2017年, 第30卷, 第1期　刊出日期：2017-01-19

  

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表面光整加工技术
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  高强度汽车齿轮表面强化技术的研究现状和发展趋势

  陈勇,臧立彬,巨东英,贾森

  中国表面工程. 2017, 30(1): 1-15.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161013003

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  齿轮的强度和使用寿命是制约我国汽车及其他高端机电装备国产化的重要因素。根据近年来国际上高强度汽车齿轮研究与应用成果表明，表面强化技术已经成为实现高强度齿轮的疲劳极限、疲劳耐久寿命和最佳摩擦因数等高性能要求的核心技术。尤其是对齿轮主要材料中合金成分影响和齿轮弯曲疲劳和接触疲劳破损机理的研究、开发齿轮的汽车齿轮渗碳和碳氮共渗等热处理新技术、以及强力喷丸、微粒喷丸、复合喷丸、磷酸锰转化涂层、二硫化钼与微粒子复合喷涂等表面强化等新技术都越来越受到到国内外的重视。文中根据表面强化技术的最新研究现状，重点论述了齿轮在应用中经常出现的主要损伤形式以及最新的防止损伤的一些表面强化新技术，阐述了这些新技术的表面强化机理和应用效果；同时分析了高强度齿轮表面强化技术面临的问题和发展趋势。
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  基于分子动力学仿真的纳米胶体射流抛光材料去除机理

  王星,张勇,徐琴,崔仲鸣,张飞虎

  中国表面工程. 2017, 30(1): 16-25.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160809001

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  利用分子动力学模拟了纳米SiO₂颗粒与单晶硅（100）表面的碰撞过程，以此来分析纳米胶体射流抛光的材料去除机理。仿真结果显示：粒径为7 nm的SiO₂颗粒其速度在50 m/s时，与单晶硅工件表面的碰撞作用不会引起工件表面的原子排布的变化；而若要使碰撞对单晶硅工件表面原子排布产生影响，纳米SiO₂颗粒的速度需大于250 m/s。以单晶硅工件为加工对象进行了纳米胶体射流抛光加工试验。利用激光拉曼光谱对加工前后单晶硅工件表面原子排布状况进行了比较，其结果与分子动力学仿真结果吻合。利用X射线光电子能谱，研究了加工前后纳米SiO₂颗粒与单晶硅工件表面原子之间化学键的变化。通过仿真和试验得出：纳米胶体射流抛光中，纳米颗粒碰撞所产生的机械作用不能直接去除工件材料，材料的去除是纳米颗粒与工件表面之间机械作用和化学作用的共同结果。
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  齿轮钢30CrMnTi磨削强化试验

  乔治,梁志强,赵文祥,李宏伟,黄迪青,王西彬

  中国表面工程. 2017, 30(1): 26-32.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160809002

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  30CrMnTi钢广泛应用于齿轮的生产制造中，为提高齿轮的抗疲劳性能及探讨磨削工艺参数对其表面强化的影响，开展了齿轮钢30CrMnTi的磨削试验，分析了磨削速度和磨削深度对磨削表面强化层显微组织、强化层深度、表面显微硬度和强化层残余应力的影响规律。结果表明，齿轮钢30CrMnTi磨削加工后得到一定强化层，表面显微组织为针状马氏体、碳化物和少量残余奥氏体，且强化层马氏体组织由磨削表面到心部呈“细-较粗”的变化趋势，硬度先增大后减小，强化层深度随磨削深度或磨削速度的增大而增加，磨削后表面显微硬度提高2%~13%，随磨削速度降低或磨削深度增大而增大。磨削过程对残余应力的影响在表面表现为拉应力，沿层深向内逐渐转化为压应力。磨削表面残余压应力的值随磨削速度或磨削深度的增大而降低。通过合理的磨削参数可实现齿轮钢30CrMnTi的表面磨削强化。
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  主轴式滚磨光整加工过程中滚抛磨块作用力测试与分析

  陈玉楠,李文辉,李秀红,王秀枝

  中国表面工程. 2017, 30(1): 33-40.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160803001

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  在不同加工参数下，通过测试主轴式滚磨光整加工中工件受滚抛磨块作用力情况，寻找工件在加工中的受力规律并研究其加工机理，以此对理论分析和实际加工提供参考依据。改变工件安装位置发现，超过60%的位置处滚抛磨块对工件表面作用力与工件距滚筒中心距离或工件没入滚抛磨块深度成二次函数关系，其余均为幂函数关系，并且在正对磨块流处工件所受平均作用力最大，为其他3个方位处的4.5~8倍。同时，从摩擦因数角度分析，滚抛磨块对正对磨块流处的工件表面主要为碰撞和挤压作用，两侧处主要为刻划作用，并通过三维电控超景深显微镜观察方管加工前后的表面纹理加以论证。滚抛磨块润湿后，内外侧摩擦因数分别为0.034和0.18，远低于干燥时的0.13和0.49，说明润湿后，摩擦因数大幅减小，滚抛磨块滚动数量相对增多，尤其是内侧变化更为明显。
表面工程
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  炭/炭复合材料表面氢刻蚀改善等离子体渗Cr层的抗氧化性能

  刘小镇,刘小萍,孟天旭,郭麒,于盛旺,黑鸿君,王振霞

  中国表面工程. 2017, 30(1): 41-48.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160908005

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  用双层辉光等离子渗金属技术，在炭/炭复合材料表面制备Cr涂层，改善其抗高温氧化性能。渗Cr前先用微波等离子体对炭/炭复合材料表面进行氢刻蚀处理，提高Cr涂层与基体间的结合力。用扫描电子显微镜、能谱仪和X-射线衍射仪分别对刻蚀、渗Cr及氧化后炭/炭复合材料表面形貌、成分及组织结构进行分析。结果表明：经过900℃、1 h刻蚀后，炭/炭复合材料表面形成蜂窝状结构，经后续950℃、2 h渗Cr处理后，在刻蚀后的炭/炭复合材料表面形成厚约5 μm的Cr/Cr_yC_x复合涂层，涂层表面致密均匀，无裂纹和剥落；900℃高温循环氧化2.4 h后的失重率为2.79%，抗高温氧化能力较基材得到明显改善。
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  碳纤维表面化学复合镀Ni-P-SiC镀层的形貌及性能

  杨娟,李国栋,刘阳,刘靖忠

  中国表面工程. 2017, 30(1): 49-55.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160901002

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  为了同时改善碳纤维与金属铝基体之间的润湿性和分散性，采用化学复合镀的方法在碳纤维上制备Ni-P-SiC复合镀层。通过扫描电子显微镜观察镀层表面和截面形貌，通过单纤维电子强力测试仪分析Ni-P镀层和Ni-P-SiC镀层力学性能，采用同步热分析仪分析Ni-P镀层和Ni-P-SiC镀层的氧化性能。结果表明：Ni-P-SiC镀层的抗拉强度比Ni-P镀层的抗拉强度稍低，但Ni-P-SiC镀层的形状参数m对比Ni-P的形状参数m提高了8.45%，材料的可靠性提高;对比出现最大放热峰的温度，Ni-P-SiC镀层比Ni-P镀层的出现温度高130℃，Ni-P-SiC镀层的抗氧化性明显提高；通过Ni-P-SiC镀层改性后的碳纤维在铝基中分散性明显提高，减少了碳纤维的聚集。Ni-P-SiC镀层有效解决了高温条件下碳纤维与铝基复合的难题。
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  钢结构镀锌涂层冲蚀磨损表面形貌及粗糙度

  郝贠洪,刘永利,邢永明,雅茹罕

  中国表面工程. 2017, 30(1): 56-62.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160626002

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  我国西北地区风沙特殊环境对该地区钢结构的耐久性和安全性影响严重。利用风沙环境侵蚀实验系统、扫描电子显微镜（SEM）和激光共聚焦显微镜（LSCM）研究钢结构镀锌涂层受风沙冲蚀磨损损伤行为和损伤形貌，并分析其表面粗糙度。结果表明：涂层材料的冲蚀损伤行为更加依赖于冲蚀角度，在不同冲蚀角度下风沙流对涂层材料的冲蚀磨损过程同时存在类似表面划伤和挤压变形剥落；涂层材料的冲蚀坑深度随着冲蚀速度的增大而增加，在90°时冲蚀坑深度大于45°时的冲蚀坑深度；在相同的冲蚀速度下，45°时表面平均粗糙度S_a和均方差S_q较90°时大，在相同的冲蚀角度下，S_a和S_q均随速度的增大而增大。在冲蚀中后期，粒子对凹凸不平的表面冲蚀磨损破坏严重，试件表面峰谷的形成和破坏导致冲蚀率增加。
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  封闭处理对316L不锈钢超声场下磷化膜性能的影响

  邵红红,陈婷婷,祁昌洋,王兰

  中国表面工程. 2017, 30(1): 63-69.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160713001

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  316L不锈钢因其优良的力学性能、耐蚀性以及相对较低的价格成为人工关节、固定支架、齿科、心脏外科等植入材料之一。但316L不锈钢在临床应用中仍然存在着耐磨性差以及对人体有害元素镍离子的溢出等问题，为了改善316L不锈钢的生物医用性能，在316L不锈钢磷化处理中引入超声场，并采用封闭处理提高磷化膜的致密性，通过单因素试验法优化封闭处理工艺参数。借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电化学工作站等仪器对磷化膜的表面形貌、结构、耐蚀性、抗凝血性能和镍离子溢出等性能进行研究。结果显表明：经过封闭处理后，磷化膜的孔隙率由原先的9.8%下降到2.9%；磷化处理后的试样均能诱导类骨磷灰石形成，抗凝血时间从基材的25 min增加到60 min以上；镍离子的溢出量从基材的1.827 μg/mL降低到0.134 μg/mL，有效阻隔了镍离子的溢出。
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  真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层性能的影响

  张正权,金永中,陈昌浩,常鸿,林修州,崔学军

  中国表面工程. 2017, 30(1): 70-76.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160726002

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  为提高TiAlSiN涂层的力学性能，研究了真空热处理对多弧离子镀TiAlSiN涂层微观组织和力学性能的影响。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、自动划痕仪、纳米压痕仪、摩擦磨损测试仪等表征其表面形貌、物相组成和力学性能。结果表明：热处理引起了涂层的晶格畸变，降低了TiN固溶体相的平均晶格常数，导致其衍射峰向高角度偏移；热处理会粗化涂层表面，并导致TiAlSi中间过渡层界面消失。经过800℃热处理后，涂层的纳米硬度和结合力达到最大值，分别为35.01 GPa和54.45 N；涂层的平均摩擦因数最小，由热处理前的0.679降低至0.372，比热处理前下降了约45.2%。
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  离子源循环轰击对磁控溅射TiN薄膜结构和电学性能的影响

  邵涛,孙德恩,梁斐珂,黄佳木

  中国表面工程. 2017, 30(1): 77-82.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160911002

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  为研究离子源循环轰击对薄膜结构和电学性能的影响，通过离子源轰击辅助直流磁控溅射在200℃下沉积不同循环周期TiN薄膜，采用场发射扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射仪表征薄膜表面形貌及组织结构。采用纳米压痕仪检测涂层的硬度和弹性模量。采用双电测四探针电阻仪测试室温下薄膜的电学性能。结果表明：离子源轰击在薄膜中形成了分层结构，膜层更加致密光滑，平均粗糙度由5.2 nm下降为2.7 nm。随着离子源循环轰击周期增加薄膜结晶性增强，并且当离子源循环轰击周期为3次时出现了TiN（200）峰，薄膜硬度和弹性模量提高。当经过2次离子源循环轰击时薄膜电阻值最低为8.1 μΩ·cm。
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  中频-直流磁控溅射铝涂层微米压入特性及低温循环性能

  陈亚军,黄彦,胡隆伟,郁佳琪

  中国表面工程. 2017, 30(1): 83-92.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161008001

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  为预防TC4钛合金紧固件与机身铝合金之间产生电偶腐蚀，采用中频-直流磁控溅射技术在钛合金表面制备铝涂层，利用SEM、EDS进行微观形貌和成分分析，采用拉伸和划痕法评价涂层结合性能，使用微米压痕法研究涂层硬度、压痕蠕变和循环力学行为，并对涂层进行低温循环性能测试。结果表明：涂层的拉伸结合强度为61.75 MPa，划痕结合力为（2.46±0.37） N，70 mN下硬度为（0.348±0.015） GPa。压痕蠕变加载时间由5 s增加到30 s，蠕变位移从87.0 nm减小至49.3 nm，保载时间由5 s增加到30 s，位移从27.8 nm增大到92.9 nm，硬度随加载及保载时间增加均下降，随循环保载时间和循环次数增加均降低。当保温时间从1 h增加到6 h，划痕形貌由耕犁状向切削状转变，边缘剥离程度加大，末端堆积增加；涂层结合力下降，硬度先升高后降低。
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  含硅无氢非晶碳基薄膜的摩擦磨损性能

  王福,谢明玲,张广安,王立平,薛群基

  中国表面工程. 2017, 30(1): 93-100.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160907001

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  为了研究Si掺杂对无氢非晶碳基薄膜摩擦磨损性能的影响，利用直流磁控溅射技术在单晶硅和304不锈钢基底上沉积不同Si含量的无氢非晶碳基薄膜。采用SEM、Raman光谱、纳米压痕仪等分析手段对薄膜的成分、结构和力学性能进行表征。利用球盘式往复摩擦试验机测试薄膜在无润滑条件下的滑动摩擦磨损性能。结果表明：Si掺杂能降低薄膜内应力和促进sp³杂化，高于10%的Si原子导致薄膜硬度增加。在不同湿度条件下，Si掺杂并未明显影响溅射无氢非晶碳基薄膜的摩擦因数；相反，含Si薄膜在不同测试条件下都具有较高的磨损速率。薄膜磨损速率随相对湿度增加而减小，随Si含量增加而增加；高Si含量薄膜在低湿度条件下具有明显不稳定的摩擦因数和显著增加的磨损速率。这意味着在设计和发展性能优异的无氢非晶碳基摩擦学涂层时，应充分考虑Si掺杂导致的性能损失。
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  FeCrBSiNb非晶涂层的制备及其性能

  梁秀兵,王慧,商俊超,范建文,陈永雄

  中国表面工程. 2017, 30(1): 101-106.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160714001

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  采用火焰喷涂自制的FeCrBSiNb气雾化合金粉末，制备了高非晶含量的Fe基非晶涂层。利用X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜分析了粉末和涂层的相组织结构、表面形貌和微观特征。结果表明：FeCrBSiNb合金粉末主要有FeCrSi固溶体和B化物组成，粉末球形度较好，大颗粒粉末表面粗糙，主要为枝晶状组织，并伴有“卫星”球。制备的FeCrBSiNb非晶涂层润湿性较好，粒子搭接边界不明显，非晶体积分数高达80%。非晶涂层存在少量孔隙，主要是未熔颗粒的嵌入、熔融粒子凝固时的“骤冷”应力和气体逸出造成。FeCrBSiNb非晶涂层在532~644℃存在明显放热峰，玻璃转变温度T_g为509℃，开始晶化温度T_x为532℃，其形成非晶相的临界冷却速率为3.458×10³ K/s，在同一试验条件下，非晶涂层的相对耐磨性是45钢基体的2.6倍。
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  超音速等离子喷涂Mo-W涂层的力学性能

  闫涛,刘贵民,吴行,朱硕,刘明

  中国表面工程. 2017, 30(1): 107-114.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160728001

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  采用超音速等离子喷涂技术在45CrNiMoVA钢表面制备了Mo-W合金涂层，利用场发射扫描显微镜（SEM）、电子能谱仪（EDS）、维氏显微硬度计分析测试了涂层组织、硬度，利用球-盘式摩擦磨损试验机研究了磨损载荷及频率对Mo-W合金涂层摩擦学性能的影响。结果表明：质量比为3：1的Mo、W机械混合粉喷涂后涂层中Mo、W元素质量比接近3：1。涂层组织致密，与基体结合为机械结合，表面平均显微硬度为563.2 HV_0.1。Mo-W涂层的显微硬度、耐磨性和减摩性比基体45CrNiMoVA钢有所提高，且载荷越大，涂层的耐磨性和减摩性优势越明显。Mo-W涂层与Si₃N₄陶瓷的摩擦磨损机制以磨料磨损和氧化磨损为主。当磨损载荷变大和磨损频率变高时，疲劳剥落磨损表现明显。
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  海水润滑条件下316L不锈钢与仿生非光滑表面CF/PEEK的摩擦学性能

  梁瑛娜,高殿荣,毋少峰

  中国表面工程. 2017, 30(1): 115-124.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160804004

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  为探讨高压海水轴向柱塞泵滑靴副的减阻抗磨机理，采用数控机床在CF/PEEK试样表面加工出不同形状仿生非光滑单元体，与316L不锈钢形成配副，对其在不同法向载荷下的摩擦因数、试样温度、磨损率等进行测试，并用激光共焦显微镜及扫描电子显微镜对磨损表面进行分析。结果表明：在海水润滑条件下，光滑表面配副以磨料磨损和粘着磨损为主，摩擦因数随时间稳定在0.05~0.09，试样温升大，磨损率大；非光滑表面配副可有效存储海水和磨屑，产生动压润滑效应、降低磨料磨损，摩擦以犁沟效应为主，摩擦因数稳定在0.02~0.06，试样温升小，磨损率小；随法向载荷的增加，由粘着效应所致CF/PEEK转移加快，摩擦因数和试样温度升高，磨损率降低且下降趋势逐渐减缓。
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  滑动摩擦结合面磨合磨损表征方法与影响因素

  李万钟,徐颖强,孙戬,刘楷安,曾天微

  中国表面工程. 2017, 30(1): 125-131.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160510004

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  定量分析研究磨合磨损的表征方法与影响因素对于获得低磨损率的稳定持续工作状态、保证摩擦副工作性能和使用寿命都具有重要意义。基于质量磨损量，构建了滑动摩擦磨合磨损的表征方法，得到一种新的磨合磨损相关参数计算模型。采用球-盘摩擦副，得到磨削抛光表面、周向纹理表面与径向纹理表面3种表面形貌的样件在不同工况下的质量磨损量，分析了法向载荷、滑动速度和初始表面状态3种因素对摩擦副结合面磨合磨损的影响，推出磨合磨损阶段的质量磨损率和磨损系数随时间的变化规律。结果表明：载荷和转速均与初始质量磨损率正相关；在磨合磨损初期，周向纹理表面的质量磨损量和质量磨损率较高；在整个磨合磨损过程中，磨削抛光表面的磨损系数较为稳定，径向纹理表面的磨损率最低，而钢球对磨件的磨损量却最大，在低速或低载时体现的尤为明显。
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  含碳量对Mn8Cr2Si钢显微组织及性能的影响

  宋百隆,王玉江,张平,魏世丞,盛忠起,王亚子

  中国表面工程. 2017, 30(1): 132-140.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20160830003

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  研究了含碳量对Mn8Cr2Si钢显微组织、力学性能、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。利用光学显微镜（OM）对奥氏体晶粒的尺寸变化进行观察，并利用扫描电子显微镜（SEM）分析冲击断口及磨损形貌。结果表明，随含碳量的增加，奥氏体晶粒逐渐细化，但当含碳质量分数超过0.8%时，晶粒开始粗化。由于奥氏体晶粒细化，其晶界总面积增大，应力集中降低，抑制了裂纹的形成与扩展。因此，奥氏体晶粒越细小，其力学性能越好，而力学性能的提升有助于提高其耐磨性能。分析发现，奥氏体晶粒尺寸同样影响Mn8Cr2Si钢的耐腐蚀性能，细化后的奥氏体晶粒能提高其耐腐蚀性能。当Mn8Cr2Si钢含碳质量分数为0.8%时，晶粒尺寸可细化到143 μm，综合力学性能和耐腐蚀性能优异。