用Al-,2-O-,3--TiN雙聯(lián)沉積工藝改善鋁合金在重載條件下的摩擦性能.pdf

1、本研究擬通過雙聯(lián)沉積工藝改善鋁合金在重載荷條件下的耐磨性能，即采用MPO/PVD雙聯(lián)沉積技術(shù)在鋁合金表面獲得Al2O3/TiN復(fù)合膜層，研究得到以下結(jié)論： 1、采用MPO/PVD雙聯(lián)沉積技術(shù)獲得Al2O3/TiN復(fù)合膜層在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上是可性的。在技術(shù)上，用MPO工藝沉積所得Al2O3膜層硬而厚，可提高基體表面承載能力，用PVD技術(shù)沉積所得TiN膜層硬而薄，摩擦系數(shù)低，兩者性能互補(bǔ)。在經(jīng)濟(jì)上，MPO成本較低，而PVD工藝的應(yīng)用亦

2、已趨成熟。 2、本研究獲得了用MPO工藝制備Al2O3膜層的電解質(zhì)優(yōu)化配方及最佳工藝參數(shù)，其優(yōu)化配方為：KH2PO4 10g/l, H3PO4 4ml/l, (NH3)2Mo7O24 6 g/l, Na2CO3 5 g/l；最佳工藝參數(shù)：電源：交流電源，電流密度 5A/dm2, 終極電壓 340V，頻率 300Hz，氧化時間 65min。在此工藝條件下，可獲得厚度為135μm的氧化膜，而且膜層不會出現(xiàn)燒蝕。 3、研

3、究表明，電解液成分、電流密度、終極電壓、頻率以及氧化時間等處理參數(shù)對膜層的厚度、硬度和顯微結(jié)果有顯著影響，在處理參數(shù)達(dá)到臨界值之前，膜層厚度和硬度隨著處理參數(shù)的增加而增加；當(dāng)處理參數(shù)超過臨界值時，隨著氧化時間的延長，膜層的生長速度減慢，膜層孔隙率增加，硬度下降；隨著電參數(shù)的增加，膜層表面會出現(xiàn)燒蝕、熱裂等缺陷，使膜層硬度降低，從而導(dǎo)致膜層失效。 4、研究發(fā)現(xiàn)，在含磷電解質(zhì)中獲得的Al2O3膜層有較高的電導(dǎo)率，而在PVD過程中采

4、用高頻直流脈沖電源（用于提供偏置電壓）可避免在MPO膜層上進(jìn)行TiN物理氣相沉積過程中產(chǎn)生放電，消除其對基體的損害。 5、本研究探索了Al2O3膜層厚度、膜層中微孔分布均勻性以及孔隙率對膜層性能的影響關(guān)系，發(fā)現(xiàn)： l隨著MPO氧化膜厚度的增加，其所能承受的載荷亦增大，膜層的結(jié)合力、耐磨性和硬度等性能均得到改善。 2當(dāng)膜層上微孔的分布隨著膜層厚度的增加變的不均勻時，膜層硬度隨著厚度的增加反而略有降低，其承受載

5、荷能力和耐磨性能的提高亦明顯減慢。 3當(dāng)膜層孔隙率隨著膜層厚度的增加而增加時，會影響膜層硬度、載荷承受能力及其耐磨性能的提高，但影響較小。 6、對PVD法沉積所得單層TiN膜層的研究發(fā)現(xiàn)： lXRD和SEM檢測結(jié)果表明，TiN膜層主要由立方相TiN組成，其顯微結(jié)構(gòu)為致密柱狀結(jié)構(gòu)。 2通過對復(fù)合膜層檢測結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)：當(dāng)偏置電壓為-10V，氣壓為1Pa時，所獲得的Al2O3/ TiN（220）復(fù)合膜

6、層的硬度最低。當(dāng)偏置電壓為-80V，氣壓為0.5Pa時，所獲得的Al2O3/ TiN（111）復(fù)合膜層的硬度最高，耐磨性能最佳。這是由不同處理參數(shù)對TiN膜層性能的影響引起的。 3復(fù)合膜層具有很高硬度和耐磨性能，而且其載荷承受能力和耐磨性能均比TiN單層膜和鋁合金基體有顯著提高。 7、復(fù)合膜層耐磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，在重載荷條件下復(fù)合膜層的耐磨性明顯優(yōu)于單層TiN膜層，也優(yōu)于Al2O3陶瓷膜，在干摩擦和潤滑摩擦條件下均

7、是如此： l隨著MPO氧化膜厚度的增加，其對TiN膜層的支撐作用加強(qiáng)，在實(shí)驗(yàn)條件下，厚度為135μm的MPO底層氧化膜對TiN膜層的支撐作用最為明顯，可避免其在重載荷下產(chǎn)生變形和失效，提高其結(jié)合力和硬度；同時，復(fù)合膜層可提高氧化鋁膜層的耐磨性能，提高其在重載荷條件下的載荷承受能力。此外，在重載荷摩擦條件下，對厚MPO底層氧化膜的選擇要考慮其孔隙率的影響，盡量減小微孔對復(fù)合膜層載荷承受能力的影響。 2在干摩擦條件下，復(fù)

8、合膜層的摩擦系數(shù)為0.21～0.23，比MPO氧化膜的摩擦系數(shù)（0.67～0.70）有顯著降低。同時與TiN膜層相比，復(fù)合膜層的耐磨性能和載荷承受能力均有顯著提高：在載荷為300N，摩擦速度為0.36m/s的條件下，其使用壽命從100～160m提高到2688m，磨損量從189～210g降低到12g；在載荷為800N，摩擦速度為0.72m/s條件下，其使用壽命為1019m，磨損量為26g。通過劃痕試驗(yàn)檢測，復(fù)合膜層的臨界載荷Lc為80N，

9、較TiN膜層的臨界載荷Lc（14～17N）有顯著提高。 3在潤滑摩擦條件下復(fù)合膜層的載荷承受能力和磨損量均較干摩擦有顯著改善。而且，因?yàn)樵谀游⒖變?nèi)滲入了潤滑油，膜層的摩擦系數(shù)僅為0.004，比在干摩擦條件下的摩擦系數(shù)（0.21～0.23）有顯著降低，減少了膜層的磨損。 4針盤磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合膜層的磨損率和摩擦性能均比TiN膜層有顯著改善。 7.2 展望 在以后的復(fù)合膜層研究工作中，還有大量工

10、作有待完成： 1、研究改進(jìn)型交流電源和非平衡交流電源對MPO膜層性能的影響，研究其對復(fù)合膜層力學(xué)性能和耐磨性能的影響。 2、研究交流電流中負(fù)半周期電流對鋁合金微等離子體氧化膜層孔隙率以及載荷承受能力的影響。 3、研究TiN沉積處理參數(shù)，如N2氣體流速、靶材上通過的電流等，對復(fù)合膜層性能的影響。 4、研究比較劃痕試驗(yàn)和耐磨試驗(yàn)的檢測結(jié)果，并進(jìn)行其它摩擦檢驗(yàn)，如沖擊試驗(yàn)，以對復(fù)合膜層性能進(jìn)行更加深入的