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AZ31镁合金原位生长耐磨陶瓷膜层研究

作　者: 李庆阳
导　师: 陈振宁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: AZ31镁合金微弧氧化工艺参数掺杂耐磨性能
分类号: TG174.453
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

镁合金是结构材料中最轻的金属,但其硬度和塑性剪切抗力较低,导致其摩擦磨损性能较差,大大限制了其在航空航天及其他领域的应用空间,因此,有必要对镁合金进行表面改性以提高其摩擦磨损性能。本文针对提高镁合金的耐磨性能,利用微弧氧化技术在AZ31镁合金表面原位生长耐磨氧化陶瓷膜,并系统分析了氧化陶瓷膜的结构和摩擦磨损性能及其与电解液体系、工艺参数、掺杂改性剂之间的关系,为AZ31镁合金的推广和使用提供了理论依据。采用XRD、EDS、SEM等测试手段,对氧化膜的相组成、元素组成及其在厚度方向上的分布进行分析,并观察膜层形貌和磨痕形貌;采用表面粗糙度轮廓仪对氧化膜表面粗糙度及磨痕轮廓进行分析;采用纳米压痕测量系统对膜层的表面硬度进行分析;采用球-盘式摩擦磨损试验机对氧化膜的摩擦系数进行分析;并采用往复式摩擦磨损试验机研究膜层的磨损寿命和磨损率。研究表明,最佳电解液体系为:硅酸钠10g/L、氢氧化钠5g/L、钨酸钠1.5g/L、柠檬酸钠1g/L;最佳电参数为:电流密度7A/dm2、频率500Hz、占空比10%、反应时间300s;膜层厚度为14μm;相组成为方镁石MgO和硅镁尖晶石Mg₂SiO₄;纳米硬度为2.56GPa;摩擦系数为0.2329;体积磨损率为9.098×10^-6mm³/Nm。为了进一步提高氧化膜的摩擦磨损性能,研究K₂Cr₂O₇和Na₂B₄O₇掺杂对膜层摩擦磨损性能的影响,结果表明:K2Cr2O7掺杂膜层的耐磨性能较优,掺杂浓度为0.5g/L,制备膜层在底载荷下的摩擦系数为0.2111;高载荷下的体积磨损率为6.746×10^-6mm³/Nm;纳米硬度为3.47GPa,膜层的磨损机制为粘着磨损。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 镁合金表面改性技术及其特点  10-14
    1.2.1 传统镁合金表面改性技术  10-13
    1.2.2 镁合金微弧氧化技术  13-14
  1.3 镁合金微弧氧化陶瓷膜的摩擦学性能  14-17
    1.3.1 微弧氧化陶瓷膜的耐磨特性  14-16
    1.3.2 微弧氧化陶瓷膜表面磨损形式  16-17
  1.4 镁合金微弧氧化陶瓷膜耐磨性能的研究现状  17-18
  1.5 本文的主要研究内容  18-19
第2章实验材料及研究方法  19-25
  2.1 试验材料及化学试剂  19-20
  2.2 实验设备  20-21
    2.2.1 微弧氧化实验装置及流程  20
    2.2.2 微弧氧化电源  20-21
  2.3 实验方法  21-23
    2.3.1 镁合金微弧氧化的前处理  21-22
    2.3.2 镁合金微弧氧化陶瓷膜的制备  22-23
  2.4 测试方法  23-25
    2.4.1 微弧氧化陶瓷膜形貌及组织结构分析方法  23
    2.4.2 微弧氧化陶瓷膜摩擦学性能测试  23-25
第3章 AZ31 镁合金微弧氧化陶瓷膜的制备和表征  25-41
  3.1 微弧氧化电解液体系的筛选及优化  25-30
    3.1.1 硅酸盐体系中各组成物浓度的优化  26-28
    3.1.2 磷酸盐体系中各组成物浓度的优化  28-30
  3.2 磷酸盐体系制备微弧氧化陶瓷膜的表征  30-35
    3.2.1 微弧氧化陶瓷膜表面形貌  30
    3.2.2 微弧氧化陶瓷膜结构及其元素分布  30-32
    3.2.3 微弧氧化陶瓷膜相组成  32
    3.2.4 微弧氧化陶瓷膜摩擦磨损性能  32-35
  3.3 硅酸盐体系制备微弧氧化陶瓷膜的表征  35-40
    3.3.1 微弧氧化陶瓷膜表面形貌  35-36
    3.3.2 微弧氧化陶瓷膜结构及其元素分布  36-37
    3.3.3 微弧氧化陶瓷膜相组成  37
    3.3.4 微弧氧化陶瓷膜摩擦磨损性能  37-40
  3.4 本章小结  40-41
第4章微弧氧化工艺参数对膜层结构和性能的影响  41-65
  4.1 电流密度对膜层结构和性能的影响  41-47
    4.1.1 电流密度对微弧氧化过程电压的影响  41-42
    4.1.2 电流密度对膜层表面形貌的影响  42-43
    4.1.3 电流密度对膜层截面形貌的影响  43-44
    4.1.4 电流密度对膜层相组成的影响  44
    4.1.5 电流密度对膜层摩擦磨损性能的影响  44-47
  4.2 电源频率对膜层结构和性能的影响  47-52
    4.2.1 频率对微弧氧化过程电压的影响  47-48
    4.2.2 频率对膜层表面形貌的影响  48
    4.2.3 频率对膜层截面形貌的影响  48-49
    4.2.4 频率对膜层相组成的影响  49-50
    4.2.5 频率对膜层摩擦磨损性能的影响  50-52
  4.3 电源占空比对膜层结构和性能的影响  52-58
    4.3.1 占空比对微弧氧化过程电压的影响  52-53
    4.3.2 占空比对膜层表面形貌的影响  53-54
    4.3.3 占空比对膜层截面形貌的影响  54-55
    4.3.4 占空比对膜层相组成的影响  55-56
    4.3.5 占空比对膜层摩擦磨损性能的影响  56-58
  4.4 微弧氧化反应时间对膜层结构和性能的影响  58-64
    4.4.1 氧化时间对膜层表面形貌的影响  58-59
    4.4.2 氧化时间对膜层表面轮廓的影响  59-60
    4.4.3 氧化时间对膜层截面形貌的影响  60-61
    4.4.4 氧化时间对膜层相组成的影响  61-62
    4.4.5 氧化时间对膜层摩擦磨损性能的影响  62-64
  4.5 本章小结  64-65
第5章掺杂改性对微弧氧化陶瓷膜性能的影响  65-84
  5.1 微弧氧化陶瓷膜改性剂的筛选  65-66
  5.2 K_2Cr_20_7 掺杂对陶瓷膜结构与性能的影响  66-74
    5.2.1 掺杂对微弧氧化过程电压的影响  66-67
    5.2.2 掺杂对膜层厚度及相组成的影响  67-68
    5.2.3 掺杂对膜层表面形貌及其元素分布的影响  68-69
    5.2.4 掺杂对膜层截面形貌及其元素分布的影响  69-70
    5.2.5 掺杂对膜层摩擦磨损性能的影响  70-74
  5.3 Na_2B_40_7 掺杂对陶瓷膜结构与性能的影响  74-83
    5.3.1 掺杂对微弧氧化过程电压的影响  74-75
    5.3.2 掺杂对膜层厚度及相组成的影响  75-76
    5.3.3 掺杂对膜层表面形貌及其元素分布的影响  76-78
    5.3.4 掺杂对膜层截面形貌及其元素分布的影响  78-79
    5.3.5 掺杂对膜层摩擦磨损性能的影响  79-83
  5.4 本章小结  83-84
结论  84-85
参考文献  85-91
致谢  91

AZ31镁合金原位生长耐磨陶瓷膜层研究

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