄膜的固有缺陷,满足工业应用的要求,本文通过金属、非金属以及化合物异质掺杂的方法对类金刚石薄膜进行改性,针对高温、高湿、干燥、贫油等不同的摩擦磨损服役工况,制备出了综合性能优异的掺钨DLC薄膜、掺硅DLC薄膜和WS_2掺杂DLC薄膜。采用磁控溅射和阳极层流型离子源复合沉积技术在H13热作模具钢和Si(100)基体表面制备了钨元素掺杂的DLC薄膜,以减小DLC薄膜中的残余应力、提高薄膜在高温环境中的热稳定性和减摩耐磨性能。为了减小薄膜与基体之间的物理失配、缓解界面应力并提高膜基结合强度,本试验通过工艺设置在DLC薄膜和基体之间构筑了Cr/CrN/CrNC/CrC梯度过渡层,大幅度地提高了DLC薄膜与基体间的结合强度。最终在H13钢表面沉积的掺W类金刚石薄膜的厚度可达3.51μm,膜基结合强度达HF2级,薄膜的显微硬度可达2289HV。采用TEM、SEM、XRD等检测方法对掺W类金刚石薄膜的微观结构和化学成分进行分析,发现W元素是以WC1-x纳米晶团簇的形式弥散地镶嵌在DLC薄膜三维碳基网络中,构成了纳米晶-非晶复合结构。随后本文系统地研究了掺W类金刚石薄膜从室温25℃到500℃温度范围内的摩擦磨损行为,得到的试验结果表明:在DLC薄膜中掺杂W元素不仅可以降低薄膜内应力和提高膜基结合力,还能提高薄膜在高温条件下的稳定性。在200℃以下能保持结构和摩擦学性能的稳定性,300℃加热时薄膜会发生部分石墨化,同时表面开始氧化,薄膜的耐磨损性能开始下降;400℃时氧化严重,薄膜中的C大量损失,薄膜主要由WO3相组成疏松的结构,薄膜的耐磨损性能将显著降低;500℃时其摩擦系数仍能保持在0.15以下,但其磨损率要远高于25℃~200℃温度范围内磨损的样品。采用中频磁控溅射和离子源辅助沉积技术,通过正交试验优化工艺参数,在Cr12MoV模具钢和Si(100)表面成功地制备了膜层结构细腻、致密的含氢掺硅DLC薄膜。Si元素掺杂含量是影响薄膜机械性能和摩擦学性能的关键因素,当Si含量为3.75at.%时,Si-DLC薄膜的硬度为2039HV,膜基结合强度在30N以上。此外,Si元素的掺入还可以降低薄膜摩擦学性能对摩擦环境湿度的敏感性,当Si含量在3.38~3.75 at.%范围时,Si-DLC薄膜在高湿度和低湿度条件下的摩擦系数均可稳定在0.13左右。为了使DLC薄膜能够同时适应多种服役环境,采用中频磁控溅射和离子源辅助沉积技术在9310渗碳钢、TC4钛合金、K20硬质合金三种基体上制备了掺WS_2类金刚石薄膜。WS_2掺入DLC薄膜后是以WC1-x和WS_2纳米晶团簇的形式弥散分布于碳基网络之中,使得W-S-C复合薄膜既具有DLC薄膜高硬度、高耐磨性能,又拥有WS_2良好的自润滑性能。将制备的W-S-C复合薄膜样品分别放在干燥的氮气、湿润的大气、油润滑等环境中进行摩擦磨损试验,试验结果证实复合薄膜样品在不同的摩擦条件下均具有很低而且稳定的摩擦系数。其中,在干燥氮气气氛中的摩擦系数可低至0.03,在油润滑协同下的摩擦系数为0.04,在大气环境中无油润滑条件下的摩擦系数约0.15,此外在大气环境中和9310对偶副对磨时的磨损率可低至9.105×10~(-8)mm3·N~(-1)·m~(-1)。
李敦钫[7]2003年在《碳化硅和氧化铝基陶瓷材料的摩擦磨损特性研究》文中提出在化学工业中，高级陶瓷材料作为液体介质中的耐磨部件正日益受到关注。本文针对目前泵用摩擦零部件材料发展的需要，在实验室摩擦磨损试验机上研究了按环/块线接触方式作往复运动条件下的碳化硅和氧化铝基陶瓷材料摩擦副在水、化学腐蚀性介质作润滑剂和无润滑时室温下的摩擦磨损特性。用扫描电子显微镜(SEM)对磨痕表面形貌进行了分析，用能量色散X射线分析(EDAX)对磨痕表面进行化学成分分析，并用表面轮廓仪测定了磨痕表面粗糙度和磨痕表面轮廓曲线。 试验过程中考察了商业工程陶瓷如无压烧结碳化硅SiC(Ekasic F)、单相氧化铝陶瓷Al_2O_3(F99.7)和多相氧化铝陶瓷ZTA(氧化锆增韧氧化铝，SN80)所组成的摩擦副SiC/SiC、Al_2O_3/Al_2O_3和Al_2O_3/ZTA在水、1mol/L氢氧化钠水溶液、1mol/L盐酸水溶液和相对湿度50％的空气中的摩擦磨损特性。本文利用CO_2激光，在开孔率小于5％的商业工程陶瓷Al24基体材料预涂层表面上进行激光熔覆试验，制备了二种不同成分的表面层Al24ZY和Al24ZYS。二种激光熔覆层的陶瓷块材料与Al_2O_3(F99.7)组成摩擦副Al_2O_3/Al24ZY和Al_2O_3/Al24ZYS，在不同的介质中进行了摩擦磨损试验。试验过程还考察了激光重熔氧化锆增韧氧化铝(ZTA)表面对其摩擦磨损特性的影响，摩擦副为Al_2O_3/ZTAL，以及SiC/Al24ZY摩擦副的摩擦磨损特性。在每次试验过程中连续测定和记录了摩擦系数和线磨损总量(环块线磨损总量之和)，试验后用表面轮廓仪分别测定了各自的环块线磨损量，同一条件下摩擦副的摩擦系数和线磨损总量为至少二次试验的平均值。主要研究了不同表面状态、介质、载荷、滑动频率和滑动距离等对不同摩擦副的摩擦系数和线磨损总量的影响。比较了不同陶瓷材料摩擦副在不同的试验条件下的摩擦学性质，并进一步分析了摩擦磨损机理，讨论了影响陶瓷材料摩擦磨损的一些因素。 摩擦化学反应对陶瓷摩擦副的摩擦磨擦特性有很大的影响，本文通过电位-pH图对Al_2O_3、ZrO_2和SiO_2等在水溶液中的热力学性质进行了分析，指出了陶瓷材料摩擦接触表面上摩擦化学反应层形成的可能性，以及水溶液中酸碱介质对摩擦化学反应层稳定性的影响。 试验结果表明，当试验条件为载荷60N，滑动距离288m，单向滑程8mm，滑动频率10Hz，平均滑动速度0.16m/s时，Al_2O_3/ZTA、Al_2O_3/Al_2O_3、SiC/SiC、Al_2O_3/Al24ZY和Al_2O_3/Al24ZYS五种摩擦副的摩擦系数最大值均分别为：在水中昆明理工大学博士学位论文摘要小于0.犯，在lmol几氢氧化钠水溶液中小于0.17，在lmol/L盐酸水溶液中小于0.15:其中SIOSIC摩擦副的摩擦系数在水中和lm。巩盐酸水溶液中均小于0.02，而在lm0垅氢氧化钠水溶液中小于0.1。在相对湿度50%的空气中，各摩擦副的摩擦系数在0.6一0.8之间变化。在不同介质中，各摩擦副之间的摩擦系数顺序为: 在蒸馏水中:产，，2仇，:二>声，，2马，月，2仇>声，，2乌，，，24:二>产，，2仇，，，24二>刀及。/sic 在lmol几氢氧化钠中:声，，2仇/，，2。，>产，，2马，。>产，，2仇/，，242丫>产，，2仇/，，24zys> 声夕c/及c 在lmol几盐酸中:产，，2马，，，2。，>产，，2马，，，242二>尸，，2伪，，，242;>声，，2乌，Z二>户。。/二e 在相对湿度50%的空气中:产、，2仇，，，242二>声，，:仇，:。>声，。，。。>产，，2仇，，，24::> 声，22马z，220， 在不同介质中A1203亿TA、A12O3/A 1203、A12O3/A 124ZY，A12O3/A124ZYS四种摩擦副摩擦系数的顺序为尸Air>尸价。>尸NaoH>产Hcl;SIC/SIC摩擦副的摩擦系数为产Ai户刀NaoH>声凡口>声Hclo 在不同的介质中，A12O3/A 1203的线磨损总量顺序为所币。>所NaoH>琳HcI>所HZ。，而其余四种摩擦副的线磨损总量则为琳、;>琳Hcl>所~>琳凡。。在不同的溶液介质中，各摩擦副之间的线磨损总量顺序为: 在水中:研.、2仇，，12仇>城一AIZ仇，:。>矶一si。，二。>班.A12仇，，，242:>城通12仇，，，24:Ys 在lmol/L氢氧化钠:琳月，2仇，，，2马>研.，，2马，二>研。，2仇，，，242丫>矶通，203，，，242二> 琳&c，sic 在lmo比盐酸中:琳A12仇，:TA>城AIZ马，，1203>琳AIZ马，，，24:Ys>琳AIZ马，，，24z了> 琳sic，sic 在相对湿度的50%空气中:矶.、2仇，zTA>磷从马，，12仇>矶.二c/。。>巩A12仇，，，24zys> 峨讨，2乌/，，24ZY 在相对湿度50%的空气中，经激光处理过的配对摩擦副的线磨损总量要比其它摩擦副的线磨损总量小几个数量级。 当载荷为60N，滑动频率为10Hz时，经过400om滑动距离后，在水中A12O3/A 1203，A1203亿TA，A12O3/A 124ZY和A12O3/A 124zYS摩擦副均不能形成有效的润滑膜，属边界润滑过程，磨损表面产生了裂纹，发生了晶粒拔出。在lmol几盐酸水溶液中，A12O3/A 1203、A12O3亿l人、A12O3/A 124ZY和A12O3/A 1 24ZYS摩擦昆明理工大学博士学位论文摘要副达到?
苏斌[8]2013年在《喷射沉积铝基连续梯度复合材料的制备、致密化及性能研究》文中研究说明颗粒增强铝基梯度复合材料具有密度低、比强度及比刚度高、耐磨性能优异和材料内部热应力过渡平稳等一系列优点，非常适合于制造高速制动部件和耐磨部件，在生物材料、机械工程材料、耐磨耐蚀的表面涂层以及航空航天材料等领域有广泛的应用前景。国内外对梯度复合材料的成分设计和制备技术等方面已有大量研究，但精确控制增强颗粒浓度梯度分布以及大尺寸、高性能连续梯度复合材料的制备技术仍然没有突破性进展。本论文通过对自动控制陶瓷颗粒输送装置的探索，发明了连续梯度复合材料的喷射沉积装置，通过对喷射沉积工艺参数的优化，制备出了SiC颗粒沿沉积坯高度方向呈连续梯度分布的圆柱锭坯、大尺寸圆盘件和环件。通过对热模压致密化工艺研究，得到了最佳热模压工艺参数；同时考察了温度、应变速率对SiCp/Al-20Si-3Cu梯度复合材料的流变应力影响，通过多阶梯形阳模结合平模致密化技术大幅度降低了压制压力，在此基础上自行研制出了超塑性致密化技术；采用此项技术对不同尺寸的圆柱锭坯和大尺寸圆盘件进行了致密化研究，检测并分析了材料的力学性能、断裂机制和强韧化机制；探讨了超塑性致密化过程中组织演变规律，分析了超塑性致密化机理，建立了Al2O3颗粒增强铝基体条带组织形成模型和超塑性致密化的孔洞演变模型。另外，研究了SiCp/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料的摩擦磨损性能，并对其在制动部件中的应用进行了考察。论文得到的主要结论如下：(1)自行研制出了自动控制的陶瓷颗粒输送装置，解决了喷射沉积过程中对SiC颗粒呈梯度分布的控制问题；通过对液流直径、雾化气体压力和喷射高度等工艺参数探索，得到了喷射沉积制备连续梯度复合材料最佳工艺参数。在最佳工艺下制备了SiC颗粒质量分数沿沉积坯高度方向呈030%的连续梯度分布的圆柱锭坯和呈015%的大尺寸600mm150mm圆盘件和外径达1200mm环件。对沉积坯微观组织分析表明：基体组织细小，晶粒尺寸在5μm以下；初晶Si细小、尺寸仅1~3μm；析出相为-Al2Cu和AlCuMg，细小、弥散分布在晶界或晶内。孔隙率随SiC质量分数的增加其体积分数逐渐增加；沉积坯的显微硬度随SiC含量增加而增加。(2)研究了SiCp/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料的热模压致密化工艺，通过对热模压的温度、压制压力和保压时间等工艺参数探索，得到热模压最佳工艺参数。为了降低压制压力和扩大材料在致密化过程中横向剪切流动，自行设计了多阶梯形阳模结合平阳模热压致密化工艺，此工艺致密化结果表明：在没有改变梯度复合材料组织特点前提下，该工艺可以大幅度降低压制压力，并取得了良好的致密化效果。探讨了温度和应变速率对喷射沉积SiCp/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料流变应力影响，分析了该材料高温高应变速率下的超塑性，并自行研制出了超塑性致密化技术。（3）采用超塑性致密化技术对小尺寸锭坯进行了致密化研究，通过对压制压力、应变速率等工艺参数摸索，得到了最佳超塑性致密化技术工艺参数和较好的致密化效果，在此最佳工艺条件下对大尺寸锭坯进行致密化研究，结果表明：315吨的夜压机可实现对300×140mm圆柱锭坯的致密化，630吨的液压机可实现600×150mm厚盘件的致密化，材料的致密度均在99%以上，实现了小吨位设备对大尺寸坯料的全致密化，压制压力最大可降到同等条件下普通热模压的1/8。（4）对超塑性致密化后的SiCp/Al-20Si-3Cu梯度复合材料的性能研究表明：材料的整体性能在300MPa以上，较沉积坯的强度提高了23倍，随梯度层中SiC含量的增加，材料的抗拉强度和屈服强度呈先增后减变化规律、伸长率呈下降的变化趋势。SiC含量为15.2%梯度层的抗拉强度达到最大值388MPa，经热处理后的抗拉强度可达430MPa。性能大幅提高是细晶强化、SiC颗粒增强相强化、沉淀相强化和良好的致密化效果综合作用结果。（5）对超塑性致密化后SiCp/Al-20Si-3Cu梯度复合材料的微观组织分析结果表明：超塑性致密化没有改变SiC的梯度分布特征，梯度层内SiC分布更加均匀；保持了合金基体原有晶粒细小的组织特点，-Al基体、Si颗粒及SiC颗粒三者间界面结合达到了冶金结合；-Al2Cu和AlCuMg析出相细小、弥散分布并和位错交互作用明显；喷射沉积制备和致密化加工过程中在沉积颗粒边界上形成的Al2O3薄膜经超塑性致密化后，形成了以Al2O3薄膜碎片和MgAl2O4颗粒为增强相的宽度为50100nm的铝基体条带组织；通过界面反应，此条带状组织把沉积颗粒紧紧地连接在一起，提高了材料的强度和塑性，并建立了Al2O3增强铝基体条带组织形成模型；对超塑性致密化机理进行了分析，建立了超塑性致密化的孔洞演变模型。（6）研究了SiCp/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料的摩擦磨损行为，结果表明：摩擦系数随载荷和转速的增加而减小，随SiC含量增加，摩擦系数增加，摩擦系数在0.35~0.42之间变化，对比HT250，摩擦系数变化幅度小；磨损率随载荷或转速增加呈先增后减再增变化趋势，同等条件下其磨损率为HT250的1/10。在摩擦磨损过程中，材料的机械混合层厚度随SiC含量的增加而减小，当SiC颗粒含量由2.86%~15.21%变化时，机械混合层的厚度由25μm~5μm变化。随载荷或滑动速度增加，材料的磨损机制转变顺序为：磨粒磨损→氧化磨损→剥层磨损。
马洪涛[9]2005年在《Fe-Al金属间化合物基摩擦材料制备与摩擦磨损机制研究》文中研究表明随着汽车工业的发展,特别是汽车向高速化和重载化发展的趋势,对摩擦材料提出了越来越高的要求。多年来,国内外对摩擦材料进行了广泛的研究,主要形成了有机合成摩擦材料、粉末冶金摩擦材料和碳/碳复合摩擦材料为主的体系。本文针对已有体系中的材料在使用中的某些缺陷,查阅、分析了大量国内外相关文献,考虑到Fe_3Al金属间化合物密度低,制造成本低,有良好的导热性能,特别是受Fe—Al金属间化合物特有的多键态结构带来的耐高温、抗氧化和耐腐蚀性能的启发,在国内首次选用Fe_3Al作为基体材料研制开发了Fe_3Al基复合摩擦材料,并获得初步成功。论文涉及材料学、热力学、摩擦学等诸多方面,研究内容富有创新性。 本文针对以下几个方面进行了研究:一、用球磨机械合金化工艺制备了Fe_3Al粉体材料,并对Fe_3Al的形成过程和机理进行了研究。也对粉体的制备工艺和随后的热处理过程的必要性,进行了研究,并借用XRD、TEM、SEM、DSC等现代化的测试手段,对Fe_3Al形成过程的组织结构演变及Fe_3Al粉体的形貌进行了表征和测试。二、在系统分析欲制备的摩擦材料结构和性能的基础上,优化选择了合适的摩擦阻元和润滑组元作为摩擦性能调节剂。分析计算了组元间的相容性,根据物理和化学相容原理,初步设计了新型摩擦材料配方,对它们进行混料。随后对其烧结工艺进行了优化,对其烧结原理进行了探讨。三、对制备的材料的性能和结构进行了研究,分析了烧结材料的相组成和界面结合方式。四、对制备的Fe_3Al摩擦材料进行了力学性能测试,着重测试其不同工况条件和不同组元含量下材料的摩擦性能和磨损机理。五、对制备的Fe_3Al基复合摩擦材料和传统的铁基摩擦材料进行摩擦性能对比试验,分析它们不同的磨损机制。并测试它们的抗氧化和耐腐蚀性能,研究了Fe_3Al基复合材料的抗氧化原理。六。对研制的Fe_3Al基复合材料进行了模拟制动试验,考察了其制动性能和摩擦磨损性能。 针对以上研究过程,得出如下的主要研究结论: 一、通过球磨机械合金化工艺,能够使Al、Fe元素粉末在球磨过程中使Al原子逐渐溶于Fe中形成无序α—Fe(Al)过饱和固溶体,通过随后在750℃
安剑[10]2007年在《物理气相沉积氮化铬涂层的制备及其摩擦学性能研究》文中研究指明磁过滤阴极真空弧源沉积(FCVA)是一种优良的涂层物理气相沉积技术，有着其它镀膜形式不可比拟的优点：如高的离化率，高的沉积速率和良好的涂层结合强度等，在工业生产中有着广泛应用前景。本文采用磁过滤阴极真空弧源沉积技术沉积了CrN涂层，并表征了CrN涂层的微观结构、显微硬度、表面形貌和摩擦学性能，分析了氮气分压，基体偏压，基底温度等工艺参数对涂层结构和性能的影响机理，优化了涂层制备工艺。利用CETR多功能摩擦磨损试验机，对比研究了自制磁过滤阴极真空弧源和商业化多弧离子镀CrN涂层的往复及销盘两种滑动模式下的摩擦学行为。在摩擦动力学分析基础上，利用扫描电子显微镜(SEM)、激光共焦显微镜(LCSM)、电子能谱(EDX)和X射线衍射(XRD)进行了微观分析，详细地研究了法向载荷、滑动速度等试验参数对两种模式滑动摩擦学特性的影响；分析了摩擦化学对涂层磨损的作用，探讨了CrN涂层的摩擦磨损机理；比较了两种涂层的耐磨性；获得主要结论如下：1．应用磁过滤阴极真空弧沉积技术制备了Cr过渡层的CrN复合涂层(Cr／CrN)，其氮化铬层的相结构主要由CrN和Cr_2N组成。2．制备FCVA CrN涂层时，氮气分压和基体偏压均存在一最佳参数，过高和过低的工艺参数均使涂层性能下降；沉积前对基体预加热，并没有使涂层性能得到提高；加入纯Cr过渡层后，涂层的各方面性能均得到了提高。3．在往复和销盘两种滑动测试条件下，两种CrN涂层的摩擦系数都随着法向载荷的增大而降低；随着滑动速度的增大，摩擦系数的稳定值降低。CrN涂层的滑动磨损机制均表现为磨粒磨损和氧化磨损的共同作用。4．磁过滤阴极真空弧源方法制备的CrN涂层磨损较轻微，耐磨性能优于多弧离子镀法制备的CrN涂层，涂层微结构的差异可能是造成其摩擦磨损性能差异的主要原因。5．相比多弧离子镀方法制备的CrN涂层，磁过滤阴极真空弧源方法制备的CrN涂层表面更为光滑、致密和连续，硬度和耐磨性更高，但结合强度较低。在高法向载荷下磁过滤阴极真空弧源涂层出现早期失效，与低的结合强度有关。综合研究表明，本文采用磁过滤真空阴极弧源沉积方法合成出了具有高硬度、优异耐磨性能的CrN涂层。
参考文献：
[1]. 耐磨梯度表面层的制备及其滑动摩擦学特性的研究[D]. 高玉周. 大连海事大学. 2000
[2]. 物理气相沉积（PVD）涂层的摩擦学行为研究[D]. 莫继良. 西南交通大学. 2008
[3]. 宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究[D]. 李建亮. 南京理工大学. 2009
[4]. 表面处理Ti（C，N）基金属陶瓷的结构与性能[D]. 郑立允. 华中科技大学. 2006
[5]. 多层膜摩擦学特性的测试与模拟[D]. 周宇. 大连海事大学. 2004
[6]. 类金刚石薄膜掺杂作用机理及其摩擦学性能[D]. 代明江. 华南理工大学. 2016
[7]. 碳化硅和氧化铝基陶瓷材料的摩擦磨损特性研究[D]. 李敦钫. 昆明理工大学. 2003
[8]. 喷射沉积铝基连续梯度复合材料的制备、致密化及性能研究[D]. 苏斌. 湖南大学. 2013
[9]. Fe-Al金属间化合物基摩擦材料制备与摩擦磨损机制研究[D]. 马洪涛. 山东大学. 2005
[10]. 物理气相沉积氮化铬涂层的制备及其摩擦学性能研究[D]. 安剑. 西南交通大学. 2007