关键词:
纳米薄膜
力学性能
摩擦磨损性能
润滑油摩擦
抗氧化性能
摘要:
活塞减摩耐磨性能的提高对于发动机的效率与寿命具有重要意义。现有在基础润滑油中采用添加剂的解决方案存在以磷,硫等污染元素造成严重环境污染的一系列问题,极大限制了润滑油对于机械零件减摩耐磨的应用。本文通过物理气相沉积在薄膜中掺杂活性纳米金属粒子制备纳米复合膜研究了其在基础润滑油的摩擦磨损,获得环境友好的绿色型减摩抗磨效果。本研究选取ZrN薄膜作为基础,掺杂了纳米金属粒子Ag,纳米粒子B制备了一系列ZrN-Ag,ZrBN,ZrBN-Ag薄膜。研究了Ag与B的加入对于薄膜微结构,力学性能和基础润滑油中摩擦磨损性能的影响。研究结果如下:(1)不同Ag含量的ZrN-Ag薄膜的研究:薄膜整体由fcc-ZrN(111)、fcc-ZrN(200)、fcc-ZrN(220)和fcc-ZrN(222)相组成。择优取向为fcc-ZrN(111),Ag以晶粒的形式弥散在薄膜中,ZrN-Ag薄膜中Ag的加入产生了细化晶粒的作用,随着Ag的增多,晶粒尺寸减小。Ag的加入薄膜的硬度先增加后降低,Ag增加到2.17 at.%时薄膜的硬度最大,为27.8 Gpa,ZrN-Ag复合膜的基础润滑油下的平均摩擦系数随着Ag含量的增加而降低,当Ag含量为16.30 at.%时,其平均摩擦系数最小,为0.0815。磨损率随着Ag含量增加先下降后上升,Ag含量为2.17 at.%时磨损率最低,为2.551×10mmNmm。研究表明,在摩擦过程当中Ag会催化润滑油形成碳基润滑膜改善薄膜在基础润滑油中的摩擦磨损性能。(2)不同B含量的ZrBN薄膜的研究:当B含量达到7.53 at.%,出现ZrB相,生成非晶相BN,ZrN的衍射峰发生了较大的偏移。B的含量增至4.21 at.%时,硬度达到最大为27.4 Gpa,而B的含量增加至7.53 at.%以上硬度反而降低,此时力学性能较差。薄膜的室温干摩擦摩擦系数随B含量增多逐渐下降,磨损率先下降后逐渐提高,B含量为4.21 at.%时,最小磨损率为5.886×10mmNmm。润滑油摩擦中,B的加入摩擦系数最终稳定于0.115左右,磨损率先降低后升高,B含量增加至4.21 at.%时磨损率最小,为1.605×10mmNmm。对比室温摩擦与润滑油摩擦,室温摩擦过程中生成了氧化物会对摩擦产生影响,而润滑油摩擦中不易有氧化物的产生,不会对摩擦产生影响。加入B元素可以较好的提高薄膜的抗氧化性能。(3)不同Ag含量的ZrBN-Ag薄膜的研究:Ag的加入导致Zr相对含量降低,Ag含量逐渐增加至7.08 at.%以上时,薄膜中大部分的N以BN形式存在。少量Ag的加入提高了薄膜的力学性能,Ag含量为1.69 at.%时,硬度达到最大值29.5 Gpa。Ag的含量继续增加,硬度不断下降,由于Ag的润滑作用,室温干摩擦摩擦系数随着Ag含量的增加呈现出单调递减的趋势,平均摩擦系数不断降低,当Ag含量为10.63 at.%时薄膜的摩擦系数达到最低,为0.442。磨损率随Ag含量先降低后上升,Ag含量为1.69at.%时磨损率最低,为5.9876×10mmNmm。润滑油摩擦中,Ag的加入使摩擦系数降低趋于稳定,约0.085左右,磨损率先降低后上升,当Ag含量为1.69 at.%时磨损率最低,为达到1.375×10mmNmm,Ag会催化润滑油形成碳基润滑膜从而改善薄膜在基础润滑油中的摩擦磨损性能,Ag含量为1.69 at.%时的ZrBN-Ag薄膜依旧保持了较好的高温抗氧化性。