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《桂林电子科技大学》 2010年 硕士论文
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铝合金微弧氧化陶瓷膜的形成机制及摩擦学特性

高成  
【摘要】: 为了提高铝合金表面的耐磨损性能,以延长铝基零部件的使用寿命,在硅酸盐体系电解液中对铝合金进行微弧氧化处理,使铝合金表面原位生成一层陶瓷膜。采用SEM、XRD、EDS分析了陶瓷膜的显微结构、相组成和相成分,系统研究了陶瓷膜在砂纸摩擦环境下的耐磨损性能。主要研究内容和结论如下: ㈠Al_2O_3陶瓷膜 ⑴电控参数的变化决定了脉冲瞬时放电能量的增减趋势,进而影响到陶瓷膜生长速率的快慢。 ⑵陶瓷膜厚度超过30 m时开始出现分层,致密层比率超过35%,最高可达86%,随陶瓷膜厚度的增加,致密层和疏松层的厚度均增加,但两者的比率减小。 ⑶陶瓷膜微观表面呈富孔结构,放电微孔直径从几百nm到十几m不等,周围有圆饼状的氧化物冷凝痕迹;高能量放电时,大量熔融氧化物溅射至表面形成颗粒微团。 ⑷制得的陶瓷膜含有3Al_2O_3·2SiO_2(莫来石)、α-Al_2O_3和γ-Al_2O_3三种主相,其中莫来石是电解液与熔融氧化铝烧结作用的产物,部分γ-Al_2O_3在高温下不可逆地转化为α-Al_2O_3,由基体指向表面方向,α-Al_2O_3含量逐渐减少,γ-Al_2O_3含量逐渐增加。 ⑸较高的负电压有利于电泳消除正脉冲周期时吸附于陶瓷膜表面的硅酸胶体,使陶瓷膜表面致密平整。 ⑹经60 min恒流氧化,陶瓷膜表面粗糙度Ra不超过6.8 m。 ⑺陶瓷膜表面硬度分散,超过800 HV,最高可达1600 HV左右,过薄和过厚的陶瓷膜都不具有高硬度。 ⑻得出较优的电控参数体系为:恒流氧化模式——正电流密度12 A/dm~2~15 A/dm~2、负电流密度4 A/dm~2~5 A/dm~2、脉冲频率500 Hz~600 Hz、脉冲占空比0.15~0.20、氧化时间45 min~75 min;恒压模式下——正电压460 V~520 V、负电压60 V~80 V、脉冲频率500 Hz~600 Hz、脉冲占空比0.15~0.20、氧化时间30 min~60 min。 ⑼研究了一种两阶段控制工艺——30 min恒流(16 A/dm~2)+15 min恒压(510 V),此法既能够使陶瓷膜在中前期具有较高生长速率,又能在后期精修陶瓷膜表面。 ㈡Al_2O_3/TiO_2复合陶瓷膜 首次在电解液中添加TiO_2纳米粉,制得Al_2O_3/TiO_2复合陶瓷膜,与相同电控参数条件下制得的Al_2O_3陶瓷膜相比: ⑴生长速率快16.9%。 ⑵TiO_2纳米粉有利于提高陶瓷膜表面致密性、截面紧实性。 ⑶复合陶瓷膜除了含有α-Al_2O_3、γ-Al_2O_3和莫来石外,还含有少量Al_2TiO_5和锐钛矿相TiO_2。 ⑷显微硬度提高162 HV,TiO_2纳米粉的强化作用明显。 ㈢耐磨损特性 首次在耐水砂纸摩擦环境下对陶瓷膜进行摩擦试验,结果显示: ⑴不论是水润滑摩擦还是干摩擦,陶瓷膜与1 000#耐水砂纸对磨时均显示了优良的耐磨性能,干摩擦时陶瓷膜的耐磨损性能较铝合金基体提高5.3倍,水润滑摩擦时提高94倍。 ⑵Al_2O_3陶瓷膜的疏松层、致密层和Al_2O_3/TiO_2复合陶瓷膜的磨损速度对比近似于4:1:1.86。 ⑶与铝合金相比,摩擦速度和载荷对陶瓷膜磨损率的影响较小。 ⑷不同粗糙程度下的陶瓷膜,初期磨损速度不同,进入稳定摩擦阶段后差别很小。 ⑸Al_2O_3/TiO_2复合陶瓷膜的摩擦系数在0.21~0.22之间,而Al_2O_3陶瓷膜为0.40~0.45之间。


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