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(shí)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(huì)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(shí)間等處理參數(shù)對(duì)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(shí)，隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，膜層的生長(zhǎng)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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，會(huì)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(duì)PVD法沉積所得單層TiN膜層的研究發(fā)現(xiàn)： lXRD和SEM檢測(cè)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(duì)復(fù)合膜層檢測(cè)結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)：當(dāng)偏置電壓為-10V，氣壓為1Pa時(shí)，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(shí)，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(duì)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(rùn)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)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(cè)，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(rùn)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(rùn)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(duì)MPO膜層性能的影響，研究其對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)結(jié)果，并進(jìn)行其它摩擦檢驗(yàn)，如沖擊試驗(yàn)，以對(duì)復(fù)合膜層性能進(jìn)行更加深入的