中国表面工程

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于占江,蔡倩倩,王星星,许金凯,于化东

中国表面工程. 2016, 29(6): 1-7.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.001

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针对高速微切削过程中微型车刀表面摩擦磨损严重的问题，利用表面非光滑微织构减摩减阻原理，在高速微切削用车刀表面利用激光加工技术制备了微槽、微坑织构，研究了激光加工参数与微织构形貌之间的关系；分析了微织构的摩擦学特性；利用自行研制的高速微车削单元进行微织构刀具及无织构刀具的高速微切削SUS304不锈钢的对比试验，从切削力、切削温度、刀屑接触状态、切屑形态以及已加工表面粗糙度对微织构车刀性能进行评价。结果表明：微槽、微坑织构均可以有效降低刀具表面摩擦因数；在高速微切削过程中可以减小切削力、切削温度，降低刀屑接触长度，改善切屑形态，尤其是微坑织构可明显改善表面质量，可以应用到SUS304不锈钢的高速微加工。

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表面硅颗粒整形对高硅铝合金缸套摩擦磨损性能的影响

李承娣,徐佳子,沈岩,金梅,徐久军

中国表面工程. 2016, 29(6): 8-14.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.002

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研究了一种新型的高硅铝合金缸套表面处理技术，采用橡胶圈+金刚石颗粒的方式研磨缸套表面，这种表面硅颗粒整形技术可以使硅颗粒凸出表面并且边角圆化。整形处理缸套表面2 min，可制备出凸出高度约为1.2 μm，边角轮廓自然圆化过渡的硅颗粒。摩擦磨损试验结果表明，相对于未整形，整形处理后的高硅铝合金缸套的摩擦因数可从0.14降低到0.12，降幅约为14%；磨损量从0.7 mg降低到0.2 mg，降幅约为71%。未整形的硅颗粒表面覆盖一层铝，或与缸套表面保持同一高度。当活塞环与缸套对磨时，铝作为软金属易发生塑性流变，被碾压覆盖到硅颗粒表面上，发生黏着磨损，所以摩擦因数及磨损量较大。而整形后的硅颗粒凸出缸套表面以承担载荷，加强了表面支承力，而且与铝基体共同形成的凹陷处储油，增大润滑效果，同时其边角圆化，避免了应力集中。所以整形技术可以有效地降低高硅铝合金缸套的摩擦因数及磨损量，改善摩擦磨损性能。

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超声强化2D12铝合金疲劳断裂过程的微观分析

回丽,杨林青,王磊,许良,周松

中国表面工程. 2016, 29(6): 15-22.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.003

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采用超声强化工艺对2D12铝合金进行表面处理，借助金相显微镜和扫描电镜，并结合原位跟踪测量裂纹长度的方法，对强化后的疲劳断裂行为进行了研究。结果表明，超声强化后2D12铝合金表面晶粒得到细化，疲劳源主要产生于试样表面，仅个别向内部转移，强化后疲劳寿命提升了约8倍。其原因一方面是强化过程在试样表面引入了残余压应力，由于裂纹扩展过程倾向于连接裂纹扩展路径上的缺陷，所以残余压应力的存在效降低了裂纹在两缺陷间的扩展速率；另一方面晶粒细化导致晶界密度增加，加强了对裂纹扩展的阻碍，从而有益于提高裂纹扩展寿命。

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42CrMo钢等离子氮化和水射流喷丸复合处理

范航京,梁益龙,邹雄,杜霈轩,胡君杰,杨明

中国表面工程. 2016, 29(6): 23-29.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.004

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利用真空脉冲等离子氮化技术，探究等离子氮化处理的最佳工艺参数；而后利用高压水射流喷丸技术研究了氮化前进行水射流喷丸预处理对氮化层的组织和性能的影响。采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等对氮化层的显微组织、形貌、含氮量、相成分进行检测和分析，采用XRD应力测定仪，表面粗糙度仪，显微硬度仪对渗氮层表面完整性进行了分析。结果表明：等离子氮化工艺最佳温度为530~540℃，等离子氮化后表面完整性（表面残余应力，粗糙度，表层硬度梯度，渗层形貌）得到改善。而经过复合处理使γ'相衍射强度增强，氮化层均匀，渗层厚度增加超过100 μm，进一步改善了等离子渗氮层质量和性能。

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GCr15钢气体渗氮+淬火复合处理及干摩擦行为

张国松,崔洪芝,程贵勤

中国表面工程. 2016, 29(6): 30-37.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.005

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用气体渗氮+淬火（N+Q）复合处理技术对GCr15进行表面强化，并与单纯的气体渗氮、淬火进行比较，系统研究了硬化层的物相、组织结构及干摩擦特性。结果表明：530℃气体渗氮9 h后，渗氮层的化合物层为ε相，厚度约为40 μm；而渗氮之后淬火（N+Q）复合处理使氮化物完全分解，促使N元素向基体扩散，扩散区深约900 μm，N固溶强化作用使得扩散区硬度比淬火硬度约高200 HV_0.1，但是因氮化物分解产生孔隙致使表层硬度下降。分别在20 N和100 N载荷进行往复干摩擦试验，气体渗氮与N+Q复合处理都能有效降低摩擦因数。在20 N载荷时，N+Q复合处理试样体积磨损率低于渗氮与淬火试样；而在100 N载荷时，因其表面孔隙，使得初始磨损比淬火试样严重，但是磨损一段时间后耐磨性能提高。

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空气预氧化与盐浴预氧化对盐浴渗氮催渗效果的对比

戴明阳,魏坤霞,陈尧,宋仁国,孙斐,胡静

中国表面工程. 2016, 29(6): 38-43.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.006

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以45钢为试验材料，采用空气炉和盐浴炉两种方式进行预氧化，随后进行相同工艺的盐浴渗氮处理。对比分析两种预氧化方式对盐浴渗氮效率和组织性能的影响。利用光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、电化学工作站和扫描电镜对样品的显微组织、物相、硬度、耐蚀性和表面形貌进行了测试和分析。预氧化试样表层物相分析发现，盐浴预氧化和空气预氧化处理45钢表面均形成含有Fe₃O₄的氧化膜，但是随着保温时间延长盐浴预氧化处理试样表面氧化膜中的Fe₃O₄含量增速更快、含量更高，且具有更大的比表面积，在随后的渗氮处理中容易被还原。盐浴预氧化（350℃×45 min）后进行盐浴渗氮（560℃×120 min），化合物层厚度达到了20.8 μm，显著地提高盐浴渗氮效率，是相同工艺参数空气预氧化后盐浴渗氮所获得化合物层厚的1.6倍。同时能改善渗层组织性能，耐腐蚀性能提高。

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机械能助Al-Zn-Cr共渗工艺及渗层组织

何祖新,苏旭平,彭浩平,刘亚,吴长军,涂浩

中国表面工程. 2016, 29(6): 44-51.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.007

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采用机械能助渗技术，在600℃温度下对20钢进行Al-Zn-Cr共渗试验。利用光学显微镜、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）等仪器，分析合金元素铬对渗层组织共渗速率的影响，分析助渗时间对渗层组织的影响，测定铬在渗层中的分布，以及铬含量对渗层厚度的影响。结果表明：在机械能助Al-Zn-Cr共渗的研究中，铬含量的增加促进了渗层厚度的增加，而铬在渗层中分布相对均匀，无富集现象。在相同助渗时间下，铬含量的增加，促进了共渗速率的提高，促使渗层组织由单一的铁铝渗层组织转变为铁铝、铁锌多层渗层组织。在同一渗剂配比条件下，助渗时间的延长，促进Fe-Zn相形成，Fe-Al相减少。在助渗条件为600℃、3 h、5% Cr时，渗层为α-Fe（富锌）、Fe₃Zn₁₀、FeZn₇、FeAl等相组成的多层组织，而且相对致密；渗层兼顾抗氧化性和阴极保护作用。

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铬掺杂碳基自润滑薄膜与铝合金的高温磨损机理

梁斐珂,孙德恩,陈思琦,黄佳木,裴晨蕊

中国表面工程. 2016, 29(6): 52-59.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.008

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为了研究不同结构铬掺杂碳基薄膜在高温下与铝合金的磨损机理，采用非平衡磁控溅射在YT15刀具表面沉积Cr/CrC/DLC单周期和Cr/（CrC-DLC）_n多周期多层膜，在24、200和400℃下与A319和A390铝合金进行摩擦试验。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、纳米压痕仪、拉曼光谱仪、销盘磨损仪对薄膜的形貌结构、力学和摩擦学性能进行测试。研究表明：多周期多层膜结构打断薄膜柱状生长，提高膜基结合力。两种薄膜表面粗糙度和硬度分别为4.3 nm和5.4 nm、9.8 GPa和9.0 GPa。磨球表面转移层由硅、石墨以及剥落的薄膜碎片组成，连续的转移层降低摩擦因数；但随着温度升高，转移层的连续性被破坏，导致摩擦因数升高。在高温摩擦过程中，多周期多层膜磨损逐渐释放出DLC子膜层，通过DLC子膜层的石墨化转变来保持低摩擦因数，提高薄膜寿命。薄膜磨损由室温的磨料磨损转变为高温的粘着磨损和犁沟磨损，其中由于A390含有初晶硅使磨损以犁沟磨损为主。

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基体偏压对电弧离子镀AlCrSiON涂层结构和热稳定性的影响

耿东森,吴正涛,聂志伟,黎海旭,张小波,代伟,王启民

中国表面工程. 2016, 29(6): 60-66.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.009

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为研究基体偏压对AlCrSiON纳米复合涂层结构、力学性能和热稳定性的影响规律及机制，采用电弧离子镀技术在硬质合金基体上沉积AlCrSiON涂层。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、纳米压痕仪（划痕仪）研究涂层组织结构和力学性能；通过真空退火试验研究涂层的高温稳定性。结果表明：AlCrSiON涂层为致密柱状晶结构，并主要由c-（Al，Cr）N和c-（Al，Cr）（O，N）两相组成，呈现出纳米复合结构。随着偏压的升高，涂层表面的颗粒数目和尺寸减少，组织结构更加致密；硬度和弹性模量均呈现出先增加后减小的趋势，当偏压为-80 V时分别达到最大值30.1 GPa和367.9 GPa。涂层具有良好的高温稳定性，不同偏压下沉积的AlCrSiON涂层经800~950℃热处理后均能够保持良好的结构稳定性及力学性能，但经1 100℃热处理后涂层发生相分解并引发组织结构变化，导致涂层硬度减小。

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Ti、Cr元素在Cr₂O₃薄膜中的扩散及其对摩擦学性能的影响

何乃如,王飞飞,吉利,李红轩,陈建敏

中国表面工程. 2016, 29(6): 67-74.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.010

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为了研究Ti和Cr元素在Cr₂O₃薄膜中的扩散行为及其对摩擦学性能的影响，对Cr₂O₃薄膜在1 000℃大气环境下进行不同保温时间的退火处理。利用扫描电子显微镜、三维轮廓仪、X射线衍射仪以及透射电镜对薄膜的表面形貌、成分以及结构进行分析，采用球盘式摩擦磨损试验机对Cr₂O₃薄膜的摩擦学性能进行研究。结果表明：在1 000℃下Inconel 718基材中的Ti和Cr会沿着Cr₂O₃薄膜的晶界扩散至薄膜表面，与大气中的氧反应生成由Cr₂O₃和Cr₂Ti₇O₁₇组成的复合相，并在薄膜表面晶界处堆积形成类网状凸起结构。随着保温时间的增加，这种类网状凸起结构的高度也越大。该结构可以显著降低薄膜的摩擦因数以及磨损率。当保温时间只有1 min时，薄膜的平均摩擦因数为0.35，磨损率为5.7 μm³/Nm。而当保温时间达到240 min时，薄膜的摩擦因数降至0.24，磨损率降至3.2 μm³/Nm。

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金刚石薄膜涂层扇形孔绞线紧压模的制备、抛光及应用

王新昶,王成川,孙方宏

中国表面工程. 2016, 29(6): 75-82.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.011

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为改善异型绞线紧压模耐磨损性能，提高异型线缆质量，采用热丝化学气相沉积方法，在孔型经优化设计的扇形孔绞线紧压模内孔沉积了厚度均匀、附着性能优异、相对易于抛光且具有很好的耐磨损性能的硼掺杂微米-本征微米-本征细晶粒复合金刚石薄膜，采用机械自动线抛光、磨料流抛光及手工机械抛光相结合的抛光工艺对内孔工作表面进行抛光，使其整体表面粗糙度Ra值达到50 nm以下，在铜材质扇形分裂导体绞线紧压实际生产应用试验表明，可以替代低效的传统滚轮挤压工艺；采用传统工艺制造的异型电缆表面粗糙度Ra值约为1.027 μm，应用金刚石薄膜涂层扇形孔绞线紧压模可以将其表面粗糙度降低到0.473 μm，且在截面积更小、质量更轻的情况下获得更小的电阻。

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纯镁超声微弧氧化-植酸-镀锌生物膜层的制备与抗菌性

刘继光,宋镓岐,李慕勤,靳朋礼,魏方红

中国表面工程. 2016, 29(6): 83-89.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.012

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针对医用金属植入材料造成的术后组织感染问题，在纯镁超声微弧氧化-植酸处理工艺基础上，采用化学镀锌法引入具有抗菌性和生物活性的锌元素，探究不同化学镀锌含量对膜层抗菌性能的影响。通过XRD、SEM及能谱检测分析了膜层形貌和组织结构，采用覆膜法检验抗菌性能。结果表明：随着镀锌时间增长，膜层表面孔隙减少、膜层愈加致密，Zn含量（质量分数）增加，耐腐蚀性能提高；镀锌含量对膜层抗菌性能有直接影响，化学镀锌5 min时，Zn含量达1.50%，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率高达99%，明显优于镀锌1 min组和镀锌3 min组。纯镁超声微弧氧化-植酸膜层经化学镀锌处理后其抗菌性能随锌含量的提高而增强，化学镀锌5 min时，膜层具有较强的抗菌功能。

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银石墨复合镀层的摩擦磨损性能和导电能力

赵生光,夏延秋,陈俊寰,叶志国

中国表面工程. 2016, 29(6): 90-98.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.013

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采用电镀方法分别在铜基体上制备了纯银镀层和银石墨复合镀层，并采用X射线衍射仪（XRD）和扫描电镜（SEM）确定了镀层的结构和成分。用MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验机，考察不同镀层在润滑条件下的摩擦磨损性能；用MFT-R4000载流往复摩擦磨损试验机，考察了载流条件下复合镀层的摩擦磨损性能；用HLY-200A回路电阻测定仪测定镀层的导电性。用SEM和X射线能谱分析仪（EDX）观察和分析磨痕表面形貌及元素组成。结果表明，银石墨复合镀层不但提高了摩擦副的抗磨和减摩性能还提高了材料的导电能力，降低了接触电阻。

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不同催化剂对镁合金表面SiO₂-ZrO₂涂层耐蚀性的影响

郭亚鑫,华帅,陶庆爽,范爱兰,唐宾

中国表面工程. 2016, 29(6): 99-106.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.014

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镁合金表面溶胶凝胶涂层存在易析出氢气、涂层缺陷多及防腐性能提升不明显等问题。为改善这些问题利用Ce（NO₃）₃催化制得SiO₂-ZrO₂溶胶并旋涂3层于AZ91D镁合金表面，并与HCl催化制得的镁合金表面SiO₂-ZrO₂溶胶涂层进行对比分析。采用扫描电镜和傅里叶红外光谱等分析涂层微观形貌和化学成分；通过接触角测试涂层亲疏水性；利用极化曲线和电化学阻抗谱对比研究不同催化剂加入的溶胶凝胶层在3.5% NaCl溶液中的耐腐蚀性能。结果显示：与HCl催化制得的镁合金表面SiO₂-ZrO₂溶胶涂层相比，Ce（NO₃）₃催化制得的涂层表面微观缺陷少；接触角由84.2°增大到93.5°；同镁合金基体自腐蚀电流密度1.480×10^-4 A/cm²相比，HCl催化和Ce（NO₃）₃催化涂层的自腐蚀电流密度分别为2.562×10^-6 A/cm²和7.821×10^-7 A/cm²，其耐蚀性提升明显；HCl和Ce（NO₃）₃催化涂层阻抗极化电阻值由镁合金基材的224.9 Ω分别增大至4 401 Ω和53 888 Ω，HCl催化涂层的失效时间为1 d，Ce（NO₃）₃催化涂层失效时间延长为3 d。可见，两种催化剂制备的涂层，Ce（NO₃）₃催化涂层防护更持久，耐蚀性更好。

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等离子喷涂Li_0.5Fe_2.5O₄防护涂层及其表征

祝志祥,韩钰,陈新,马壮,杨长龙,张宏宇

中国表面工程. 2016, 29(6): 107-112.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.015

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以Li₂CO₃和Fe₂O₃粉末为原料，通过高温固相煅烧、喷雾造粒及热处理制备出纯净单相的Li_0.5Fe_2.5O₄热喷涂粉体，采用等离子喷涂技术在Q235钢表面沉积出Li_0.5Fe_2.5O₄铁氧体涂层，并研究其微观组织结构、物理电气和耐腐蚀性能。结果表明，热喷涂制备的Li_0.5Fe_2.5O₄涂层表面致密均匀，平均孔隙率为4.1%，且与钢基体具有良好的界面结合，结合强度平均值为27.6 MPa，涂层电阻率为2.14×10^-5 Ω·m，且涂层耐电化学腐蚀性能良好，3.5% NaCl溶液介质中的平均腐蚀速率约为0.003 7 mm/a，显示等离子喷涂制备的高质量Li_0.5Fe_2.5O₄涂层可较好满足接地材料防护涂层对其耐蚀和导电性方面的要求，可作为一种有效的腐蚀防护措施应用在传统钢质接地材料防腐工程中。

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轴向压力对X65合金钢摩擦堆焊层组织和磨损性能的影响

张旭,杨新岐,崔雷,杜波

中国表面工程. 2016, 29(6): 113-122.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.016

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为拓宽摩擦堆焊的工程化应用，以X65钢作为耗材和基板材料进行了摩擦堆焊工艺试验研究，在选定最优焊速的基础上，主要讨论了轴向压力与堆焊层组织、显微硬度及磨损性能的影响。试验表明：在转速4 000 r/min、堆焊速度200 mm/min、轴向压力在59.7~104.4 MPa范围下可获得冶金连接与成型良好的摩擦堆焊层。随轴向压力增加，堆焊层宽度增加、但厚度减小；过高轴向压力不能增加摩擦堆焊层的有效体积。摩擦堆焊接头主要由堆焊层、热影响区（HAZ）和母材区域组成，与传统摩擦焊缝细小晶粒组织特征不同，摩擦堆焊层主要为粗大板条和粒状贝氏体混合组织特征。HAZ主要由过热区和相变重结晶区组成，过热区主要为贝氏体组织特征，而重结晶区为细小铁素体晶粒组织特征。轴向压力变化对堆焊层组织粗化倾向和HAZ尺寸有较大影响，但对HAZ的组织形态影响不大。不同轴向压力下的堆焊层平均硬度及抗磨损性能均高于母材，与母材比较堆焊层磨损体积最大可降低33.3%。

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重载条件下钢基体表面涂层裂纹及分层失效

邹梦杰,石万凯,肖洋轶,杨槐峰

中国表面工程. 2016, 29(6): 123-128.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.017

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用有限元法分析了Hertz接触应力下钢基体表面涂层裂纹和分层失效状况，采用无预制裂纹状况下的扩展有限元（XFEM）技术和内聚力（Cohesive）模型研究了涂层的裂纹扩展和分层失效过程。分析表明：涂层的裂纹萌生于涂层表面，并向内部扩展；涂层弹性模量越大越易产生裂纹，且裂纹扩展越深。涂层的分层失效主要是由涂层-基体界面切应力造成；由于畸变应力的存在，较薄涂层（如物理气相沉积涂层），涂层越厚越易产生分层；较厚涂层（如等离子喷涂涂层），涂层越薄越易产生分层。在另一方面，涂层的裂纹和分层会相互影响，分层会使涂层更易产生裂纹，使裂纹扩展越深，影响裂纹扩展速度；涂层裂纹会使涂层更易分层，使分层区域在远离接触区域方向上不断扩展。对比分析表明，研究结果与前人的理论及实验结果吻合较好，为今后进行涂层失效数值模拟提供了依据。

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机械诱导金属表面再生层性能分析

黄书林,杨屹,杨刚,刘剑,周宇

中国表面工程. 2016, 29(6): 129-135.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.018

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利用羟基硅酸盐减磨、再生的摩擦学特性，通过机械摩擦磨损诱导金属（45钢）表面生成一层再生层。用扫描电子显微镜表征再生层的厚度，并用能谱分析仪和X射线光电子能谱仪分析再生层的元素组成和化学状态，用维氏硬度仪和洛氏压痕法测试其显微硬度和表层结合力。结果显示：当添加剂羟基硅酸盐质量分数为10.5%时，金属磨损量最小，再生层厚度最大；再生层主要含有C、O、Fe、Cr等4种元素，这些元素以石墨碳和金属氧化物形式存在；对再生层进行力学性能测试，再生层维氏硬度为648.8 HV_0.3，为基体的1.7倍；表层结合力临界载荷Pc约为150 kg，与基体结合性能好。

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离子注入碳化硅实现低温下外延合成石墨烯

张瑞

中国表面工程. 2016, 29(6): 136-136.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.06.019

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