摩擦学中的表面处理方法有哪些？增强耐磨性并减少摩擦

在摩擦学中，表面处理是用于设计材料最外层特性以控制摩擦和减少磨损的方法。这些方法主要分为三类：在不添加材料的情况下改变现有表面化学性质（如渗氮）、应用不同材料的新层（如涂层）以及修改表面的物理纹理。目标是创建比底层本体材料更硬、更光滑或更耐用的表面。

核心原则是机械故障几乎总是从表面开始。通过战略性地修改最外层材料的几微米，您可以以制造整个零件所需成本的一小部分，显著提高整个部件的性能、效率和寿命。

表面工程为何至关重要

在任何运动机械系统中，表面之间的相互作用决定了性能和可靠性。未经处理的表面，即使触感光滑，在微观层面也是粗糙的，这会导致摩擦并最终导致故障。

摩擦是两个接触表面之间运动的阻力。它消耗能量并产生热量，这会降解润滑剂和材料。

磨损是由于机械作用导致表面材料逐渐流失。它是轴承、齿轮和发动机活塞等部件最终失效的主要原因。

表面处理直接解决了这些问题。它们创建了一个功能性表面，专门设计用于承受其操作环境的独特挑战，例如高负荷、腐蚀性化学品或极端温度。

表面处理不是单一技术，而是包含不同工艺的广阔领域，每种工艺都有特定的应用。最好通过它们如何修改部件来理解它们。

这些方法，通常称为扩散处理，在不添加明显新层的情况下改变现有表面的化学性质。它们创建了一个与零件本身一体的硬化“壳”。

这些方法涉及在基材上沉积一层薄或厚的不同材料。这允许几乎无限的性能组合。

物理气相沉积 (PVD)：一种在真空中将固体材料汽化并逐原子沉积到部件上的工艺。它生产非常薄、硬且低摩擦的涂层，如氮化钛 (TiN) 和类金刚石碳 (DLC)。
化学气相沉积 (CVD)：利用前体气体中的化学反应在加热的基材上沉积一层。它非常适合创建高度耐用的涂层，例如金刚石薄膜，并且可以均匀地涂覆复杂几何形状。
热喷涂：将熔融或半熔融颗粒喷射到表面上，以形成厚而耐用的涂层。这通常用于修复磨损部件或提供极端的耐磨和耐腐蚀性。
电镀：包括电镀（例如硬铬）和化学镀镍等工艺。这些方法利用电化学或化学反应沉积金属层，从而增强耐磨性和耐腐蚀性。

这种现代方法涉及在表面上创建精确控制的微观特征图案，以操纵摩擦和润滑。

选择表面处理不是寻找“最硬”或“最光滑”的选项。它是为特定应用寻找最佳平衡。

极硬的涂层可能很脆。如果底层部件在载荷下弯曲，脆性涂层可能会开裂和剥落（分层），导致快速失效。基材的韧性必须支持硬表面。

如果最先进的涂层不能很好地附着在基材上，它就毫无用处。表面处理（清洁和粗化）可以说是任何涂层工艺中最关键的步骤，以确保牢固的机械和化学结合。

环境决定了选择。在高温下表现出色的处理方法可能在腐蚀性化学环境中失效。必须考虑载荷、速度、温度和化学暴露等因素。

PVD 和 CVD 等高性能工艺需要昂贵的真空设备，并且比渗碳等传统整体处理方法成本更高。处理方法必须通过所需的性能提升和部件价值来证明其合理性。

您的选择应由您试图防止的主要失效模式驱动。

最终，选择正确的表面处理将标准部件转变为高度工程化、可靠且高性能的资产。