2017年, 第30卷, 第6期　刊出日期：2017-06-19

  

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表面工程
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  纳米颗粒增强TiO₂涂层的制备及其防污性能

  张彦彦,赵文杰,周成旭,吴英豪,曹辉亮,崔平

  中国表面工程. 2017, 30(6): 1-10.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170508003

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  为提高二氧化钛涂层的防污性能，采用KH-550硅烷改性锐钛矿型TiO₂颗粒，并充分分散于二氧化钛凝胶涂层中。通过降解亚甲基蓝溶液、细菌贴附试验、藻类贴附试验，分别评价了涂层的光催化性能、抗菌性能及抗藻类附着性能，并利用激光共聚焦显微镜及扫描电子显微镜对藻类在涂层表面的附着情况进行分析。结果表明，添加TiO₂纳米颗粒涂层的防污性能较未添加TiO₂纳米颗粒涂层有较大程度的提高。添加粒径为5~10 nm TiO₂颗粒的二氧化钛涂层对小球藻、三角褐指藻及小新月菱形藻的附着降低率分别达到了92.1%、71.5%和62.1%，相较于纯二氧化钛涂层对3种藻类的附着降低率分别提高了29.7%、68.4%和43.5%。TiO₂颗粒的加入可以有效地提高涂层的光催化性能，光催化使得涂层具有亲水、抗菌及自清洁的性能进而有利于提高涂层的防污性能。
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  超疏水超亲油Cu-Ni复合镀层的制备及油水分离应用

  蒋美慧子,罗方,向美苏,张延宗

  中国表面工程. 2017, 30(6): 11-17.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170623002

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  针对目前超疏水超亲油表面制备工艺复杂、成本高等问题，采用工艺简单、可控性强的电化学沉积法制备出不锈钢网基底超疏水超亲油表面。通过在不锈钢网表面进行铜镍共沉积，得到一种叶片状的微纳米级粗糙结构，再利用正十二硫醇乙醇溶液对镀层进行表面修饰，最终获得超疏水超亲油Cu-Ni复合镀层。利用扫描电子显微镜（SEM）、接触角测试仪、X射线能谱仪（EDS）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）等对镀层表面微观形貌、浸润性以及化学元素组成进行表征分析。结果显示，制备的Cu-Ni复合镀层水接触角为155°±2°，油接触角为0°。对润滑油油水分离效率高达98%，且连续分离2 h后，分离效率仍高于95%，表现出稳定高效的油水分离性能。该制备方法耗时短、成本低，有潜力应用于规模化工业生产。
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  结霜前期纳米结构超疏水表面的凝结-冻结特性

  季银炼,张钧波

  中国表面工程. 2017, 30(6): 18-25.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170515001

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  研究结霜前期水蒸气在超疏水表面的凝结-冻结特性，有利于揭示超疏水表面的抑霜机理以及加深对结霜过程的认知。利用溶液刻蚀-沸水法制备了具有纳米结构的铝基表面，水滴与其形成的接触角达161.1°。通过微细观可视化观测，揭示结霜前期纳米结构超疏水表面的凝结-冻结特性，并与接触角为86.5°的裸露铝表面进行了对比分析。结果表明，超疏水表面凝结液滴的形状、尺寸和分布密度与裸露表面均存在差异，且液滴的冻结时间和冻结速率也不同。超疏水表面的液滴从17 min开始冻结，直到26 min才全部冻结，而裸露表面的液滴在4 min内就全部冻结。超疏水表面的纳米结构导致其与凝结液滴间的热阻增大，导热过程被削弱，从而抑制了液滴的生长与冻结。
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  等离子喷涂WC/Co疏水涂层

  秦加浩,金鑫,方帅帅,周拓,乔江浩,纪晓丽

  中国表面工程. 2017, 30(6): 26-33.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170420002

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  超疏水涂层的耐磨性是限制其应用的重要因素。利用等离子喷涂结合十七氟癸基三甲氧基硅烷（FAS-17）的表面化学修饰制备出接近超疏水的WC/Co硬质合金涂层。结果表明:涂层的静态接触角最高达到147°；随着喷涂功率的增加，涂层接触角略微有所增加；拉曼光谱和XPS分析表明，FAS-17链通过水解及缩合反应成功枝接到涂层的表面；激光共聚焦显微镜（LSCM）观察发现，涂层表面粗糙度Ra为7.9 μm；通过等离子火焰氧化处理后，涂层表面新生成的氧化物为WO₃，它能够提高涂层的疏水性能。最后，通过砂纸摩擦试验发现，其疏水性涂层表现出良好的耐磨性；水滴冲蚀测试发现，涂层有一定的耐雨淋性能。
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  低温空气等离子体处理对铝合金表面粘接性能的影响

  李长青,董怀斌,邹育根,邹霞辉

  中国表面工程. 2017, 30(6): 34-42.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170410003

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  为了提高铝合金与高分子材料之间粘接强度，采用低温空气等离子体预处理技术，对5083型铝合金表面进行活化处理。对铝合金表面的显微形貌、接触角、表面能、化学元素的成分及价态等理化性能进行了分析，对铝合金与环氧树脂的粘接性能进行了测试。结果表明：低温等离子体处理后铝合金表面的活性显著增加，水接触角由88.7°最低降至10.1°，表面能由19.21 mJ/m²增加到74.04 mJ/m²，表面氧元素含量明显增加，显微形貌及粗糙度未发生明显改变。铝合金板粘接后的拉剪强度随处理时间增加而增加，最高值达到12.4 MPa，较处理前提高了约4倍，表面氧元素的含量及活性增加是树脂与铝合金粘接性能提升的重要因素。
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  新型热扩散法制备耐海洋环境腐蚀钢筋及其耐蚀性

  李翔,程学群,李晓刚

  中国表面工程. 2017, 30(6): 43-49.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170612001

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  通过热扩散工艺在自行研制的钢筋原坯表面形成一层化学成分满足不锈钢要求且耐蚀性能优异的“类不锈钢”表面层。采用XRD、SEM及EDS对热扩散层的相结构、表面形貌和截面成分分布进行了分析和表征。通过浸泡加速腐蚀试验、动电位极化曲线和电化学阻抗谱研究了HRB400、316L以及“类不锈钢”钢筋试样在含氯离子混凝土模拟孔隙液中的腐蚀行为及规律。结果表明，热扩散层主要由Cr₂₃C₆、Fe-Cr和Cr₂N等相组成。在含有氯离子的混凝土模拟孔隙液中，“类不锈钢”钢筋的耐蚀性比HRB400提高了287.4倍，比316L提高了1.4倍。“类不锈钢”钢筋的腐蚀电流密度是HRB400的1/299，是316L的1/223。“类不锈钢”钢筋的极化电阻R_p值是HRB400的28.7倍，是316L的4.5倍。因此，“类不锈钢”钢筋在混凝土模拟孔隙液中的耐氯离子腐蚀性能优于316L和HRB400。
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  敲击间隔对GDP微球表面Al涂层的影响

  孙书兵,何智兵,何小珊,李力,王锋,刘艳松

  中国表面工程. 2017, 30(6): 50-58.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170523002

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  金属涂层作为惯性约束聚变空心微球的保护层，对提高靶丸的性能具有重要的作用。利用磁控溅射技术和旋转与敲击相结合的驱动方式，在辉光放电聚合物微球表面溅射铝涂层，探究改变敲击间隔时长对微球涂层的影响。利用X射线照相机、白光干涉仪、扫描电镜和X射线衍射仪对微球铝涂层进行表征分析。结果表明：空心微球表面的铝涂层厚度为（2±0.1）μm，表面粗糙度控制在75 nm以下，涂层表面光滑、无裂缝，呈柱状晶生长，（111）晶面为择优取向晶面，试验重复性好。同时发现：敲击能有效改善微球涂层生长过程中的阴影效应，增加涂层的壁厚均匀性并影响微球涂层的表面粗糙度。当敲击间隔为15 s时，微球铝涂层的综合质量最佳，壁厚均匀性达93.5%，表面粗糙度为30.43 nm，优晶面的晶粒尺寸为13.66 nm。
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  金属铜辅助化学刻蚀对金刚线切割多晶硅的制绒

  邹宇新,席风硕,邱佳佳,杨玺,李绍元,马文会

  中国表面工程. 2017, 30(6): 59-66.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170427002

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  针对金刚线切割多晶硅制绒后硅片反射率偏高且切割纹难以去除等问题，采用酸性湿法刻蚀预处理再结合低成本的金属铜辅助化学刻蚀成功的实现了金刚线切割多晶硅片表面制绒。研究结果表明，随着酸腐蚀时间的增加，金刚线切割多晶硅片表面切割纹、粗糙度得到有效改善。倒金字塔结构的引入能够有效地降低硅片表面的反射率。当酸洗预处理时间为5 min，金属铜辅助化学刻蚀时间为15 min时，样品表面倒金字塔结构最均匀，且在300~1 100 nm波长范围内，获得最低平均反射率3.32%。同时优越的减反效果和去除切割纹能力，使得制绒后金刚线切割多晶硅片有望实现高效率的太阳能电池。
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  阳极氧化制备工艺对TiO₂纳米管阵列显微形貌的影响

  柳堤,江少群,王刚,张启智

  中国表面工程. 2017, 30(6): 67-74.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170617002

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  为改善TiO₂纳米管阵列结构有序性和形貌完整性，以NH₄F-丙三醇-水溶液为电解液，采用一次阳极氧化法和二次阳极氧化法在Ti片表面制备TiO₂纳米管阵列，借助扫描电子显微镜和原子力显微镜，研究一次阳极氧化电压、二次阳极氧化法制备过程中阳极氧化电压和一次阳极氧化时间以及退火温度对TiO₂纳米管阵列显微形貌的影响。结果表明，采用一次阳极氧化法在5~25 V电压下阳极氧化Ti片120 min后均可制得有序排列的TiO₂纳米管阵列，纳米管外侧面具有“竹节状”结构特征，纳米管平均管径和管间距随氧化电压升高而增大；一次阳极氧化法在20 V/120 min下制得的TiO₂纳米管阵列相对较优，其表面平整度高。在相同氧化电压下采用二次阳极氧化法制备TiO₂纳米管阵列不能有效改善阵列的有序程度和表面平整度。600 ℃退火会促进TiO₂纳米管层/钛金属界面处的热氧化物层生长。
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  预处理对阴极等离子电解沉积制备Al₂O₃涂层性能的影响

  王林秀,王德仁,李文超,李文凯

  中国表面工程. 2017, 30(6): 75-83.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170427003

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  采用阴极等离子电解沉积法在镍基高温合金K418上制备Al₂O₃陶瓷层，为降低沉积过程中的电流密度，研究了950 ℃预处理对涂层微观组织、物相组成、力学性能及沉积过程中电流密度-电压曲线的影响。结果表明：预处理对涂层的表面、截面形貌和物相组成没有明显影响。当预处理时间延长至300 min，涂层抗超声振荡性能和抗热冲击性能分别提高了106.36%和90.13%。拉伸法测定涂层结合强度结果显示，经950 ℃预处理30 min的试样结合力可由未经预处理时的24.60 MPa提高至37.32 MPa。这些特性主要归因于预制氧化膜使合金基体表面导电性下降，有效地将电流密度-电压曲线第一个峰值由未经预处理的1.84 A/cm²降至0.26 A/cm²，同时氧化膜的存在为后续等离子放弧均匀化提供基础，从而提高了涂层与基体之间的结合力。
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  电沉积Ni-Sn-Mn非晶镀层镀液组分优化及耐蚀性

  孟庆波,齐海东,卢帅,郭昭,李运刚,杨海丽

  中国表面工程. 2017, 30(6): 84-94.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170615001

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  为了提高低碳钢在海洋环境中的耐蚀性，采用脉冲电沉积技术在Q235钢表面制备Ni-Sn-Mn合金镀层，通过正交试验方法对镀液组分进行优化。利用扫描电镜（SEM）及附带的能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、Tafel曲线和电化学阻抗谱（EIS）等方法对镀层表面形貌、元素含量、相结构及耐蚀性进行分析。结果表明：脉冲电沉积Ni-Sn-Mn镀层最优镀液组分为：10 g/L SnCl₂·2H₂O、55 g/L NiSO₄·6H₂O、50 g/L MnSO₄·H₂O和160 g/L Na₃C₆H₅O₇·2H₂O。最优镀液组分条件下制备的镀层为非晶态结构，镀层表面胞状颗粒均匀致密。镀层中Ni、Sn、Mn的质量分数分别为68.59%、21.57%、9.84%。与Ni-Sn镀层相比，Ni-Sn-Mn镀层在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电位（-0.346 V）更正，自腐蚀电流密度（2.816×10^-8 A/cm²）更低，电荷转移电阻（12 580 Ω·cm²）更大，耐蚀性更好。
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  电沉积工艺参数及热处理对Fe-5Zn合金微观组织的影响

  王伟强,江杰,梁婧,于凤云

  中国表面工程. 2017, 30(6): 95-102.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170508001

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  铁具有较高的力学性能和良好的生物相容性，是极具潜力的可降解血管支架材料，但难以在规定的治疗期内完成降解是其面临的主要问题。在前期工作中利用电沉积技术制备出Fe-5Zn合金。为进一步优化其显微组织，将阴极平均电流密度由3.0 A/dm²降至1.0 A/dm²，控制电解液pH值在2.3左右，电沉积制备出成分均匀、组织细小致密，且具有（112）择优取向的Fe-5Zn单相固溶体合金。该合金经800 ℃氩气保护再结晶退火后，显微硬度由681 HV_0.1降至287 HV_0.1，材料韧性得到改善。同时合金中有耐蚀性较高的铁、锌氧化物相析出，增加了微阴极数量。动电位极化曲线测量和模拟体液静态浸泡试验结果显示，热处理后的Fe-5Zn合金自腐蚀电位为-0.89 V，自腐蚀电流密度为1.77×10^-6 A·cm^-2，腐蚀速度则为0.259 mg·cm^-2·d^-1，降解性能优于常规纯铁。
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  20CrMo上沉积CrN涂层的力学性能及5W/40润滑下的摩擦学性能

  刘吉良,廖日东,罗军,廖斌,吴先映,刘庆义,黄鹏

  中国表面工程. 2017, 30(6): 103-110.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170714001

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  在活塞销材料（20CrMo）上沉积了5种不同厚度的CrN涂层，研究其力学性能及发动机油5W/40润滑下的摩擦学性能。分别对CrN涂层的表面形貌、截面厚度、硬度、弹性模量和高温膜基结合性能进行了测试。探讨了不同接触压力和不同转速下CrN涂层与锡青铜（QSn7-0.2）配副以及基材20CrMo与QSn7-0.2配副在5W/40润滑下的摩擦学性能差异，并分析了接触电阻。结果表明：涂层沉积厚度对CrN涂层的硬度等力学参数的影响较小，但对高温膜基结合性能的影响较大。在5W/40润滑下，CrN涂层与QSn7-0.2配副在接触压力较大或较小的大部分区域都具有相对较低的摩擦因数，且磨损体积极小。
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  喷涂距离对等离子喷涂WC-12Co涂层抗冲蚀磨损性能的影响

  梁存光,李新梅

  中国表面工程. 2017, 30(6): 111-121.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170516002

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  为提高WC-12Co涂层抗冲蚀磨损性能，在Q235钢基体上采用大气等离子喷涂（APS）方法制备WC-12Co涂层，研究了喷涂距离对粒子温度与速度、涂层组织结构、力学性能及抗冲蚀磨损性能的影响。结果表明：喷涂距离对涂层质量影响较为明显，喷涂距离为130 mm时涂层质量较好，粒子速度与温度达到较好的配合，涂层抗冲蚀磨损能力较强。喷涂距离为120 mm与140 mm时涂层抗冲蚀磨损能力较差。550 μm（30目）沙粒直径对涂层冲蚀磨损量大，沙粒速度为15.68 m/s比13.33 m/s沙粒速度冲蚀磨损量大；冲蚀角为60°时冲蚀磨损量最大，30°冲蚀磨损量最小。
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  圆弧面空气喷涂的喷雾流场特性

  陈雁,陈文卓,何少炜,潘海伟,黎波,张伟明

  中国表面工程. 2017, 30(6): 122-131.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170523001

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  针对喷涂成膜气液两相流动过程，采用欧拉—欧拉法建立喷涂成膜模型，模型包括喷雾流场模型和撞击粘附模型。采用非结构化网格划分控制域求解。对比分析表明，圆弧面静态周向喷涂喷雾流场形状与平面喷涂喷雾流场形状基本相同，轴向喷涂喷雾流场形状与平面喷涂喷雾流场形状有较大的区别。周向喷涂圆弧面时，喷锥宽度和液相碰撞角度受形面影响较小。轴向喷涂圆弧面时，外壁喷涂喷锥宽度大于平面喷涂喷锥宽度，喷锥边缘区域液相与壁面碰撞角度很小；内壁喷涂喷锥宽度略小于平面喷涂喷锥宽度，整个喷锥内液相与壁面始终保持较大的碰撞角度。试验证实喷涂成膜模型用于研究喷雾流场特性是可行的。
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  等离子喷焊低温马氏体相变合金粉末的组织与性能

  陈希章,胡科,徐淑文

  中国表面工程. 2017, 30(6): 132-139.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170619002

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  为减小喷焊过程中热收缩形成的拉伸应力，采用等离子喷焊的方法，在Q235钢基体上进行堆焊，制备出具有残余压缩应力的低温马氏体相变合金耐磨复合涂层。利用金相显微镜（OM）、SEM、EDS、XRD、X射线残余应力测试仪、显微硬度仪和摩擦磨损试验机等，对喷焊层金属的微观组织、成分和力学性能进行了分析和研究。结果表明：合适的工艺参数下，能够得到与基体呈冶金结合的无缺陷喷焊层组织；喷焊层的组织主要为马氏体和少量残余奥氏体组成；喷焊层获得较为理想的残余压缩应力，最大残余压缩应力可达到-351.2 MPa，平均残余奥氏体的质量分数约为10.18%；和基体材料相比较，等离子喷焊层的硬度提高2.5倍，耐磨性提高47.22倍。
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  基于纳米晶的低温离子渗硫层油润滑条件下摩擦磨损性能

  巴德玛,孙晓峰,邱骥,李新

  中国表面工程. 2017, 30(6): 140-148.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170615002

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  利用预压力滚压技术在堆焊修复层表面制备纳米晶层，用低温离子渗硫技术在纳米晶层表面制备FeS固体润滑膜。利用CETR-3型多功能摩擦磨损试验机考察油润滑条件下堆焊层表面纳米晶/FeS复合层的摩擦磨损性能。采用SEM、EDS、XRD和XPS对摩擦磨损前后的硫化层微观组织结构进行分析。结果表明：与原始低温离子渗硫层相比，基于纳米晶的渗硫层厚度增加了40%，硫化层更为密实，基于纳米晶的低温离子渗硫层摩擦因数明显降低，磨损量降低40%左右，承载能力明显提高。耐磨减摩性能提高是纳米晶层作用的结果，基于纳米晶的硫化层硫化物含量较高，FeS相所占比例较高，高硬度的纳米晶层为表面润滑层起到良好的支撑，对于减摩性能的提高起到积极作用。
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  高速刮擦条件下封严涂层热物性对叶片损伤行为的影响

  郑海亮,高禩洋,薛伟海,段德莉,李曙

  中国表面工程. 2017, 30(6): 149-157.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170503001

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  利用自制的高速刮擦试验机，对常见的铝、镍基封严涂层与TC4钛合叶片组成的封严摩擦副在高速刮擦条件下的摩擦学行为进行了研究。结果显示，铝基封严涂层对于叶片磨损轻微，甚至出现涂层粘着叶片的现象；镍基封严涂层严重的损伤叶片。通过分析刮擦面温度与力学性能变化间关系，发现封严涂层的热物性能对叶片的损伤具有重要的影响。若封严涂层的金属相熔点较低、热扩散率较大如铝基封严涂层，则配副使用时涂层易先于叶片发生软化，因而叶片磨损轻微，甚至被涂层粘附所代替。若封严涂层的金属相熔点较高、热扩散率较低如镍基封严涂层，则叶片易先于涂层发生软化，因而叶片损伤严重。
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  微坑分布位置对复合润滑结构缸套摩擦磨损性能的影响规律

  金梅,韩晓光,沈岩,李承娣,杜凤鸣,徐久军

  中国表面工程. 2017, 30(6): 158-166.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170609001

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  采用电火花加工方法在FeNi合金镀铁缸套试样表面的止点、中点、全程位置刻蚀微坑织构，采用球磨法对微坑填充固体润滑剂MoS₂以制备复合润滑结构缸套。采用对置往复式摩擦磨损试验机，研究微坑分布位置对复合润滑结构缸套摩擦磨损性能的影响规律。采用SEM和EDS研究配副的磨损形貌。结果表明：复合润滑结构缸套能提高承载性能、降低摩擦因数，但不一定都能提高缸套的磨损性能和抗拉缸性能。唯有微坑分布在止点的复合润滑结构缸套相比未处理缸套，表现出良好的减摩耐磨和抗拉缸性能，摩擦因数降低了4.97%~6.26%，对磨环磨损量减少了58.3%，拉缸时间延长了10倍。随着往复运动的进行，微坑中的MoS₂逐渐向缸套表面转移，改善了止点区域的润滑性能，良好保护了摩擦界面。