阳极氧化铝合金在水和液压油中摩擦滑动性能的测试

这对更清洁的机器为何重要

液压系统默默为挖掘机、工厂机器人、船舶和风力发电机等提供动力。然而，它们依赖的油可能泄漏、污染土壤和水体，并且处理成本高。该研究提出了一个简单却重要的问题：是否可以重新设计关键的活动部件，使其在以水而非油为工作介质时仍能可靠工作？研究人员考察了一种常见的轻质金属——铝，经表面处理后能否安全替代较重的钢件，同时在水和油中都能平稳滑动。

更轻的部件带来更快、更环保的液压系统

现代工业在推动液压系统更快、更高效且更环保。实现这一目标的一种方式是让阀内的活动部件更轻，以便更快切换并减少能量损耗。铝合金具有重量轻、易加工和资源丰富等优点，但其较软的表面在受载时容易磨损。为增强其表面，工程师常用阳极氧化工艺，在表面生成一层薄而坚硬的氧化物层。虽然这种处理在油润滑条件下被广泛了解，但对于阳极氧化铝在以水为润滑剂时的行为仍知之甚少，而水中腐蚀、润滑不足和磨损问题更为严峻。

团队如何在水和油中测试滑动

研究人员聚焦于液压滑阀中典型的滑动副：一个硬球在平面上压着来回滑动。他们比较了三种圆盘材料：经过表面淬硬处理的标准阀用钢、未处理的铝合金 EN AW-6082，以及经阳极氧化处理的同种铝合金。一颗不锈钢球在固定载荷下以短促快速的往复行程在每个圆盘上移动，模拟真实阀内的行程和力。试验在两种液体中进行——去离子水和标准液压油——并在两种不同速度下运行，以观察滑动速度如何影响90分钟运动过程中的摩擦和磨损。

摩擦和磨损的变化

在油中，三种材料的滑动都非常平稳，摩擦保持低位且磨损很小。在这些条件下，阳极氧化铝的表现几乎可与经淬硬处理的钢相媲美，表明在传统油液压系统中，它已是轻量化阀件的有力候选。真正的挑战出现在水中。由油切换到水会使每种材料的摩擦和磨损显著上升，而且滑动信号变得更加嘈杂，表明润滑不稳定。此时表面处理的作用显著：在较低速度下，阳极氧化铝显示出明显更低且更稳定的摩擦，相较未处理铝其磨损体积接近淬硬钢。显微观察显示，阳极氧化表面仅出现细微裂纹和浅划痕，而未处理铝则出现深沟、剪切和严重的材料脱落。

保护层开始失效的情况

在水中以更高滑动速度下，阳极氧化层的保护极限变得明显。阳极氧化铝的摩擦仍然是三者中最低的，但其磨损急剧增加，并超过了淬硬钢。细节图像显示氧化涂层发生开裂和剥落，产生的碎屑转移到钢球上。相比之下，淬硬钢的表面保持相对均匀的磨损形貌，松散材料较少。研究人员还观察到转移膜——圆盘上擦下并沉积到球上的薄层材料，在未处理铝参与时形成得更快、更厚，特别是在高速条件下。阳极氧化能减少这种在苛刻水环境下的转移，但无法完全消除。

这对未来液压设计的意义

对非专业读者来说，结论是：一种简单的表面处理可以将常见的轻质铝变为液压阀关键滑动件的有力竞争者。在油中，阳极氧化铝可以达到传统淬硬钢的性能；在温和运行的水基系统中，它能将摩擦和磨损维持在可接受水平。然而，当水介质中的滑动速度过高且要求苛刻时，薄氧化层会开始失效，零件磨损过快。研究表明，采用改进的涂层——更厚或更硬的氧化层及其他先进处理——工程师有望设计更轻、更快且更环保的液压阀，使其能安全采用水或其他绿色流体替代传统油液。

引用: Trajkovski, A., Bartolj, J., Novak, N. et al. Sliding properties of anodized aluminium alloy tested in water and hydraulic oil. Sci Rep 16, 9117 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39681-3

关键词: 水力液压, 阳极氧化铝, 摩擦学, 绿色润滑, 液压阀