CN101307477A - 铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法 - Google Patents

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铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，它涉及铝合金表面复合膜层的制备方法，它解决了现有的铝合金易磨损，自润滑工艺在铝合金表面生成的膜层较薄、显微硬度低、耐磨性能低的缺点。步骤如下：1.将去掉氧化膜的铝合金置于电解液中，控制电解液的温度为15～40℃；接通电源，调整峰值电压在－200～600V之间、正负相电流密度值为2～40A/dm2，频率为50～200Hz，通电反应5～200min；取出清洗，自然干燥或在80～100℃下烘干；2.再将铝合金置于聚四氟乙烯乳液中，在真空度为0.03Pa～0.1MPa的环境下进行真空抽吸10～60min，然后在100～260℃下烘干，烘干时间为2～6h；烘干后取出自然冷却。本发明的复合膜层具有厚度厚、硬度高、耐磨损、摩擦系数低和优异的自润滑性能。

Description

铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金表面复合膜层的制备方法，具体涉及一种铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法。
背景技术
铝质材料是用量仅次于钢铁的重要金属材料。铝质材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、导电、导热性良好的优点，在航空航天、交通运输、印刷、建筑等领域被广泛应用。但是铝材同时存在质软、易磨损的缺点，在一些工作环境，如超高真空(航天器中的机械等)、超低温(液氢和液氧输送泵等)、强辐照(核反应堆等)、污染(航天器的推力系统、纺织机械和造纸机械等)、安装后工作人员不便接近(核能机械和飞机的密封部件等)和要求环境非常清洁(食品、医疗和制药机械等)等常常采用固体润滑剂来增强铝材使用寿命，故常采用固体润滑剂来增强铝材的使用寿命，但是应用固体润滑剂存在固体粉末导入性不好，需要定期检查的缺点。
目前对于铝合金自润滑改性的技术主要有制备铝基合金自润滑材料熔炼制备和铝合金表面改性的方法。采用铝基合金自润滑材料熔炼制备的方法存在的弊端是材料中气孔量大，而且这种方法不能从根本上解决铝合金材料质软、易磨损的弱点。而在铝合金表面改性的方法中，名称为《多孔阳极氧化铝膜的自润滑处理方法》，公开号为CN1306070，公开日期为2007.03.21的中国发明专利和名称为《自润滑表面复合材料超声波制备工艺》，公开号为CN1403633，公开日期为2003.03.19的中国发明专利公开了一种采用对铝合金进行阳极氧化，然后在生成的氧化膜的孔洞中进行自润滑处理的工艺方法，但这种工艺技术由于在阳极氧化的基础上进行的，故不能很好地克服阳极氧化技术在铝合金表面生成的膜层存在膜层较薄，显微硬度低，耐磨性能低的缺点。所以开发一种能够使铝合金具有优异耐磨减摩自润滑性能的表面改性方法，具有重要的社会及经济意义。
发明内容
本发明为了解决现有的铝合金易磨损，自润滑工艺在铝合金表面生成的膜层较薄、显微硬度低、耐磨性能低的缺点，而提出的一种铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法。
本发明的步骤如下：
步骤一：将去掉氧化膜的铝合金置于2～20g/L的电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为15～40℃；接通电源，调整峰值电压在-200～600V之间、正负相电流密度值为2～40A/dm2，频率为50～200Hz，通电反应5～200min；取出后用水清洗表面残留物，自然干燥或在80～100℃下烘干；
步骤二：将通过上一步骤制的表面带有陶瓷膜层的铝合金置于聚四氟乙烯乳液中，在真空度为0.03Pa～0.1MPa的环境下进行真空抽吸10～60min，使疏松多孔的材料内部的空气全部被抽走，聚四氟乙烯微纳粒子渗透入疏松多孔材料内部；然后进行烘干，控制烘干温度为100～260℃，烘干时间为2～6h；烘干后取出自然冷却。
本发明的复合膜层具有厚度厚、硬度高、耐磨损、摩擦系数低和优异的自润滑性能。通过试验得到以下的数据说明本发明的效果；摩擦磨损性能测试的摩擦副采用GCr15轴承钢球；复合膜层的结合强度在Instron5569电子万能材料实验机上进行。本发明用微等离子氧化法和真空物理沉积，在铝合金表面形成耐磨损性能、降低铝合金表面摩擦系数的具有自润滑性能的复合膜层，陶瓷膜层的总厚度达180μm，对轴承钢的摩擦系数为0.135，180N高载荷150rev./min的转速下磨损30min，失重率仅为0.1mg/min；复合膜层比铝合金表面原位生成的陶瓷膜层又将耐微动磨损性能提高193倍，复合膜层与基体的结合强度为20MPa～28.6MPa。
具体实施方式
具体实施方式一：铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，它的步骤如下：
步骤一：将去掉氧化膜的铝合金置于2～20g/L的电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为15～40℃；接通电源，调整峰值电压在-200～600V之间、正负相电流密度值为2～40A/dm2，频率为50～200Hz，通电反应5～200min；取出后用水清洗表面残留物，自然干燥或在80～100℃下烘干；
步骤二：将通过上一步骤制的表面带有陶瓷膜层的铝合金置于聚四氟乙烯乳液中，在真空度为0.03Pa～0.1MPa的环境下进行真空抽吸10～60min，使疏松多孔的材料内部的空气全部被抽走，聚四氟乙烯微纳粒子渗透入疏松多孔材料内部；然后进行烘干，控制烘干温度为100～260℃，烘干时间为2～6h；烘干后取出自然冷却。
陶瓷膜层的厚度范围为20μm～180μm，对轴承钢的摩擦系数为0.135；180N高载荷150rev./min的转速下磨损30min失重率仅为0.1mg/min，复合膜层与基体的结合强度为20MPa～28.6MPa。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于电解液中的电解质为以下一种或几种物质任意比混合：铝酸盐、硅酸盐、磷酸盐、钨酸盐、氢氧化钠、氢氧化钾、氟化钠、氟化钾、硼酸、柠檬酸、酒石酸、磷酸、草酸、硫酸。其它组成和步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同点在于铝酸盐为铝酸钾、铝酸钠。其它组成和步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同点在于硅酸盐为硅酸钾、硅酸钠。其它组成和步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二不同点在于磷酸盐为磷酸钾、磷酸钠。其它组成和步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二不同点在于钨酸盐为钨酸钾、钨酸钠。其它组成和步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同点在于步骤一中氧化膜的去除采用化学出光前处理方式或用SiC砂纸打磨的方式。其它组成和步骤与具体实施方式一相同。化学出光前处理方式去除氧化膜的过程为机械抛光→化学除油→热水清洗→冷水清洗→化学抛光→热水清洗→冷水清洗→出光→清洗→干燥，如表1所示：
表1铝合金的除油、抛光和出光工艺参数
Figure A20081006391300061
Figure A20081006391300071
采用SiC砂纸去除氧化膜的方式的过程为首先用400目砂纸打磨10min，然后用800目砂纸打磨8min，再用1000目砂纸打磨4min，最后冲洗干净，干燥后使用。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同点在于步骤二中聚四氟乙烯(PTFE)乳液中的聚四氟乙烯(PTFE)粒径尺寸为100nm～0.1μm。其它组成和步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于
步骤一：将去掉氧化膜的LY12铝合金置于8g/L铝酸钠或硅酸钠电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为15～40℃；接通电源，调整峰值电压在-200～600V之间、正负相电流密度值为2～40A/dm2，频率为50Hz，通电反应60min；取出后用水清洗表面残留物，自然干燥或在80～100℃下烘干；
步骤二：将表面带有陶瓷膜层的铝合金置于聚四氟乙烯乳液(PTFE)乳液中，在真空度为0.03Pa的环境下进行真空抽吸30min；然后进行烘干，控制烘干温度为200℃，烘干时间为3h；烘干后取出自然冷却。
陶瓷涂层的总厚度达40μm，对轴承钢的摩擦系数为0.135；180N高载荷150rev./min的转速下磨损30min失重率仅为0.1mg/min，复合膜层与基体的结合强度为28.6MPa。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤一将去掉氧化膜的纯铝置于电解液作为阳极，其余步骤与具体实施方式六相同。陶瓷涂层的总厚度达30μm，对轴承钢的摩擦系数为0.135，180N高载荷150rev./min的转速下磨损30min失重率仅为0.1mg/min，复合膜层与基体的结合强度为22MPa。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤一将去掉氧化膜的LC9铝合金置于电解液作为阳极，其余步骤与具体实施方式六相同。陶瓷涂层的总厚度达36μm，对轴承钢的摩擦系数为0.135，180N高载荷150rev./min的转速下磨损30min失重率仅为0.1mg/min，复合膜层与基体的结合强度为20MPa。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤一将去掉氧化膜的LF6铝合金置于电解液作为阳极，其余步骤与具体实施方式六相同。陶瓷涂层的总厚度达35μm，对轴承钢的摩擦系数为0.135，180N高载荷150rev./min的转速下磨损30min失重率仅为0.1mg/min，复合膜层与基体的结合强度为20MPa。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤一将去掉氧化膜的LD10铝合金置于电解液作为阳极，其余步骤与具体实施方式六相同。陶瓷涂层的总厚度达40μm，对轴承钢的摩擦系数为0.135，180N高载荷150rev./min的转速下磨损30min失重率仅为0.1mg/min，复合膜层与基体的结合强度为20MPa。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式六的不同点在于步骤一将去掉氧化膜的ZL201铝合金置于电解液作为阳极，其余步骤与具体实施方式六相同。陶瓷涂层的总厚度达40μm，对轴承钢的摩擦系数为0.135，180N高载荷150rev./min的转速下磨损30min失重率仅为0.1mg/min，复合膜层与基体的结合强度为20MPa。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中的烘干时间为2小时，其他参数和步骤与具体实施方式一相同。陶瓷涂层的总厚度达175μm，对轴承钢的摩擦系数为0.135，180N高载荷150rev./min的转速下磨损30min失重率仅为0.1mg/min，复合膜层与基体的结合强度为20MPa。

Claims (9)

1、铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，其特征在于它的步骤如下：
步骤一：将去掉氧化膜的铝合金置于2～20g/L的电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为15～40℃；接通电源，调整峰值电压在-200～600V之间、正负相电流密度值为2～40A/dm2，频率为50～200Hz，通电反应5～200min；取出后用水清洗表面残留物，自然干燥或在80～100℃下烘干；
步骤二：将通过上一步骤制的表面带有陶瓷膜层的铝合金置于聚四氟乙烯乳液中，在真空度为0.03Pa～0.1MPa的环境下进行真空抽吸10～60min，使疏松多孔的材料内部的空气全部被抽走，聚四氟乙烯微纳粒子渗透入疏松多孔材料内部；然后进行烘干，控制烘干温度为100～260℃，烘干时间为2～6h；烘干后取出自然冷却。
2、根据权利要求1所述的铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，其特征在于电解液中的电解质为以下一种或几种物质任意比混合：铝酸盐、硅酸盐、磷酸盐、钨酸盐、氢氧化钠、氢氧化钾、氟化钠、氟化钾、硼酸、柠檬酸、酒石酸、磷酸、草酸、硫酸。
3、根据权利要求2所述的铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，其特征在于铝酸盐为铝酸钾、铝酸钠。
4、根据权利要求2所述的铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，其特征在于硅酸盐为硅酸钾、硅酸钠。
5、根据权利要求2所述的铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，其特征在于硅酸盐为磷酸钾、磷酸钠。
6、根据权利要求2所述的铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，其特征在于硅酸盐为钨酸钾、钨酸钠。
7、根据权利要求1所述的铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，其特征在于电源采用双向脉冲电源。
8、根据权利要求1所述的铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，其特征在于步骤一中氧化膜的去除采用化学出光前处理方式或用SiC砂纸打磨的方式。
9、根据权利要求1所述的铝合金表面高耐磨减摩自润滑复合膜层的制备方法，其特征在于步骤二中的聚四氟乙烯乳液中的聚四氟乙烯粒径尺寸为100nm～0.1μm。
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