·1352 工程科学学报，第37卷，第10期 行单独调节.微弧氧化电解液采用去离子水进行配制 s、载荷4.5N时情况相似，分别达到最大值0.7和 (电解质为Na,SiO,、(NaPO,)。、Na,WO,和NaOH).微 0.59之后突然降低，并且摩擦系数的波动幅度显著增 弧氧化处理过程中，将铝合金基体或表面机械研磨处 大，表明在这两种载荷作用下，微弧氧化涂层都已经被 理铝合金试样置于电解槽中作为阳极：设定实验脉冲 钢球磨穿.图3(c)为对磨速度0.15ms、载荷4.5N 工艺参数为频率600Hz,占空比10%，电压600V:氧化 的条件下微弧氧化涂层与GCl5钢球对磨时摩擦系数 时间25min.在铝合金基体和表面机械研磨处理铝合 随时间变化曲线.由图可见：载荷为1.5N时，摩擦系 金表面分别制备出厚度为10m的陶瓷涂层.铝合金 数由最初的0.15迅速增加到最大值，在接下来的时间 表面微弧氧化涂层及纳米化一微弧氧化复合涂层的微 里稳定在0.55~0.6左右，在整个测试过程中摩擦系 观组织结构分析结果参考文献20-21]，本文不再重 数没有出现大幅度降低的现象，表明涂层没有被钢球 复阐述 磨穿；载荷为3N时，与对磨速度为0.1ms时相似， 1.3摩擦学性能测试 摩擦系数达到最大值稳定很短时间后即开始减小并伴 使用兰州中科凯华科技开发有限公司生产的 有大幅度的波动：载荷为4.5N时，测试进行7.5min HT-H1000型球一盘式摩擦磨损试验机进行摩擦学性能 后摩擦系数由初始的0.13增大为0.48，然后摩擦系数 测试.进行摩擦学性能测试的试样尺寸为l0m× 出现大幅度波动，表明涂层在此条件下很快被磨穿 10mm×3mm,摩擦副为直径5mm的GCrl5钢球，硬度 2.1.2纳米化一微弧氧化复合涂层 60HRC(换算成显微硬度约为HV700).摩擦测试在 图4为干摩擦条件下纳米化一微弧氧化复合涂层 干摩擦条件下进行，法向载荷分别为1.5、3和4.5N, 在不同实验参数下与GC15钢球对磨时摩擦系数随时 对磨速度分别为0.1、0.2和0.3ms1.实验过程中由 间变化曲线.对磨速度为0.05m·s时，如图4(a)所 计算机实时采集被测材料的摩擦系数，摩擦实验结束 示，在三种法向载荷下复合涂层与钢球对磨的摩擦系 后分别利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪 数随时间变化曲线呈现出相似的规律性：随着对磨时 观察试样磨损形貌和分析磨痕，并分析摩擦磨损机理 间的增加摩擦系数逐渐增大，当增大到最大值时保持 稳定到测试结束.载荷为1.5N时摩擦系数由0.15增 2 结果与讨论 加到测试结束时的0.70，载荷为3N时摩擦系数由 0.15增加到0.69，载荷增大为4.5N时摩擦系数的最 2.1摩擦系数 大值有所降低，为0.57.同时可以发现在对磨速度为 2.1.1微弧氧化涂层 0.05ms的条件下，三种法向载荷下的复合涂层在 图3为微弧氧化涂层在不同实验参数下与GCl5 整个测试过程中都没有出现涂层被磨穿的现象，根据 钢球对磨过程中摩擦系数随时间的变化曲线.如 2.1.1节的讨论可知，微弧氧化涂层在对磨速度 图3(a)所示：对磨速度为0.05ms时，在载荷1.5N 0.05ms1、法向载荷4.5N的条件下与钢球对磨 的条件下，摩擦系数在摩擦测试的大部分时间内稳定 l5min涂层即被钢球磨穿，可见与微弧氧化涂层相比， 在0.2左右，涂层表现出较好的减摩特性，对磨16min 复合涂层具有较好的抗磨性. 后摩擦系数开始明显增大，直至测试结束增加至最大 如图4(b)所示：对磨速度增大到0.1m·s,载荷 值0.6；载荷增大为3N时，涂层与钢球对磨时的摩擦 为1.5N的条件下，摩擦系数随测试时间的增加逐渐 系数仅在0.2左右维持5min就开始显著增大，l5min 增大，由摩擦测试初期的0.15增加到摩擦测试结束时 后由最初的0.15增加到最大值0.63，之后摩擦系数稳 的0.65：载荷增大为3N时，摩擦系数在初期由0.15 定在最大值到测试结束：载荷增大到4.5N时，摩擦系 迅速增大至0.65，然后在接下来的对磨时间里保持缓 数前期的变化趋势与载荷为3N时相似，测试进行到 慢的上升趋势，到摩擦测试结束时摩擦系数增加到 13min时摩擦系数达到最大值，但仅稳定2min后摩擦 0.75:当载荷增大到4.5N时，摩擦测试初期摩擦系数 系数突然降低并伴随大幅度的波动，随后摩擦系数降 由0.15逐渐增加到0.6，而后摩擦系数快速下降，表明 低到0.4左右，表明在此测试条件下涂层被钢球磨穿， 复合涂层被磨穿.可见纳米化一微弧氧化复合涂层与 对磨钢球直接与基体铝合金接触发生摩擦导致摩擦系 GCrl5钢球在0.1ms的对磨速度条件下对磨时，仅 数的突变 在载荷为4.5N的情况下涂层失效，而微弧氧化涂层 如图3(b)所示：当对磨速度增大为0.1m·s时， 在载荷为3N和4.5N的情况下与钢球对磨6min后都 载荷为1.5N的条件下摩擦系数逐渐增大到最大值 被磨穿，说明在该对磨速度下，复合涂层比微弧氧化涂 0.65后保持稳定状态到测试结束，测试过程中没有出 层具有更加优异的抗磨性能 现涂层被磨穿的现象：载荷增大到3N和4.5N时，摩 当对磨速度增加到0.15m·s时，如图4(c)所 擦系数随测试时间的变化规律与对磨速度0.05m· 示，载荷为1.5N的条件下，纳米化-微弧氧化复合涂工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 行单独调节． 微弧氧化电解液采用去离子水进行配制 ( 电解质为 Na2 SiO3、( NaPO3 ) 6、Na2 WO4和 NaOH) ． 微 弧氧化处理过程中，将铝合金基体或表面机械研磨处 理铝合金试样置于电解槽中作为阳极; 设定实验脉冲 工艺参数为频率 600 Hz，占空比 10% ，电压 600 V; 氧化 时间 25 min． 在铝合金基体和表面机械研磨处理铝合 金表面分别制备出厚度为 10 μm 的陶瓷涂层． 铝合金 表面微弧氧化涂层及纳米化--微弧氧化复合涂层的微 观组织结构分析结果参考文献［20--21］，本文不再重 复阐述． 1. 3 摩擦学性能测试 使用兰州中科凯华科技开 发 有 限 公 司 生 产 的 HT--1000 型球--盘式摩擦磨损试验机进行摩擦学性能 测试． 进行摩擦学性能测试的试样尺寸为10 mm × 10 mm × 3 mm，摩擦副为直径 5 mm 的 GCr15 钢球，硬度 60 HＲC ( 换算成显微硬度约为 HV 700) ． 摩擦测试在 干摩擦条件下进行，法向载荷分别为 1. 5、3 和 4. 5 N， 对磨速度分别为 0. 1、0. 2 和 0. 3 m·s － 1 ． 实验过程中由 计算机实时采集被测材料的摩擦系数，摩擦实验结束 后分别利用扫描电子显微镜和 X 射线光电子能谱仪 观察试样磨损形貌和分析磨痕，并分析摩擦磨损机理． 2 结果与讨论 2. 1 摩擦系数 2. 1. 1 微弧氧化涂层 图 3 为微弧氧化涂层在不同实验参数下与 GCr15 钢球对 磨 过 程 中 摩 擦 系 数 随 时 间 的 变 化 曲 线． 如 图 3( a) 所示: 对磨速度为 0. 05 m·s － 1 时，在载荷 1. 5 N 的条件下，摩擦系数在摩擦测试的大部分时间内稳定 在 0. 2 左右，涂层表现出较好的减摩特性，对磨 16 min 后摩擦系数开始明显增大，直至测试结束增加至最大 值 0. 6; 载荷增大为 3 N 时，涂层与钢球对磨时的摩擦 系数仅在 0. 2 左右维持 5 min 就开始显著增大，15 min 后由最初的0. 15 增加到最大值0. 63，之后摩擦系数稳 定在最大值到测试结束; 载荷增大到 4. 5 N 时，摩擦系 数前期的变化趋势与载荷为 3 N 时相似，测试进行到 13 min 时摩擦系数达到最大值，但仅稳定 2 min 后摩擦 系数突然降低并伴随大幅度的波动，随后摩擦系数降 低到 0. 4 左右，表明在此测试条件下涂层被钢球磨穿， 对磨钢球直接与基体铝合金接触发生摩擦导致摩擦系 数的突变． 如图 3( b) 所示: 当对磨速度增大为 0. 1 m·s － 1 时， 载荷为 1. 5 N 的条件下摩擦系数逐渐增大到最大值 0. 65 后保持稳定状态到测试结束，测试过程中没有出 现涂层被磨穿的现象; 载荷增大到 3 N 和 4. 5 N 时，摩 擦系数随测试时间的变化规律与对磨速度 0. 05 m· s － 1 、载荷 4. 5 N 时情况相似，分别达到最大值 0. 7 和 0. 59 之后突然降低，并且摩擦系数的波动幅度显著增 大，表明在这两种载荷作用下，微弧氧化涂层都已经被 钢球磨穿． 图 3( c) 为对磨速度 0. 15 m·s － 1 、载荷 4. 5 N 的条件下微弧氧化涂层与 GCr15 钢球对磨时摩擦系数 随时间变化曲线． 由图可见: 载荷为 1. 5 N 时，摩擦系 数由最初的 0. 15 迅速增加到最大值，在接下来的时间 里稳定在 0. 55 ～ 0. 6 左右，在整个测试过程中摩擦系 数没有出现大幅度降低的现象，表明涂层没有被钢球 磨穿; 载荷为 3 N 时，与对磨速度为 0. 1 m·s － 1 时相似， 摩擦系数达到最大值稳定很短时间后即开始减小并伴 有大幅度的波动; 载荷为 4. 5 N 时，测试进行 7. 5 min 后摩擦系数由初始的0. 13 增大为0. 48，然后摩擦系数 出现大幅度波动，表明涂层在此条件下很快被磨穿． 2. 1. 2 纳米化--微弧氧化复合涂层 图 4 为干摩擦条件下纳米化--微弧氧化复合涂层 在不同实验参数下与 GCr15 钢球对磨时摩擦系数随时 间变化曲线． 对磨速度为 0. 05 m·s － 1 时，如图 4( a) 所 示，在三种法向载荷下复合涂层与钢球对磨的摩擦系 数随时间变化曲线呈现出相似的规律性: 随着对磨时 间的增加摩擦系数逐渐增大，当增大到最大值时保持 稳定到测试结束． 载荷为 1. 5 N 时摩擦系数由 0. 15 增 加到测试结束时的 0. 70，载荷为 3 N 时摩擦系数由 0. 15 增加到 0. 69，载荷增大为 4. 5 N 时摩擦系数的最 大值有所降低，为 0. 57． 同时可以发现在对磨速度为 0. 05 m·s － 1 的条件下，三种法向载荷下的复合涂层在 整个测试过程中都没有出现涂层被磨穿的现象，根据 2. 1. 1 节 的 讨 论 可 知，微弧氧化涂层在 对磨速度 0. 05 m·s － 1 、法 向 载 荷 4. 5 N 的 条 件 下 与 钢 球 对 磨 15 min涂层即被钢球磨穿，可见与微弧氧化涂层相比， 复合涂层具有较好的抗磨性． 如图 4( b) 所示: 对磨速度增大到 0. 1 m·s － 1 ，载荷 为 1. 5 N 的条件下，摩擦系数随测试时间的增加逐渐 增大，由摩擦测试初期的 0. 15 增加到摩擦测试结束时 的 0. 65; 载荷增大为 3 N 时，摩擦系数在初期由 0. 15 迅速增大至 0. 65，然后在接下来的对磨时间里保持缓 慢的上升趋势，到摩擦测试结束时摩擦系数增加到 0. 75; 当载荷增大到 4. 5 N 时，摩擦测试初期摩擦系数 由0. 15 逐渐增加到0. 6，而后摩擦系数快速下降，表明 复合涂层被磨穿． 可见纳米化--微弧氧化复合涂层与 GCr15 钢球在 0. 1 m·s － 1 的对磨速度条件下对磨时，仅 在载荷为 4. 5 N 的情况下涂层失效，而微弧氧化涂层 在载荷为 3 N 和 4. 5 N 的情况下与钢球对磨 6 min 后都 被磨穿，说明在该对磨速度下，复合涂层比微弧氧化涂 层具有更加优异的抗磨性能． 当对磨速度增加到 0. 15 m·s － 1 时，如图 4 ( c) 所 示，载荷为 1. 5 N 的条件下，纳米化--微弧氧化复合涂 ·1352·