金属基复合材料涂层摩擦学地研究进展

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1、http://www.paper.edu.cn*金属基复合材料涂层摩擦学的研究进展马红玉，张嗣伟石油大学(北京)机电工程学院，北京102200Email:mahongyu77@163.com摘要：在简要回顾表面涂层技术发展历程的基础上，对金属基复合材料涂层的减摩抗磨性能和制动摩擦性能以及涂层的摩擦磨损机理和影响涂层摩擦磨损性能的若干因素的研究现状进行了综述，并指出了今后在金属基复合材料涂层摩擦学方面值得进一步研究的一些问题。关键词：金属基复合材料涂层，减摩抗磨，制动摩擦，涂层摩擦学1.前言金属基复合材料涂层具有耐高温、耐磨损、导电导热性好、不吸湿、不放气、尺

2、寸稳定、不老化等优良特性，而其优异的摩擦学性能更使它在摩擦学领域倍受青睐，因此，有关金属基复合材料涂层的摩擦磨损性能的研究方兴未艾。本文仅就金属基复合材料涂层摩擦学的研究进展作一综述。2.表面涂层技术的发展历程Subramanian等根据涂层的发展历程把涂层技术分为3代：第一代涂层指传统的单组分涂层，即运用单一表面工程技术制备的单组分单层涂层。如TiN涂层，已广泛应用于刀具、模具、量具及轴承；第二代指二元复合涂层，如Ti-C-N、Ti-B-N、Ti-Al-N，已初步应用于某些耐磨部件上；第三代指新近出现的多层涂层及多组元复合涂层，即运用一种或多种表面工程技术

3、将具有不同性能的材料组合到同一体系中以得到单一材料无法具备的新的性能,因而[1,2]成为目前涂层中极具应用潜力的研究对象。3.金属基复合材料涂层减摩抗磨性能的研究现状3.1单一涂层单一涂层是指传统的单组分单层涂层，主要包括金属涂层、金属化合物涂层、陶瓷涂层等。金属涂层中，采用各种金属离子注入的方法，可提高注入金属表面的硬度，降低表面的[3]摩擦系数，提高表面抗磨损性能，如H13钢表面注入Ti离子。另外，如镀铬层，它具有耐磨、减摩、耐热、耐腐蚀、摩擦系数低、防咬合等特点，能改善模具表面性能，提高模具寿[4][5-7]命。陶瓷涂层中最典型的代表是TiN涂层，研究

4、表明，TiN涂层与基材结合良好，与基体相比，其力学性能优异，摩擦系数小，耐磨性好，已广泛应用于各领域，特别是工模具方[8]面。其它陶瓷涂层如Al2O3涂层、Cr2O3涂层等也都具有良好的减摩抗磨性能。金属化合物*本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号：20020425005)资助-1-http://www.paper.edu.cn减摩抗磨涂层主要是一些具有自润滑性能的硫化物涂层、氧化物涂层和氟化物涂层，如MoS2[9][10][8][8]涂层、FeS涂层、PbO涂层、CaF2涂层等。3.2复合涂层用单一的或复合的表面工程技术将金属与一种或多种非金

5、属微粒共同沉积于材料表面[4]所获得的涂层称为复合涂层。上面提到的第二代二元复合涂层以及第三代多层涂层和多组元复合涂层均在复合涂层的范畴内。[1,2]Ti-C-N，Ti-Al-N，Ti-Si-N及Ti-B-N涂层都是典型的二元复合涂层，在切削刀具及工模具领域倍受关注。这类涂层大多采用气相沉积方法制备，微观组织呈现多相结构，例如[11][11-13]Ti-B-N涂层中存在TiN相、TiB相、BN相及TiBN相。业已发现，Ti-C-N、Ti-B-N、Ti-Al-N涂层的减摩抗磨性能均优于TiN涂层。多组元复合涂层技术试图对涂层组成进行设计，期望各组分协同作用，从

6、而获得性能更为优异的涂层。这类涂层主要包括：合金涂层、金属基耐磨复合涂层、自润滑复合涂层和金属－高分子材料复合涂层等。金属合金以其良好的耐高温、耐磨损及与金属底材的粘结性而常用作涂层材料。目前广为关注的合金涂层主要是一些自熔性合金，如Ni基合金、Co基合金、Fe基合金、Zr基合金[14]等。研究证实，在不同的基体表面激光熔覆镍基合金NiCrBSiC涂层、Zr基非晶合金[15][16]Zr-Al-Ni-Cu涂层，以及电弧喷涂铁基合金7Cr13涂层，其硬度及减摩抗磨性能与基体相比均有明显改善。在金属合金涂层中添加适当的材料（如纳米微粒、稀土）将会进一步提高涂层的

7、减摩抗磨性能。例如将钼粉、自熔性合金粉及Al2O3陶瓷粉进行混合，可以获得耐磨、减摩钼基伪[17]合金等离子弧喷涂涂层；在真空熔结镍基合金涂层中加入0.8%～1.0%的纳米金刚石粉，[18]可显著提高涂层的硬度和耐磨性，摩擦系数可减小60%。在激光熔覆镍基合金NiCrBSi和[19]NiCrBSi-WC复合合金中添加稀土氧化物CeO2（氧化铈），以及在Fe基合金涂层中引入稀[20]土氧化物La2O3，均可可促进晶粒细化，提高涂层组织均匀性及表面硬度，从而改善涂层的摩擦磨损性能。另外如Ni-SiC、Ni-P-SiC、Ni-B-B4C等复合电镀层都是良好的Ni基

8、耐磨减[3]摩涂层。在合金涂层中添加润滑材料可获得自