不同环境条件下铝合金微弧氧化陶瓷膜的摩擦磨损性能.pdf
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1、第 1 7卷第 8 期 V b I J 1 7 NO 8 中国有色金属学报 Th e Ch i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s M e t a l s 2 0 0 7 年 8 月 Au g 2 0 0 7 文章编号:1 0 0 4 0 6 0 9 ( 2 0 0 7 ) 0 8 1 2 6 6 0 7 不同环境条件下铝合金微弧氧化陶瓷膜的 摩擦磨损性能 王远 ,王美玲 ,周 飞 ,丁红燕 ,戴振 东 f 1 南京航空航天大学 高新技术研究院 仿生结构及材料防护研究所,南京 2 1 0 0 1 6 ; 2 南京航空航天大学 材料科学与技术
2、学院,南京 2 1 0 0 1 6 ) 摘要:在 2 A1 2铝合金表面通过微弧氧化制备氧化铝陶瓷膜。用 x射线衍射仪分析薄膜的相构成,用涡流测厚 仪测量膜层的厚度,用 自动转塔显微硬度计测量薄膜的显微硬度,利用微摩擦磨损试验机研究 Al 2 O 薄膜 s i 3 N4 球在干摩擦及水润滑下的摩擦磨损特性,用非接触表面三维形貌仪测量薄膜的磨损体积,并采用扫描电镜观察磨 痕的表面形貌。结果表明:2 A1 2铝合金微弧氧化陶瓷膜主要由 a A l 2 0 相和 y A1 2 O 3 相组成;干摩擦时,薄膜主 要发生磨粒磨损和疲劳磨损,摩擦因数随法向载荷和滑行速度的增大分别从 0 7 9和 0 8
3、2增加到 0 8 7 ,磨损率则 分别从 4 0 7 1 0 mm3 ( N m) 和 4 3 6 1 0 m m ( N m ) 增加到 9 6 9 x 1 0 mm ( N r n ) ;水润滑时,薄膜主要发生摩擦化 学磨损和疲劳磨损,摩擦因数随法向载荷和滑行速度的增大分别从 0 6 9和 0 6 7下降到 0 6 5 ,磨损率则分别从 3 8 4 x 1 0 I I L r n ( N m ) 和 2 8 9 1 0 - m m3 ( N m) 增加到 4 4 7 1 0 - 5 mm ( N m) ; 薄膜在干摩擦时的摩擦因数和磨损率都大 于相同实验参数下水润滑时的摩擦因数和磨损率,
4、表明水介质有效地改善了体系的摩擦条件, 降低了薄膜的磨损。 关键词:铝合金;微弧氧化;润滑;摩擦;磨损 中图分类号:T G l 7 4 4 5 文献标识码:A Tr i bo l o g i c a l pr o pe r t i e s o f c e r a m i c c o a tin g p r e pa r e d b y mi c r o - a r c o x i d a tio n f o r a l u mi n um a l l o y s i n v a r i o u s e n v i r o n me n t s W ANG Y u a n , W ANG M e
5、 i l i n g 2 ,Z HOU F e i , D1 N G Ho n g y a n , DAI Zh e n d o n g f 1 I n s t i t u t e o f Bi o - i n s p i r e d S t r u c t u r e a n d S u r f a c e E n g i n e e rin g , Ac a d e my o f F r o n t i e r S c i e n c e , Na n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d As t r o
6、n a u t i c s , N i n g 2 1 0 0 1 6 , C h i n a ; 2 S c h o o l o f Ma t e ria l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , N a n j i n g U n i v e r s i ty o f Ae r o n a u t i c s and As tr o n a u t i c s , Nanj i n g 2 1 0 0 1 6 , C h ina ) Ab s t r a c t :T h e a l u mi n a c e r a mi c c o
7、a t i n g wa s p r e p a r e d b y mi c r o a r c o x i d a t i o n( MnO )t e c h n i q u e o n 2 A 1 2 A1 a l l o y T h e p h a s e s t r u c t u r e o f A1 2 03 c o a t i n g wa s an a l y z e d b y X- r a y d i f f r a c t o me t r y , i t s t h i c k n e s s wa s me a s u r e d u s i n g M1 NI T
8、 ES T1 1 0 0 e q u i p me n t , an d i t s m i c r o h a r d n e s s wa s d e t e r mi n e d u s i n g mi c r o - h a r dn e s s e q u i p me n t Th e f r i c t i o n a n d we ar p r o p e r t i e s o f A1 2 03 c o a t ing s s l i d i n g a g a ins t s i l i c o n n i t r i d e c e r a mi c b a l l
9、we r e c a r r i e d o u t u n d e r d r y an d wa t e r l u b ric a t e d c o n d i t i o n s u s i n g tr i b o me t e r s Th e we ar v o l u me o f A1 2 O3 c o a t i n g s wa s me a s u r e d u s i n g n o n c o n t a c t s urf a c e p r o fi l o me t e r , and t h e wo r n s urf a c e o f A1 2 0
10、3 c o a t ing s wa s o b s e r v e d b y s c a n n i n g e l e c tr o n mi c r o s c o p y( S E M) T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a l u mina c e r a mi c c o a t ing o n 2 A 1 2 A I a l l o y i s ma i n l y c o mp o s e d o f A1 2 O3 a n d y - A1 2 O3 p h a s e Un d e r d r y c o n d i t
11、i o n , t h e we a r me c h a n i s m o f A1 2 03 c o a t i n g s i s ma inl y a b r a s i v e we ar an d f a t i g u e we ar Wi t h an i n c r e a s e i n n o rm a l l o a d and s l i d ing s p e e d , t h e f r i c t i o n c o e f fi c i e n t o f A1 2 03 c o a t ing s i n c r e a s e s f r o m 0
12、7 9 a n d O 8 2 t o 0 8 7 , an d t h e s p e c i f i c w e ar r a t e o f A 1 2 O 3 c o a t i n g s i n c r e a s e s fr o m4 0 7 1 0 i lq _ r n 。 m) and 4 3 6 1 0 5 1 1 I 1 m) t o 9 6 9 1 0 一r n m3 ( N。 m) , 基金项目:国家自然科学基金资助项 1 ( 5 0 6 7 5 1 0 2 ) ; 南京航空航天大学高级人才启动资金资助项1 1 ( 4 0 1 5 9 0 5 3 8 1 一 S 0
13、 5 8 1 一 G X Y) 收稿 13 期:2 0 0 6 - 1 1 - 0 1 :修订 13 期:2 0 0 7 0 3 0 2 通讯作者:周飞,教授 :电话:0 2 5 8 4 8 9 2 5 8 1 8 0 3 :E m a i l :f z h o u n u a a e d u e l l 维普资讯 http:/ 第 1 7卷第 8 期 王远 ,等:不同环境条件下铝合金微弧氧化陶瓷膜的摩擦磨损性能 1 2 6 7 r e s p e c t i v e l y Un d e r wa t e r l u b ric a t e d c o n d i t i o n , t h
14、 e we a r me c h a n i s m o f A1 2 03 c o a t i n g s i s ma i n l y t r i b o c h e m i c a l we a r a n d f a t i g u e we a r Wi t h a n i n c r e a s e i n n o r ma l l o a d a nd s l i d i n g s p e e d , the f r i c t i o n c o e ffic i e n t o f A1 2 03 c o a t i n g s d e c r e a s e s f r
15、o m 0 6 9 a n d 0 6 7 t o 0 6 5 , r e s p e c t i v e l y , and the s p e c i fi c we a r r a t e o f Ah O 3 c o a t i n g s i n c r e a s e s fr o m 3 8 4 X 1 0 一r n m ( N m) a nd 2 8 9 1 0 一 ra i n f N m) t o 4 4 7 1 0 一 n l l n f N m) , r e s p e c t i v e l y Mo r e o v e r , t h e f r i c t i o
16、 n c o e ffic i e n t a nd s p e c i fi c we a r r a t e O f AI , O1 c o a t i n g s u n d e r d r y c o n d i t i o n are l o we r t h a n t h o s e un d e r wa t e r l u b r i c a t e d c o n d i t i o n ,wh i c h ind i c a t e s t h a t wa t e r 1 u b r i c a t i o n a v a i l a b l y i mp r o v
17、e s the f r i c t i o n C O nd i t i o n an d d e c r e a s e s the we ar l o s s o f A1 2 03 c o a t i n g s Ke y wo r d s : A1 a l l o y; mi c r o a r c o x i d a t i o n ; l u b r i c a t i o n ; f r i c t i o n ; we a r 铝合金由于具有密度小、比强度高及易于切削加 工等优异性能, 已被广泛应用于航空航天 、汽车 、电 子电气等工业领域。但是,作为摩擦学材料,铝合金 存在表
18、面硬度低、摩擦因数高、耐磨性和耐蚀性差、 容易拉伤和难以润滑等缺点 1 - 2 。 微弧氧化技术不但能 在铝合金表面原位 生成 一层硬度高 、耐磨耐蚀、耐高 压绝缘和高温冲击等优异性能的氧化铝陶瓷薄膜【 】 , 而且它还能将铝合金的金属性能和氧化铝的陶瓷性能 有机地结合在一起, 这有效地克服了铝合金表面质软、 硬度低、易磨损和在介质中易腐蚀的缺陷【4 J ,从而拓 宽铝合金的应用领域,延长铝合金制件的使用寿命。 尽管铝合 金微弧氧化 陶瓷膜具有 如此 多的优 异性 能, 但是它在干摩擦条件下显示出较高的摩擦因数( 0 6 4 0 6 8 ,0 6 8 0 8 6 对偶件分别为轴承钢和碳化钨球
19、J 1 , 易使对偶件产生磨损而失效。因而,寻找一种适合氧 化铝陶瓷膜的润滑介质尤为重要。水润滑介质因其对 环境无污染、来源广泛、价格低廉,节省能源和使用 安全等一系列优点, 满足了人们 日益强烈的环保要求, 因而应用领域广泛【 6 】 ,如在切削、磨削、拉拔、轧制 、 液压传动和陶瓷轴承等方面得到了实际的应用 _” 。目 前,关于铝合金微弧氧化陶瓷膜在水润滑下的摩擦学 性能尚未见报道 。因此,本文作者研究 A 1 O3 薄膜 s i N 4 球在水润滑下的摩擦学性能,并与干摩擦下的 摩擦学性能进行对比分析。 1 实验 1 1 A l 2 03 薄膜的制备 样品材料为 2 A1 2 铝合金,其
20、组成( 质量分数,) 为:C u 3 8 4 9 ;Mg 1 2 - 1 8 ;Mn 0 3 - 0 9 ;F e 0 5 ; S i 0 5 ;余量为 A l 。样品被加工成尺寸为 d 3 0 to n i f 6 i n l n的圆盘,经表面清洗、去离子水漂洗后,进行 微弧氧化处理。微弧氧化是在西安理工大学 自行研制 的 MA O7 5 0 3 0 一 I I 设备中进行,该设备使用直流脉冲 电源, 最大输出电压为7 5 0 V, 最大输出电流为3 0 A 【 8 】 。 电解液为去离子水配制的磷酸盐体系碱性溶液( 1 0 e e L ( N a P O 3 ) 6 , 8 g L N a
21、 2 S i O 3 , 2 g L Na O H, 及一定量的添 加剂1 , 微弧氧化过程中通过循环冷却系统维持电解液 温度 3 0 5 0,处理时间 3 0 mi n ,所制取氧化膜为黑 色。微弧氧化处理过的样品,用 自来水冲洗干净后, 使用烘箱低温烘干。烘干后的样品统一用 S i C砂纸打 磨抛光至表面粗糙度为 0 6 0 8“ m,接着在丙酮中超 声清洗 2 0 mi n 。 1 2 A G O 薄膜的相构成、膜厚及显微硬度 用 D8 一 A d v a n c e X射线衍射仪分析薄膜的相组成, 扫射角度 1 0 。 1 l 0 。 , 使用 C u靶材。 用 MI NI T E S
22、 T 1 1 0 0 涡流测厚仪测量打磨抛光前后的 A1 O 3 薄膜的厚度。 用 H X D一 1 0 0 0 T M 自动转塔显微硬度计测量 Al 2 O 3 薄 膜的显微硬度 ,载荷 4 9 N,保压 时间 1 0 S , 测量 3 次 取平均值 。 1 3 A l 2 03 薄膜的摩擦磨损实验 用 U MT 一 2型微摩擦磨损试验机研究 A 1 2 O3 薄膜 s i N 球的摩擦磨损特性。 运动方式为球一 盘的圆周运 动,摩擦对偶件为 d4 mm的 s i 3 N 4 陶瓷球,显微硬度 为 H V 3 1 0 0 。 实验参数如下 :当法 向载荷 F = 1 0 N时 , 分别为 0
23、 0 5 、0 1 和 0 1 5 m s ;当 v = 0 1 5 m s 时,法向 载荷( 分别为 5 、7 5和 1 0 N,相应的赫兹接触应力 分别为 1 8 6 9 、2 1 3 9 和 2 3 5 5MP a , 滑行距 离均为 3 0 0 m。在干摩擦实验时,室内温度为 2 5,相对湿度 ( R H ) 3 0 。 在水润滑实验时, 将水滴加到样品摩擦区, 并保证整个摩擦区内的水在整个实验中都能浸没磨球 三分之一以上的体积。用丙酮超声清洗实验后的样品 2 0mi n。 1 4 磨痕的体积测试及微观形貌分析 采用 Mi c r o X A MTM非接触表面三维形貌仪测试薄 膜在不同
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