7075铝合金表面阳极氧化膜的制备及其摩擦学性能的研究

摘要

阳极氧化是铝合金最常用的表面防护技术之一，能够有效地提高铝合金的耐磨性以及耐腐蚀性能。本文以7075铝合金为基底，研究了硫酸浓度、电流密度以及氧化时间等阳极氧化工艺参数对7075铝合金氧化膜的硬度、耐磨性以及耐腐蚀性能的影响，考查了阳极氧化膜在3.5%NaCl溶液和PAO6基础油润滑条件下的摩擦学性能，同时研究了阳极氧化膜表面涂覆聚四氟乙烯（PTFE）及超高分子量聚乙烯（PE）涂层的摩擦学性能。 （1）随着电流密度的增加，铝合金表面阳极氧化膜的硬度降低，当电流密度大于4A/dm2时，氧化膜表面出现微孔和裂纹等缺陷，氧化膜硬度甚至低于7075铝合金基底的硬度；随着硫酸浓度的增加氧化膜的硬度也随之增加，当硫酸浓度为9 wt%时，阳极氧化膜的耐磨性最佳，但摩擦系数较高；随着氧化时间的增加，阳极氧化膜的硬度降低，耐磨性能下降。经过综合分析，当硫酸浓度为9wt%、电流密度为2A/dm2、氧化时间为30min时，此时铝合金表面阳极氧化膜均匀致密，其硬度达到319.7HV，相比于7075铝合金提升了63%。 （2）经过阳极氧化处理的7075铝合金，在3.5%NaCl溶液润滑介质条件下，表现出优异的耐腐蚀性能。相较于未处理的铝合金，阳极氧化膜在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电位正向移动，自腐蚀电流降低了2个数量级。无论是在轻载和重载的实验条件下，7075铝合金在3.5%NaCl溶液中磨损机制都以腐蚀磨损和磨粒磨损为主，而其摩擦系数出现较大波动现象。而经过阳极氧化处理的7075铝合金，在轻载时阳极氧化膜并没有明显的磨损出现，只是在重载时磨痕处有犁沟出现，但依然没有剥落以及点蚀的现象，其磨损机制以轻微磨粒磨损为主，说明阳极氧化处理明显改善7075铝合金在3.5%NaCl溶液中的腐蚀磨损性能。 （3）在PAO6润滑下，轻载工况时，未处理的7075铝合金磨痕处有少量的犁沟存在，说明其磨损机制以轻微磨粒磨损为主，而阳极氧化膜几乎没有观察到磨损；在重载工况时，未处理的7075铝合金磨痕处有大量的剥落与磨粒存在，其磨损机制以磨粒磨损为主。而阳极氧化膜只有在低速时，其磨痕处才有少量的犁沟出现，磨损机制以轻微磨粒磨损为主。阳极氧化膜的摩擦系数始终明显低于相应实验条件下未处理的7075铝合金，PAO6基础油与阳极氧化膜的接触角由15°降低到3°，说明阳极氧化膜能改善7075铝合金的润湿性能。 （4）采用提拉法在7075铝合金表面阳极氧化膜涂覆PTFE以及PE制备得到了Al2O3-PTFE和Al2O3-PE复合涂层。实验中发现，PTFE与PE均可均匀涂覆在阳极氧化膜表面，其中Al2O3-PTFE复合涂层的摩擦系数可低至0.09左右，相比于未处理的铝合金降低了约82%，并且阳极氧化膜耐腐蚀性也有所改善，自腐蚀电流降低1个数量级；Al2O3-PE复合涂层在较小的赫兹应力下摩擦系数也有所降低，且其自腐蚀电流降低了2个数量级。

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摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1前言

1.2 铝及铝合金

1.2.1 铝及铝合金的特点

1.2.2 铝及铝合金的应用

1.2.3 铝及铝合金的表面处理技术

1.3阳极氧化技术

1.3.1 阳极氧化机理

1.3.2 阳极氧化膜的结构特点

1.3.3 阳极氧化分类

1.3.4 影响阳极氧化膜性能的因素

1.4 本论文研究背景与主要内容

2.1 前言

2.2 实验样品基底的预处理

2.2.1 7075铝合金表面预处理

2.2.2 阳极氧化制备原理

2.3 研究方法

2.3.1 阳极氧化电解液配置

2.3.2 阳极氧化膜的制备

2.3.3 摩擦磨损实验

2.4实验药品与仪器

2.5实验表征设备

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料

3.2.2 薄膜的制备

3.2.3 阳极氧化膜的表征方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 硫酸浓度的影响

3.3.2 电流密度的影响

3.3.3 氧化时间的影响

3.3.4 阳极氧化膜厚度以及物相组成分析

3.4 本章小结

第4章 7075铝合金阳极氧化膜在液体润滑条件下的摩擦学性能

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 阳极氧化膜的制备

4.2.2 摩擦学性能实验

4.2.3 微观结构与磨损表面表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 在3.5%NaCl溶液中的腐蚀磨损特性

4.3.2 PAO6润滑条件下的摩擦学性能

4 本章小结

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 实验材料

5.2.1 薄膜的制备

5.2.3 薄膜的表征

5.3 结果与讨论

5.3.1 Al2O3-PTFE复合涂层

5.3.1.1 表面表征

5.3.1.2 摩擦学性能

5.3.1.3 耐蚀性能

5.3.2 Al2O3-PE复合涂层的摩擦学性能

5.3.2.1 表面表征

5.3.2.2 摩擦学性能

5.3.1.3 耐蚀性能