磁流变抛光轮表面的微弧氧化处理及其摩擦性能研究

摘要

磁流变抛光是一种先进的超精密光学技术，被誉为光学制造界的革命性技术。但在磁流变抛光过程中，磁流变抛光轮耐磨性较差，在磁流变液回收装置处其表面极易被磨损，严重影响了磁流变抛光的精度。微弧氧化技术是近年来兴起的一种新型表面处理技术，可在铝等金属及合金表面原位生长一层陶瓷质的氧化物膜层，该膜层硬度高，与基体结合力好，极大的提高了基体的耐磨性能。
　　本文以LY12型铝制抛光轮为研究材料，采用微弧氧化技术分别在恒压和恒流两种模式下进行改性处理，通过正交试验法优化两种模式的最佳工艺参数，并在磁流变液中考查基体和两种模式最佳参数制备的陶瓷膜的耐磨性能。摩擦性能测试条件为转速560 r/min，摩擦半径2 mm，摩擦副为GCr15号轴承钢小球。
　　在恒压模式条件下，以硅酸钠、NaOH和 NaF为考虑因素设计了三因素三水平的正交试验。由于试验中各实验的起弧电压相差过大，无法规定一个恒定的电压值，因此在每个实验的起弧电压基础上升高相同电压，综合考查每个实验制备的膜层显微组织和在干摩擦环境的耐磨性能，结果表明：恒压的膜层粗糙度低、孔隙率高、孔径小，在2.5 N载荷下厚度越大、包含更多α-Al2O3强化相的膜耐磨性越好，相比于铝基体膜层的磨损量较低，但在5N载荷下膜层均表现磨损失效。
　　在恒流模式条件下，以硅酸钠、KOH和正相电流密度为考虑因素设计了三因素三水平的正交试验，以膜厚和磨损量为指标值进行工艺优化，得到的最佳实验方案为Na2SiO35 g/L、KOH0.5 g/L、正相电流密度10 A/dm2。以最佳实验方案为基础，研究单个因素对膜层显微组织结构和在干摩擦环境中耐磨性能的影响，结果表明：三个因素的升高均使得膜层厚度增加，但也导致膜层表面粗糙度上升，裂纹增多，摩擦系数和磨损量均增大。在5N载荷下，相比于铝基体，恒流微弧氧化膜层的磨损量明显降低，均未表现磨损失效。
　　分别在磁流变液中5N载荷下测试铝制抛光轮以及恒压和恒流最佳工艺参数制备的微弧氧化陶瓷膜的耐磨性能，结果表明：磁流变液具有润滑的作用，三者摩擦系数均降低，但磁流变液中包含大量的磁性颗粒对膜层产生了一定的磨粒磨损，导致膜层磨损量增加。恒压膜在摩擦12 min后表现磨损失效，而恒流膜表现了更优异的耐磨性能。相比于铝基体，恒流膜的磨损量减少了一个数量级，并且随着摩擦时间的延长，铝基体磨损量线性增加，而恒流膜磨损量呈缓慢上升趋势。

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第一章 绪 论

1.1 磁流变抛光简介

1.2 磁流变抛光轮表面处理

1.3 微弧氧化工艺

1.4 选题依据及研究内容

第二章 实验材料、设备和方法

2.1 实验材料及制备

2.2 实验设备

2.3 实验体系的确定

2.4 实验方案及技术路线

2.5 分析测试仪器

第三章 恒压模式下磁流变抛光轮的微弧氧化工艺研究

3.1 引言

3.2 恒压模式正交试验方案设计

3.3 恒压模式制备的膜层显微组织及结构分析

3.4 恒压模式制备的膜层耐磨性分析

3.5 本章小结

第四章 恒流模式下磁流变抛光轮的微弧氧化工艺研究

4.1 引言

4.2 恒流模式正交试验设计

4.3 恒流模式正交试验结果分析

4.4 单个因素对膜层显微组织及耐磨性能的影响

4.5 本章小结

第五章 磁流变抛光轮在磁流变液中的摩擦性能研究

5.1 引言

5.2 三种样品在磁流变液中的摩擦性能

5.3 摩擦时间对铝制抛光轮和恒流MAO膜层磨损的影响

5.4 微弧氧化陶瓷膜在不同环境中的磨损机制探讨

5.5 本章小结

第六章 结 论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果