CN102011166A - 一种超低摩擦系数的铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低摩擦系数的铝基复合材料及其制备方法，超低摩擦系数的铝基复合材料包括：铝基材、在铝基材表面通过微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层、在Al2O3硬化膜层表面喷涂的MoS2基干膜润滑层。本发明配方科学、工艺简单，克服了现有技术的诸多缺点，并具有超低摩擦系数、延长了选用此复合材料的关键零部件的使用寿命的优点。

Description

一种超低摩擦系数的铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝基复合材料及其制备方法，具体地，涉及一种超低摩擦系数的铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
轻质高强材料如铝合金、镁合金、钛合金等已经广泛应用于航空航天、汽车和机械装备等行业。对于要求超低摩擦系数、干摩擦、轻质的机械部位，摩擦磨损性能是影响铝基材料使用寿命的主要原因。目前，降低铝基零部件的摩擦系数、减小磨损量的主要途径是：1、选用铝基自润滑材料；2、铝基材料表面硬化处理；3、改善摩擦副干摩润滑状况。
1、自润滑材料包括：金属基、高分子基和陶瓷基三类。金属基中的铝基自润滑材料摩擦系数较高，同时存在制备成本高、对设备要求高、降低了基体材料的机械性能等问题。正是因为存在上述缺陷，导致铝基自润滑材料应用受到了限制。
2、铝基材料基体表面硬化处理方法包括：电镀(硬铬)、阳极氧化、微弧氧化、氮化处理、热喷涂、气相沉积、激光淬火等。但是干摩擦系数较高，而且存在工艺复杂成本高(气相沉积、氮化处理)、无法用于小尺寸深孔硬化(热喷涂)、损伤基体(激光淬火)、膜层硬度低(阳极氧化)、结合强度低(电镀硬铬)等问题。
3、改善摩擦副干膜润滑状态的方法包括：表面涂覆干膜润滑层和珩磨。珩磨工艺复杂、成本高，在干摩擦条件下的摩擦系数较高，而且易出现“冷焊”现象。表面直接涂覆干膜润滑层是较好的工艺，但是由于铝基体的硬度低，在高载荷下使用寿命较低。因此，表面硬化后涂覆干膜润滑层逐渐成为提高铝基合金摩擦性能的重要手段，目前的工艺主要是：首先在铝基材料表面阳极氧化或微弧氧化一层Al2O3硬化膜层，然后在Al2O3硬化膜层表面再涂覆一层聚四氟乙烯(PTFE)。该工艺的不足主要是聚四氟乙烯(PTFE)的热膨胀系数大，热变形大，对铝基材料的干摩擦性能改善不明显。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述自润滑材料和表面改性技术存在的摩擦磨损性能低、制备成本高且工艺复杂等问题，提出一种超低摩擦系数的铝基复合材料，延长了选用此复合材料的关键零部件使用寿命的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超低摩擦系数的铝基复合材料，包括铝基材、在铝基材表面通过微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层、在Al2O3硬化膜层表面喷涂的MoS2基干膜润滑层。
进一步地，所述Al2O3硬化膜层的总厚度为50～250um，α-Al2O3含量大于35％，硬度为HV700～HV2000，表面粗糙度为Ra 0.8～1.6，Al2O3硬化膜层孔隙度为5％～15％，所述铝基材与Al2O3硬化膜层为冶金结合。
进一步地，所述MoS2基干膜润滑层厚度为5～35um。所述Al2O3硬化膜层与MoS2基干膜润滑层的结合呈互相嵌入状态。
本发明的另一个目的是提供了超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，以实现步骤简单、合理、紧凑的优点，所述超低摩擦系数的铝基复合材料的制备步骤如下：
1)铝基材预处理，将铝基材加工至表面粗糙度为Ra 1.6～3.2；
2)Al2O3硬化膜层的生成，在铝基材表面通过微弧氧化工艺形成总厚度为80～300um的Al2O3硬化膜层；打磨Al2O3硬化膜层表面，减薄至50～250um，去除以γ-Al2O3为主的表面疏松层，保持Al2O3陶瓷膜的相组成中α-Al2O3大于35％；打磨后的Al2O3硬化膜层，采用常规设备进行超声波清洗，清洗剂为水基清洗剂，清洗温度为40℃-60℃，去除残留的电解液、孔隙中的磨屑；在80～100℃下真空烘干；
3)MoS2基干膜润滑层的喷涂，在经步骤(2)处理的Al2O3硬化膜层上喷涂MoS2基润滑膜，并在150℃～250℃、真空度为50～150Pa的条件下真空固化2～2.5小时。
进一步地，步骤(2)中所述微弧氧化工艺采用的电解液为硅酸盐水溶液，电解温度15℃～35℃，交流正脉冲电压为500～650V，负脉冲电压为130～180V，电流密度为15～35A/dm2，根据铝基材形状和表面积大小，设定不同时间。
进一步地，步骤(2)中的清洗工艺流程为：①浸泡5～10分钟，②超声波清洗10～20分钟，③去离子水漂洗。
进一步地，步骤(3)中喷涂MoS2基润滑膜。在超声波清洗并真空烘干后的Al2O3陶瓷膜表面，喷涂MoS2基润滑膜层，空气压力为1.5～2.0MPa；在室温下放置20-50分钟，保证润滑膜表面光洁、平滑、无流痕；固化MoS2基润滑层，在150℃～250℃/真空度50～150Pa条件下真空固化2～2.5小时，随炉冷却。固化后的润滑膜厚度为5～35um，外观均匀、平整，无粗糙颗粒、无流痕、气泡、裂纹等表面缺陷，附着力达到1级(GB/T9286-1998)。
进一步地，步骤(2)中的打磨采用100#～500#水磨砂纸。
有益效果：
本发明超低摩擦系数的铝基复合材料及其制备方法，配方合理、工艺简单，通过微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层和MoS2基干膜润滑层的喷涂，克服了现有技术的诸多缺点，实现了如下优点：
1.微弧氧化工艺：工艺简单，成本低。可以提高铝基材表面硬度、耐温性。同时Al2O3硬化膜层与基材冶金结合，结合强度高，延长了材料(或工件)的使用寿命；
2.MoS2基润滑层的喷涂：工艺简单，成本低，易修复。充分发挥了MoS2的润滑特性。同时MoS2基干膜润滑层与Al2O3硬化膜层呈嵌合态，结合强度高，达到国家标准1级；
3.本发明超低摩擦系数的铝基复合材料，外观均匀、平整，无粗糙颗粒、无流痕、气泡、裂纹等表面缺陷。同时可以精确控制尺寸精度；
4.摩擦系数小于0.10，在较大载荷和高速条件下的干摩擦系数小于0.05。本发明可用于要求超低摩擦系数、干摩擦、轻质的机械部位。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种超低摩擦系数的铝基复合材料及其制备步骤如下：
1)机械加工铝基材(工件)，使其表面粗糙度达到Ra 1.6～3.2；
2)采用微弧氧化工艺，在铝基材(或工件)表面生成总厚度为80～300um的Al2O3硬化膜层。电解液为硅酸盐水溶液，电解温度15℃～35℃，交流正脉冲电压为500～650V，负脉冲电压为130～180V，电流密度为15～35A/dm2，根据基材形状和表面积大小，设定不同时间；
3)去除Al2O3硬化膜层中以γ-Al2O3为主的表面疏松层。采用100#～500#水磨砂纸均匀打磨Al2O3硬化膜层，减薄至50～250um，使表面粗糙度达到Ra 0.8～1.6，硬化膜层中α-Al2O3占35％以上，膜层硬度大于HV700，膜层孔隙度5～15％；
4)表面净化处理。打磨后的Al2O3硬化膜层表面，采用常规设备进行超声波清洗，去除残留的电解液、孔隙中的磨屑等。使用水基清洗剂，清洗温度为40℃-60℃，清洗工艺流程为：①浸泡5～10分钟→②超声波清洗10～20分钟→③去离子水漂洗。之后在80～100℃下真空烘干。
5)喷涂润滑层。在超声波清洗并真空烘干后的Al2O3硬化膜层表面，喷涂MoS2基干膜润滑层(空气压力1.5～2.0MPa)；在室温下放置30分钟左右，保证润滑膜表面光洁、平滑、无流痕；
6)固化MoS2基润滑层。在150℃～250℃/真空度50～150Pa条件下真空固化2～2.5小时，随炉冷却。固化后的MoS2基干膜润滑层厚度为5～35um，外观均匀、平整，无粗糙颗粒、无流痕、气泡、裂纹等表面缺陷。附着力根据GB/T9286-1998检验，达到1级。
实施例1
1.1微弧氧化生成Al 2 O 3 硬化膜层
样品材料：超硬铝合金7A04(原牌号LC4)；
微弧氧化条件：
工作温度室温至35℃
溶液配方 Na2SiO3∶H2O  重量比0.3∶100
         KOH∶Na2SiO3  重量比25∶100
电压交流正脉冲电压为540V，负脉冲电压为150V
电流密度为15～35A/dm2
时间2.5小时
实施结果：
Al2O3硬化膜层总厚度170um
1.2微弧氧化Al 2 O 3 硬化膜层打磨并清洗
样品材料：超硬铝合金7AO4微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层
打磨条件：用200#水磨砂纸，均匀打磨至出现黑色Al2O3硬化膜层超声波清洗条件：
水基清洗剂，清洗温度为50℃
清洗工艺：浸泡5分钟；超声波清洗10分钟；去离子水漂洗
烘干工艺：100℃下真空烘干0.5小时。
实施结果：
Al2O3硬化膜层厚度140um
硬化膜层孔隙度12％
表面粗糙度Ra 1.6
硬度HV820
1.3喷涂专用MoS 2 干膜润滑膜层并真空固化
样品材料：清洗并烘干后的微弧氧化Al2O3硬化膜层
喷涂条件：
喷涂压力空气压力1.5MPa
喷涂材料MoS2基干膜润滑剂
真空固化条件：
喷涂MoS2干膜润滑膜层后，在室温下放置20分钟左右；
150℃/真空度为133Pa/2小时+随炉冷。
实施结果：
润滑膜厚度为5～15um
润滑膜外观均匀、光滑、平整，无流痕、气泡、裂纹等
依据GB/T9286-1998检验，膜层未露出金属基体，附着力达到1级
1.4复合材料摩擦性能试验
样品材料：实施1～3后的超硬铝合金7AO4铝基复合材料
摩擦实验条件与结果见下表1。
表17AO4铝基复合材料试验条件与结果(试验温度：常温)
实施例2
2.1微弧氧化生成Al 2 O 3 硬化膜层
样品材料：超硬铝合金7A52(原牌号LC52)；
微弧氧化条件：
工作温度室温至35℃
溶液配方 Na2SiO3∶H2O  重量比0.3∶100
         KOH∶Na2SiO3  重量比25∶100
电压交流正脉冲电压为540V，负脉冲电压为130V
电流密度为15～35A/dm2
时间1.8小时
实施结果：
Al2O3硬化膜层总厚度110um
2.2微弧氧化Al 2 O 3 硬化膜层打磨并清洗
样品材料：超硬铝合金7A52微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层
打磨条件：用200#水磨砂纸，均匀打磨至出现黑色Al2O3硬化膜层超声波清洗条件：
水基清洗剂，清洗温度为40℃
清洗工艺：浸泡10分钟；超声波清洗20分钟；去离子水漂洗
烘干工艺：80℃下真空烘干1小时。
实施结果：
Al2O3硬化膜层厚度75um
硬化膜层孔隙度9％
表面粗糙度Ra 0.8～1.6
硬度HV950
2.3喷涂专用MoS 2 基干膜润滑膜层并真空固化
样品材料：清洗并烘干后的微弧氧化Al2O3硬化膜层
喷涂条件：
喷涂压力空气压力1.5MPa
喷涂材料MoS2基干膜润滑剂
真空固化条件：
喷涂MoS2干膜润滑膜层后，在室温下放置30分钟左右；
200℃/真空度为133Pa/2小时+随炉冷。
实施结果：
润滑膜厚度为15～25um
润滑膜外观均匀、光滑、平整，无流痕、气泡、裂纹等
依据GB/T9286-1998检验，膜层未露出金属基体，附着力达到1级
2.4复合材料摩擦性能试验
样品材料：经以上3步处理的超硬铝合金7A52铝基复合材料摩擦实验条件与结果见下表2。
表27A52铝基复合材料试验条件与结果(试验温度：常温)
Figure BSA00000310205500091
实施例3
3.1微弧氧化生成Al 2 O 3 硬化膜层
样品材料：硬铝合金2A12(原牌号LY12)；
微弧氧化条件：
工作温度室温至35℃
溶液配方 Na2SiO3∶H2O  重量比0.5∶100
         KOH∶Na2SiO3  重量比25∶100
电压交流正脉冲电压为640V，负脉冲电压为140V
电流密度为15～35A/dm2
时间6小时
实施结果：
Al2O3硬化膜层总厚度250um
3.2微弧氧化Al 2 O 3 硬化膜层打磨并清洗
样品材料：硬铝合金2A12微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层
打磨条件：用100#和500#水磨砂纸，均匀打磨至出现黑色Al2O3硬化膜层超声波清洗条件：
水基清洗剂，清洗温度为60℃
清洗工艺：浸泡8分钟；超声波清洗15分钟；去离子水漂洗
烘干工艺：90℃下真空烘干1小时。
实施结果：
Al2O3硬化膜层厚度180um
硬化膜层孔隙度5％
表面粗糙度Ra 0.8
硬度HV1500
3.3喷涂专用MoS 2 干膜润滑膜层并真空固化
样品材料：清洗并烘干后的微弧氧化Al2O3硬化膜层
喷涂条件：
喷涂压力空气压力2.0MPa
喷涂材料MoS2基干膜润滑剂
真空固化条件：
喷涂MoS2干膜润滑膜层后，在室温下放置45分钟左右；
150℃/真空度为150Pa/2.5小时+随炉冷。
实施结果：
润滑膜厚度为20～35um
润滑膜外观均匀、光滑、平整，无流痕、气泡、裂纹等
依据GB/T9286-1998检验，膜层未露出金属基体，附着力达到1级
3.4复合材料摩擦性能试验
样品材料：实施1～3步后的硬铝合金2A12铝基复合材料摩擦实验条件与结果见下表3。
表32A12铝基复合材料试验条件与结果(试验温度：常温)
Figure BSA00000310205500101
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超低摩擦系数的铝基复合材料，其特征在于，包括铝基材、在铝基材表面通过微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层、在Al2O3硬化膜层表面喷涂的MoS2基干膜润滑层。
2.根据权利要求1所述的超低摩擦系数的铝基复合材料，其特征在于，所述Al2O3硬化膜层的总厚度为50～250um，α-Al2O3含量大于35％，硬度为HV700～HV2000，表面粗糙度为Ra 0.8～1.6，Al2O3硬化膜层孔隙度为5％～15％。
3.根据权利要求1所述的超低摩擦系数的铝基复合材料，其特征在于，所述MoS2基干膜润滑层厚度为5～35um。
4.权利要求1-3中任意一项所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)铝基材预处理，将铝基材加工至表面粗糙度为Ra 1.6～3.2；
2)Al2O3硬化膜层的生成，在铝基材表面通过微弧氧化工艺形成总厚度为80～300um的Al2O3硬化膜层；打磨Al2O3硬化膜层表面，减薄至50～250um，去除以γ-Al2O3为主的表面疏松层，保持Al2O3陶瓷膜的相组成中α-Al2O3大于35％；打磨后的Al2O3硬化膜层，采用常规设备进行超声波清洗，清洗剂为水基清洗剂，清洗温度为40℃-60℃；在80～100℃下真空烘干；
3)MoS2基干膜润滑层的喷涂，在经步骤(2)处理的Al2O3硬化膜层上喷涂MoS2基润滑膜，并在150℃～250℃、真空度为50～150Pa的条件下真空固化2～2.5小时。
5.根据权利要求4所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述微弧氧化工艺采用的电解液为硅酸盐水溶液，电解温度为15℃～35℃，交流正脉冲电压为500～650V，负脉冲电压为130～180V，电流密度为15～35A/dm2。
6.根据权利要求4所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的清洗工艺流程为：①浸泡5～10分钟，②超声波清洗10～20分钟，③去离子水漂洗。
7.根据权利要求4所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中喷涂MoS2基润滑膜的步骤为，在超声波清洗并真空烘干后的Al2O3陶瓷膜表面，喷涂MoS2基润滑膜层，空气压力为1.5～2.0MPa；在室温下放置20-50分钟；在150℃～250℃/真空度为50～150Pa条件下真空固化2～2.5小时。
8.根据权利要求4所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的打磨采用100#～500#水磨砂纸。
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