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审查工程摩擦界面改善边界润滑
- Erdemir
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能源技术部，阿贡国家实验室，9700 South Cass Ave.，ET / 212，Argonne，IL 60439，美国
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摘要
智能表面工程和涂层技术的最新进展为更好地控制在边界或边缘润滑的滚动，滑动或旋转接触条件下摩擦和磨损提供了独特的可能性。具体来说，这种涂料可以定制以满足未来发动机系统越来越多功能的应用需求，使他们能够在降低硫和磷粘度的油中运行。利用这些技术，研究人员已经开创并发展了各种纳米复合材料的超硬涂层并能在苛刻的加工和制造应用中提供更长的刀具寿命。相同的技术也可以用于设计和开发新型涂层结构，在边界润滑滑动条件下提供较低的摩擦和磨损条件。例如，这样的涂层可以以非常特殊的方式定制，即其中一个相可以有利地与某些相反应并使添加剂在发动机油中产生理想的化学边界膜;其他相可以提供超硬度并因此抵抗磨损磨擦。由于它们非常致密的微观结构和高化学惰性，这些涂层还可以在腐蚀性环境中卓越的防护氧化和腐蚀性攻击。在边界润滑滑动条件下的滑动接触界面使用固体润滑剂涂层也可以改善摩擦学性能。当流体和边界膜失效或被分解时，涂料可以承载负载并作为备用润滑剂。
近年来，轮胎喷射也变得非常流行，其他智能表面技术，如激光纹理和/或凹陷，激光表面处理。特别是，控制或涂层表面的激光纹理为在经典的Stribeck图表中进一步操纵润滑状态开辟了新的可能性。通过控制凹坑的大小，形状，取向和密度，研究人员能够修改边界润滑方式的宽度和高度，从而实现在滑动和旋转接触界面处具有较低的摩擦和磨损。总的来说，智能表面工程和涂层技术已经成熟。多年来，他们已经成为先进加工和制造应用的一个组成部分。他们也可以用来满足日益严格的要求摩擦学应用的多功能应用需求。在本文中，选择了一些例子如最近开发出的新颖的表面工程和涂层技术，并介绍了摩擦学的基本机制和在边界润滑状态下控制其摩擦和磨损行为。
爱思唯尔有限公司保留所有权利。2004年
1.介绍
未来的发动机系统和传动系统组件需要更有效或更强的润滑才能满足日益严格的操作条件。发动机燃料的有效性，经济性，耐用性和环保性与正在使用的润滑剂密切相关。润滑不良或效率低下导致高摩擦和磨损损失，这反过来会不利地影响这些的燃料经济性和耐久性引擎[1-3]。从环境角度来看，较低燃料经济也意味着更高的环境污染[3,4];因此迫切需要新的具有比以前更高的燃油经济性和更低的排放发动机系统，这可以通过发展低摩擦材料和广泛的应用来实现，涂层和润滑剂[5-7]。同时满足日益严格的排放控制标准以及更高的燃油效率要求制造商在其发动机上进行几项关键设计更改。多年来，这些制造商能够通过使用打火机和重量材料稳步提高车辆的燃油效率。在另一方面，他们一直在稳步增加发动机的功率密度和燃烧室的压缩比[4]。作为一个这样的设计变更也可能有助于减少漏风量和有害排放量。然而，增加燃烧室中的压缩比引起发动机环中更高的摩擦和磨损损失和衬里组件。另一个重要的设计变化是发动机制造商最近一直在发展并将废气再循环（EGR）系统整合进去他们的柴油发动机[8]。这项技术非常有效减少NOx的排放量;然而由于增加TAN和曲轴箱油中积累的烟灰，也会降低润滑油的性能，从而降低润滑油的性能并造成发动机零部件[9]严重的腐蚀，侵蚀和磨损问题。虽然这些和其他机械设计的变化是目前正在进行新型发动机系统，也有目前正在提出的化学和润滑油的粘度巨大变化。一方面，在未来的发动机中，使用较低和较低粘度的油是推荐的。其次也是最重要的是降低这些油的硫和磷含量，这主要是各政府部门要求的，因为这两个因素都有不利影响。后处理装置的性能和效率[10-13]。硫和磷主要来自硫ZDDP和Mo-DTC被添加到油中以便在滑动发动机部件和滑动件中抵抗磨擦和磨损组件。在最近的测试中，硫和磷含量降低的油水平导致发动机部件更高的摩擦磨损。总结前述，很明显未来发动机系统将比以前更严格，因此，必须制定战略目标，新的更好的材料和更有效的润滑以达到这些操作条件越来越严格的引擎。达到些目标所能的非常有效的方法之一是通过发展和广泛的应用低摩擦的发动机材料和涂层以及更好的润滑剂[14-17]。特别是，如果我们能够考虑和对待真正的是什么，这个领域的一大进步就是发动机润滑油和材料作为一个单一的系统，然后设计和裁剪两种方式使用组合，他们可以提供我们渴望在性能，效率和耐用性方面的各种改进。研究人员已经使用类似的方法在加工和制造领域取得巨大进步。具体而言，通过设计和使用智能摩擦学涂层结构，他们能够实现更长的时间刀具寿命和更平滑的表面光洁度产品，即使在有限的润滑和高速加工条件下也是如此。这些新型涂料现在提供各种组成，微观结构和力学性能以满足日益增长的需求性能和耐用性的各种金属切割和形成工具。一些最新的发展领域包括一系列纳米结构和复合材料能够提供非常令人印象深刻的磨损寿命的涂层即使在干式加工条件下。以下类似的方法，新型纳米复合涂料也可以开发用于关键引擎应用。特别，他们可以量身定制在较低的位置安全运行也可能含有非常少量的硫磷的粘度油。他们也可以与其他智能相结合的表面工程技术（如微/纳米纹理和/或 - 模式），因此更大性能和效率方面的改进可以在未来的运输系统中实现[18]。
在本文中，试图强调一下系统方法的重要性不包括在内，只有为了迎合未来发动机系统的严格运行需求越来越多的策略智能表面工程而且还有先进的润滑。在润滑滑动条件下突出显示先进的固体润滑和新型纳米复合材料涂层技术（不仅提供超硬性而且边界润滑中的摩擦非常低）详细讨论了它们的摩擦学性能。该激光纹理对润滑滑动接触的影响也讨论过。
2.固体/液体润滑
工业界长期以来在严酷的摩擦条件下（如高真空和/或温度，高速和/或严重装载，辐射环境）已经使用散装固体润滑剂及其涂层来实现低摩擦和高磨损。目前有几种固体润滑剂（包括散装和薄膜）形式），可用于控制摩擦和磨损滑动界面。众所周知的例子是钼二硫化物，六方氮化硼，硼酸，石墨金属，某些聚合物，金刚石和类金刚石碳，光滑氧化物等）[16]。其中一些固直接以强粘合薄的形式施加到滑动表面上通过先进的真空沉积工艺等固体膜作为离子束辅助沉积，磁控溅射，离子电镀，脉冲激光沉积和离子束混合[15,17]，而另一些是通过分子接枝，硫化，溶胶凝胶和气相沉积[19,20]。总的来说，目前最新的固体润滑剂涂层技术达到了现在可以全部生产的地步各种。几纳米到几微米不同厚度的摩擦学表面的沉积在温度敏感基材上的固体润滑剂膜也可行并且可以通过溶胶 - 凝胶技术来实现。在润滑表面上使用时，作为备用润滑油会形成固体润滑膜可以大大增加承重能力和容易剪切并因此起作用的表面的润滑性，特别是在边界润滑滑动条件下[21]。 如果液体润滑剂失效，则固体润滑剂可以承载负载并防止直接的金属对金属接触[22]。 在以下部分中，介绍了三种情况的接口有益的固体和液体润滑剂组合使用的协同效应对滑动摩擦磨损的影响：一种涉及一种金属固体润滑剂，一种涉及层状固体润滑剂，还有一种涉及无定形碳膜也是自润滑的。
2.1软金属膜对边界润滑的影响
某些软金属（如In，Ag，Sn，Pb，Au）具有低剪切强度，因此可以提供滑动下面的表面干滑动条件合理的低摩擦系数（即0.1-0.4）。它们通常表面通过真空沉积工艺如离子束沉积，磁控溅射，离子镀等[21]以薄的形式应用摩擦学上的固体膜（通常小于1毫米厚）。当这种涂层在合成油存在下温度升高的条件下经受滑动测试时，非常低的摩擦和磨损系数可以实现[21,22]。图1显示了200℃时合成油镀银氮化硅测试片完全配制无涂层和无涂层的摩擦系数。图2显示滑动接触镀银测试片上的区域表面变得非常光滑从而改善这种滑动的流体动力学效率。这些和其他系统的研究已经清楚证明了固体和液体的润滑剂联合使用滑动表面上具有有益的协同作用和对这种表面的摩擦和磨损性能的影响。
2.2 片状固体润滑剂对边界层润滑的影响
对于层状固体，硼酸（H 3 BO 3），选择该膜以说明其在边界润滑滑动条件下对摩擦和磨损的协同效应。自润滑硼酸薄膜可用于a。在生产上以几种方式滑动。这是为了讨论这是在B4C层的顶部生成的一种方法，在参考文献中描述。 [二十三]。然后在边界润滑滑动条件下滑动测试。结果总结在图3中。显然，与之相比控制表面，硼酸表面显示很多特别是达到稳定状态后的摩擦更小。当销子滑动反向针对硼酸时，内表面受到的磨损很小如图所示，相对于对照表面，其遭受显着的磨损在图4中。由于其自润滑性，硼酸变成了一种层状晶体结构[24]。在两者之间表面滑动，可以轻松切割以提供低摩擦。其上形成硼酸膜的B4C是用于滑动硬涂层发动机和轴承主要是因为它优异的耐磨损和磨损性。
图4.滑动过程中钢针上形成的磨痕（a）控制B4C和（b）硼酸在基础矿物油中形成B4C。
图2滑动过程中银涂层Si3N4上形成的磨损轨迹的状况针对Si3N4引脚。 请注意，针银与半球形尖端已经变形以呈现轮廓。
其他层状固体润滑剂（如MoS2，石墨，六方氮化硼）也已被使用，在润滑油中或在润滑滑动条件下实现低摩擦和磨损。 其中一些固体添加到粉末形式的油和油脂中增加其抗摩擦和抗磨损能力[25，26]。 近年来，人们的注意力转移到了MoS2纳米粉末的生产和使用，WS2和石墨 当用于润滑油和润滑脂，在滑动表面摩擦和磨损显着减少[27,28]。显然，存在于滑动界面处的液膜增加了其摩擦系数。取决于沉积方法和化学，DLC薄膜可能会有很高疏水性或亲水性。最近研究人员已经显示使用高极性流体或添加剂，可以控制协同作用的程度在DLC薄膜和润滑油之间从而实现甚至低得多的摩擦和磨损[33]。目前，DLC薄膜已广泛用于磁存储介质和各种汽车应用。计算机的安全和非常高速的操作硬盘主要取决于性能和非常薄的碳氮化物或DLC涂层的耐用性（小于10纳米厚），也被a覆盖润滑膜（只有几个单层厚）。常规和金属掺杂的DLC膜也被发现增加各种发动机部件的应用如燃油喷射器，轴承和齿轮中使用的驱动和动力系统组件[31]。
图5.未涂层和DLC涂层钢盘的摩擦响应在完全配制的发动机油中滑过钢销时。 测试条件：载荷，50 N; 滑动距离，200米; 速度，0.01米/秒;润滑剂，完全配制的美孚1-10W30油; 温度，22 8C;相对湿度15％。钢销（AISI 52100等级）。
图6.（a）在边界润滑滑动条件下的纳米结构超硬涂层的横截面电子显微照片和（b）摩擦行为。（a）中简要离子蚀刻膜以揭示纳米晶体形态，
3.纳米结构涂层
近年来，中国在纳米结构涂料的配方和增加用途这方面取得了长足的进步。
其中一些有几个金属和陶瓷相在整个涂层厚度，而其他制成纳米级多层和/或超晶格[17,34,35]。这些新型涂层体系结构大多是先进的生产物理气相沉积（PVD）系统与多个溅射靶和/或阴极或具有混合沉积能力（即，结合溅射和沉积）电弧-PVD和/或离子束沉积）。因为他们纳米结构和独特的化学，最终的涂层可以是真正的多功能。虽然其中的一些阶段这些涂层可以提供超硬性，其他涂层可以降低摩擦并提供高的导热性和/或导电性，如所须。金属和/或化学成分构成的某些阶段可以通过这种方式进行选择得到的薄膜也可能变得非常敏感，或与发动机油和/或添加剂化学相容。图6说明了这种结构形态纳米结构和纳米复合薄膜由伊斯坦布尔技术大学和阿贡的科学家国家实验室共同开发。在这个特殊的个别谷物膜通常为50nm，并且整个膜形态非常密集。这些涂层的纳米硬度表征透露他们超硬，具有典型的硬度数值范围从40到60GPa。这些薄膜在干燥的滑动条件下摩擦系数相当低，对钢或陶瓷对角面0.2-0.4;但当在边界润滑滑动条件下进行全面测试配方的发动机油，它们的摩擦系数与钢相比明显更低（即0.03-0.07）测试对，通常提供摩擦系数在边界润滑的滑动条件下0.1-0.15。图6显示了纳米结构的实际摩擦行为在边界润滑滑动下涂覆涂料。这些涂料可以被认为是聪明的或适应性的摩擦学涂层，因为它们具有优异的相容性对润滑的测试环境有良好的反应。这种纳米结构涂层可以是更进一步的优化即使在近处也能提供低摩擦和磨损。
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图7.（a）激光凹坑钢样品的平面图和（b）2D图像。 凹陷的深度通常为4至5毫米，直径为100毫米。
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4.激光纹理
激光已被用来设计摩擦表面很长一段时间。特别是，激光烧蚀，玻璃窗，包层，喷丸，和凹陷或纹理代表一些成熟和广泛使用的过程。其中，激光熔覆和玻璃窗广泛使用在摩擦学上抗击摩擦和磨损。在最近多年来，激光器也取得了长足的进步各种摩擦学表面的纹理，包括发动机的环形/衬套组件，机械密封件和轴承。这些产生的浅坑或酒窝表面改变了水动力效率，因此，润滑状况或那些滑动的表面。这些凹痕可以充当润滑剂的储存器并且可以捕获磨损碎屑以减少由于第三机构造成的磨损。图7显示了形状和激光凹坑表面的形态。取决于对特定应用的要求，这些的深度凹痕的范围可以从几个微米到几个微米，并且直径可以是几十微米。图8总结了润滑滑动性能粗糙，高度抛光和激光凹坑表面。原样清楚，到目前为止，在考虑的所有表面之间的表现酒窝表面是最好的。再次，在边界润滑滑动条件下这种滑动表面的流体动力学效率增加性能改善被认为是由此导致的[36,37]。
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最近，研究人员已经开始使用准分子激光器可以在硬件上诱发纳米到微米级的图案涂层如TiN，TiCN和DLC膜[18,38-40]。这些激光器具有微微到毫微微秒的脉动能力（功率密度高达1013 W cmK2）可以消融各种材料，使用率非常高，而不会造成任何影响，在凹坑区域内和周围有很多损坏。最近实验研究表明，
硬涂层可以通过高达10倍的因素增加用飞秒激光进行图案化。杜米特鲁等人[18,38]已经研
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