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《哈尔滨工业大学》 2010年
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镁合金微弧氧化原位生长陶瓷膜及其摩擦行为研究

苏培博  
【摘要】: 镁合金的耐磨性能较差,严重阻碍了其在工程中的应用,因而改善镁合金表面耐磨性能成为亟待解决的问题。本论文采用微弧氧化法在ZK60镁合金表面原位生长具有减摩耐磨作用的陶瓷膜层,以提高镁合金表面的耐磨性能,并研究其在不同环境下的摩擦机制,为ZK60镁合金在工程中的应用提供了技术支撑。 研究了电解液体系、电流密度、频率、占空比和反应时间对镁合金微弧氧化膜层硬度及摩擦性能的影响,通过优化工艺参数实现了所得膜层的构造和设计。以Na_3PO_4为电解液体系,当电流密度为12A/dm~2、频率为500Hz、占空比为15%、反应时间为5min时,所得膜层有最好的耐磨性能,膜层的纳米硬度为4.99GPa,摩擦系数为0.3左右,磨损率为1.27×10~(-5)mm~3/Nm。 研究了NaAlO_2、石墨掺杂以及NaAlO_2与石墨复合掺杂对镁合金微弧氧化膜层的硬度及摩擦性能的影响。结果表明,NaAlO_2掺杂、石墨掺杂以及NaAlO_2与石墨复合掺杂均能够提高膜层的硬度、降低膜层的摩擦系数,进而改善所得膜层的摩擦性能,其中NaAlO_2掺杂膜层的硬度和摩擦性能最好,当NaAlO_2掺杂浓度为4g/L时,膜层的纳米硬度为6.302Gpa,摩擦系数为0.25,磨损率为0.75×10~(-5)mm~3/Nm。通过对NaAlO_2掺杂膜层的结合力和冷热循环试验研究表明,所得膜层具有较好的结合力和抗冷热循环性能。 利用SEM、XRD、XPS和EDS等分析手段,对掺杂前后所得镁合金微弧氧化膜层表面形貌、相组成、元素成分及价态进行了分析。研究结果表明,所得膜层是由MgO为主晶相,并且表面存在大量分布均匀的微孔。NaAlO_2掺杂使膜层中出现了MgAl_2O_4相,而石墨掺杂通过EDS分析发现膜层中出现了石墨元素。 探讨了NaAlO_2和石墨掺杂所得镁合金微弧氧化膜层在不同机械参数和环境下的磨损机制。结果表明,在常温常压下石墨掺杂体系的膜层的摩擦系数随着载荷的增加而增大,随着滑动速度和磨损时间的增加而减小,随着磨损时间的增加,膜层由粘着磨损变为疲劳磨损;NaAlO_2掺杂体系的膜层的摩擦系数随着载荷及磨损时间的增加而增大,而随着滑动速度的增加而减小,磨损机制主要为粘着磨损。在真空环境下所得膜层的摩擦系数较常压下降低,且磨损较常温常压下更加严重。石墨掺杂膜层主要体现为磨粒磨损和疲劳磨损,NaAlO_2掺杂膜层主要体现为粘着磨损和磨粒磨损。在真空低温环境下,所得膜层的摩擦系数较真空常温环境下的摩擦系数有所升高,石墨掺杂膜层的主要磨损机制为粘着磨损向疲劳磨损的转变,NaAlO_2掺杂膜层的磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损。无论是在大气环境下还是真空环境下,NaAlO_2掺杂微弧氧化膜层抗疲劳磨损的性能都优于石墨掺杂微弧氧化膜层。
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