CN106423788B - 一种中碳钢基体的刻蚀方法、减摩耐磨复合润滑膜及其制备方法 - Google Patents

一种中碳钢基体的刻蚀方法、减摩耐磨复合润滑膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种中碳钢基体的刻蚀方法，采用包括FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀；所述混合溶液中FeCl3的浓度为(25～75)g/L，所述混合溶液中HCl的浓度为(25～100)g/L；还提供了一种应用所述刻蚀方法制备复合润滑膜的方法，将所述刻蚀后的中碳钢清洗后进行干燥，随后将润滑剂涂覆在所述干燥后的中碳钢表面后进行固化，得到减摩耐磨复合润滑膜。本发明提供的方法，仅仅采用FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀，在短时间内即可完成刻蚀过程，降低成本。本发明方案得到的复合润滑膜的减摩效果良好，延长使用寿命，14400s的滑动摩擦后磨痕宽度不高于250μm。

Description

一种中碳钢基体的刻蚀方法、减摩耐磨复合润滑膜及其制备 方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，尤其涉及一种中碳钢基体的刻蚀方法、减摩耐磨复合润滑膜及其制备方法。
背景技术
在摩擦学领域中，MoS2、WS2与石墨等常被用作固体润滑剂被广泛用于高真空强辐射以及液体润滑剂无法运用的极端环境下。同时，研究表明并不是越光滑的表面越能获得优异的摩擦学性能，具有一定微观形貌的表面反而对于改善摩擦学性能有极大的帮助，表面织构技术作为一种改善摩擦副间摩擦学性能的有效方式受到了广泛的关注，所构筑的微观形貌如微坑、微凸、孔洞均可称为表面织构。
由于在材料表面构筑的固体润滑薄膜极易破裂，进而将表面织构技术和固体润滑技术相结合成为了一种延长固体润滑薄膜使用寿命的有效的手段。目前通常所使用的手段一般包括机械加工、能量束刻蚀(离子束、电子束、激光等等)。例如，胡天昌等人在45#钢表面上通过激光刻蚀的手段获得不同的表面织构，在其上构筑固体润滑薄膜，实现降低摩擦系数和较长的耐磨寿命的效果(胡天昌，胡丽天，张永胜.摩擦学学报，2012，32(1):14-20.)。但是采用机械加工技术或者能量刻蚀方式构筑表面织构会导致刻蚀成本较高和加工过程较为复杂的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种中碳钢基体的刻蚀方法、减摩耐磨复合润滑膜及其制备方法，本发明提供的方法刻蚀过程简单、反应时间短。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种中碳钢基体的刻蚀方法，采用包括FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀；
所述混合溶液中FeCl3的浓度为(25～75)g/L，所述混合溶液中HCl的浓度为(25～100)g/L。
优选的，所述刻蚀的时间为20～80min。
优选的，所述刻蚀的温度为40～60℃。
本发明还提供了应用上述技术方案所述的刻蚀方法制备复合润滑膜的方法，包括以下步骤：
(1)采用上述技术方案所述方法对中碳钢基体材料进行刻蚀；
(2)将所述刻蚀后的中碳钢基体材料清洗后进行干燥；
(3)将润滑剂涂覆在所述步骤(2)干燥后的中碳钢基体材料表面，固化后得到减摩耐磨复合润滑膜。
优选的，所述步骤(3)中固化的温度为120～160℃。
优选的，所述步骤(3)中固化的时间为30～90min。
优选的，所述步骤(3)中润滑剂包括硫化物和丙酮。
优选的，所述硫化物和所述丙酮的质量比为(0.5～1)：2。
优选的，所述步骤(3)中硫化物为MoS2、WS2或FeS。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的的减摩耐磨复合润滑膜，所述复合润滑膜包括具有刻蚀织构的表层和涂覆在所述表层的润滑剂，所述复合润滑膜的厚度为0.5～2μm。
本发明提供了一种中碳钢基体的刻蚀方法，采用包括FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀；所述混合溶液中FeCl3的浓度为(25～75)g/L，所述混合溶液中HCl的浓度为(25～100)g/L。本发明提供的方法，仅仅采用FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀对中碳钢进行浸泡，在短时间内即可完成刻蚀过程，形成结构均匀致密的表面织构，便于复合润滑膜制备过程中后续润滑剂的涂覆，使得润滑膜的制备过程简单；FeCl3和HCl价格便宜，降低成本。而且，以FeCl3质量浓度为(25～75)g/L与HCl质量浓度为(25～100)g/L混合溶液对中碳钢表面进行氧化刻蚀，氧化效果良好，能够得到均匀致密的表面织构；通过Fe3+离子对中碳钢基底氧化完成刻蚀，同时混合溶液中的Cl-离子充分发挥作为点蚀过程“激发剂”的作用，能够有效的穿过由于在氧化反应过程中溶解氧和OH-离子所促进的FeCl3溶液自身水解形成Fe(OH)3胶体，减缓Fe3+离子对基底的刻蚀，所形成的保护膜，重新对基底形成刻蚀；混合溶液中盐酸的存在可减缓氧化反应过程中FeCl3溶液自身水解对Fe3+的消耗，Fe3+充分对基体表面进行刻蚀，提高刻蚀速率，同时Cl-离子产生较多的点蚀孔，盐酸自身也能侵蚀基底，形成FeCl2，提高对基体表面的刻蚀速率。
本发明提供了一种制备复合润滑膜的方法，包括以下步骤：(1)采用所述方法对中碳钢基体材料进行刻蚀；(2)将所述刻蚀后的中碳钢基体材料清洗后进行干燥；(3)将润滑剂涂覆在所述步骤(2)干燥后的中碳钢基体材料表面，固化后得到减摩耐磨复合润滑膜。本发明以FeCl3质量浓度为(25～75)g/L与HCl质量浓度为(25～100)g/L混合溶液对中碳钢表面进行氧化刻蚀，氧化效果良好，能够得到均匀致密的表面织构，确保后续润滑剂的在表面的良好粘附，从而实现摩擦系数的大幅度降低并且提高耐磨性能。本发明实施例的结果表明，采用本发明请求保护的技术方案得到的复合润滑膜的短期摩擦系数稳定在0.1，经长达9200s的摩擦实验后摩擦系数依然保持在0.15以下，减摩效果良好，延长使用寿命，14400s的滑动摩擦后磨痕宽度不高于250μm。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1得到的复合润滑膜的SEM图；
图2为本发明实施例1得到的复合润滑膜的SEM图；
图3为本发明实施例1得到的复合润滑膜的SEM图；
图4为本发明实施例2得到的复合润滑膜的SEM图；
图5为本发明实施例2得到的复合润滑膜的SEM图；
图6为本发明实施例2得到的复合润滑膜的SEM图；
图7为本发明实施例3得到的复合润滑膜的SEM图；
图8为本发明实施例3得到的复合润滑膜的SEM图；
图9为本发明实施例3得到的复合润滑膜的SEM图；
图10为本发明对比例1得到的润滑膜的SEM图；
图11为本发明对比例1得到的润滑膜的SEM图；
图12为本发明实施例1～3和对比例1得到的复合润滑膜的摩擦特性曲线；
图13为本发明实施例1得到的复合润滑膜的摩擦试验的磨痕图；
图14为本发明实施例1得到的复合润滑膜的摩擦试验的磨痕图；
图15为本发明实施例2得到的复合润滑膜的摩擦试验的磨痕图；
图16为本发明实施例2得到的复合润滑膜的摩擦试验的磨痕图；
图17为本发明实施例3得到的复合润滑膜的摩擦试验的磨痕图；
图18为本发明实施例3得到的复合润滑膜的摩擦试验的磨痕图；
图19为本发明对比例1得到的复合润滑膜的摩擦试验的磨痕图；
图20为本发明对比例1得到的复合润滑膜的摩擦试验的磨痕图；
图21为本发明实施例1刻蚀后未涂覆润滑膜前基体表面的SEM图；
图22为本发明实施例1刻蚀后未涂覆润滑膜前基体表面的SEM图；
图23为本发明实施例1刻蚀后未涂覆润滑膜前基体表面的SEM图；
图24为本发明实施例2刻蚀后未涂覆润滑膜前基体表面的SEM图；
图25为本发明实施例2刻蚀后未涂覆润滑膜前基体表面的SEM图；
图26为本发明实施例2刻蚀后未涂覆润滑膜前基体表面的SEM图；
图27为本发明实施例3刻蚀后未涂覆润滑膜前基体表面的SEM图；
图28为本发明实施例3刻蚀后未涂覆润滑膜前基体表面的SEM图；
图29为本发明实施例3刻蚀后未涂覆润滑膜前基体表面的SEM图；
图30为本发明对比例1清洗后未涂覆润滑膜基体表面的SEM图；
图31为本发明对比例1清洗后未涂覆润滑膜基体表面的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种中碳钢基体的刻蚀方法，采用包括FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀；所述混合溶液中FeCl3的浓度为(25～75)g/L，所述混合溶液中HCl的浓度为(25～100)g/L。
本发明提供的方法，仅仅采用FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀对中碳钢进行浸泡，在短时间内即可完成刻蚀过程，形成结构均匀致密的表面织构，便于复合润滑膜制备过程中后续润滑剂的涂覆，使得润滑膜的制备过程简单；FeCl3和HCl价格便宜，降低成本。而且，以FeCl3质量浓度为(25～75)g/L与HCl质量浓度为(25～100)g/L混合溶液对中碳钢表面进行氧化刻蚀，氧化效果良好，能够得到均匀致密的表面织构；通过Fe3+离子对中碳钢基底氧化完成刻蚀，同时混合溶液中的Cl-离子充分发挥作为点蚀过程“激发剂”的作用，能够有效的穿过由于在氧化反应过程中溶解氧和OH-离子所促进的FeCl3溶液自身水解形成Fe(OH)3胶体，减缓Fe3+离子对基底的刻蚀，所形成的保护膜，重新对基底形成刻蚀；混合溶液中盐酸的存在可减缓氧化反应过程中FeCl3溶液自身水解对Fe3+的消耗，Fe3+充分对基体表面进行刻蚀，提高刻蚀速率，同时Cl-离子产生较多的点蚀孔，盐酸自身也能侵蚀基底，形成FeCl2，提高对基体表面的刻蚀速率。
本发明采用FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀。在本发明中，所述中碳钢的碳含量优选为0.40wt％～0.60wt％，进一步优选为0.45wt％。在本发明的实施例中，所述中碳钢具体为牌号为45#钢。本发明对所述中碳钢的形状没有特殊要求。
所述刻蚀前，本发明优选对中碳钢表面进行预处理，具体为依次采用丙酮、石油醚、无水乙醇和去离子水超声处理中碳钢。在本发明中，所述超声处理的频率优选为20～25kHz，进一步优选为24kHz。在本发明中，采用所述丙酮的超声处理的时间优选为2～5min；采用石油醚的超声处理的时间优选为2～5min；采用所述无水乙醇的超声处理的时间优选为10～15min，进一步优选为12～13min；采用所述去离子水的超声处理的时间优选为2～5min，进一步优选为3min。在本发明中，所述预处理的目的是为了充分去除中碳钢表面的油脂，便于后续刻蚀过程中，所述混合溶液与所述中碳钢表面的良好接触。
在本发明中，所述预处理优选还包括超声处理后的干燥过程，本发明对所述干燥过程没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的干燥方式即可。在本发明的实施例中，所述干燥过程具体为采用吹氮气的方式进行干燥，所述吹氮气的速率优选为25～30L/min，所述吹氮气的时间优选为6～10min，进一步优选为8～9min。
本发明采用包括FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀。在本发明中，所述混合溶液中FeCl3的浓度为(25～75)g/L，进一步优选为(30～60)g/L，最优选为50g/L；本发明对所述FeCl3的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的FeCl3即可。在本发明中，所述混合溶液中HCl的浓度为(25～100)g/L，优选为(30～80)g/L，进一步优选为(40～60)g/L，最优选为50g/L；本发明对所述HCl的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的HCl即可。
本发明优选采用将FeCl3溶液和盐酸混合的方式得到所述混合溶液。当采用将FeCl3溶液和盐酸混合的方式得到所述混合溶液时，所述FeCl3溶液和所述盐酸的体积比优选为1:1；在本发明中，所述FeCl3溶液的质量分数优选为5～15％，进一步优选为6～12％，最优选为10％；在本发明中，所述盐酸的质量分数优选为5～20％，进一步优选为6～16％，更优选为8～12％，最优选为10％。
本发明对所述刻蚀的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的刻蚀方式即可。在本发明的实施例中，具体采用将所述混合溶液浸泡所述中碳钢的方式即可。在本发明中，所述刻蚀的时间优选为20～80min，进一步优选为30～60min，最优选为40～50min。
在本发明中，所述刻蚀的温度优选为40～60℃，进一步优选为40～55℃，最优选为42～50℃。在本发明中，所述刻蚀过程优选在恒温水浴条件下进行，确保温度的稳定保持，刻蚀过程环境稳定。本发明对所述恒温水浴采用的恒温水浴锅没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的恒温水浴锅即可。
本发明还提供了应用上述刻蚀方法制备复合润滑膜的方法，包括以下步骤：
(1)采用上述技术方案所述刻蚀方法对中碳钢基体材料进行刻蚀；
(2)将所述刻蚀后的中碳钢基体材料清洗后进行干燥；
(3)将润滑剂涂覆在所述步骤(2)干燥后的中碳钢基体材料表面后进行固化，得到减摩耐磨复合润滑膜。
本发明采用上述技术方案所述刻蚀方法完成刻蚀后，对所述刻蚀后中碳钢进行清洗后干燥。在本发明中，所述清洗的方式优选为依次采用无水乙醇和去离子水进行超声振荡清洗，所述超声振荡的频率优选为25～30kHz，进一步优选为26～28kHz；在本发明中，所述清洗的时间优选为1～10min，进一步优选为4～6min。
本发明对所述去离子水和无水乙醇的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的去离子和无水乙醇即可。在本发明中，通过采用去离子水和无水乙醇完成超声振荡清洗，确保获得稳定的粗糙结构的同时去除掉所述刻蚀过程中残留在所述中碳钢表面的混合溶液。在本发明中，采用所述去离子水进行超声振荡的时间与采用无水乙醇进行超声振荡的时间比优选为(1～3):1。
所述清洗后，本发明将所述清洗后的中碳钢基体材料进行干燥。本发明优选采用通入惰性气体的方式进行干燥，所述惰性气体优选为氮气。在本发明中，所述惰性气体的通入速率优选为15～20L/min，所述惰性气体的通入时间优选为5～10min，进一步优选为7～8min。
完成干燥后，将润滑剂涂覆在所述干燥后的中碳钢基体材料表面后进行固化，得到减摩耐磨复合润滑膜。
在本发明中，所述润滑剂优选为包括硫化物和丙酮的混合物；在本发明中，所述硫化物和所述丙酮的质量比优选为(0.5～1)：2，进一步优选为(0.55～0.75)：2。在本发明中，所述硫化物的粒径优选为1～2μm；在本发明中，所述硫化物优选为MoS2、WS2或FeS，本发明对所述MoS2、WS2、FeS和丙酮的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。
本发明优选将所述硫化物和所述丙酮混合，调制成糊状，得到润滑剂。本发明通过将所述硫化物和所述丙酮混合，提高所述硫化物的粘稠性，有利于后续所述润滑剂的在中碳钢表面的粘附。
本发明优选将所述润滑剂涂覆在所述干燥后的中碳钢表面。在本发明的实施例中，所述涂覆具体采用将所述干燥后的中碳钢埋入所述润滑剂的方式，提高润滑剂和中碳钢的接触面积。在本发明中，所述埋入后的静置时间优选为5～10min，进一步优选为6～8min；在本发明中，所述静置时间内实现丙酮的挥发，所述中碳钢表面留有硫化物。
本发明完成所述涂覆后，进行固化，得到减摩耐磨复合润滑膜。在本发明中，所述固化的温度优选为120～160℃，进一步优选为130℃～150℃。在本发明中，所述固化的时间优选为30～90min，进一步优选为45～60min。在本发明中，所述固化过程优选在恒温条件下进行，确保温度的稳定保持，固化过程环境稳定。本发明优选在干燥箱中进行，本发明对所述恒温条件采用的干燥箱没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的干燥箱即可。
在本发明中，完成所述固化后，优选对所述复合润滑膜进行清洗。在本发明中，所述清洗充分去除掉所述复合润滑膜表面的混合溶液，得到干净的复合润滑膜。本发明对所述清洗没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的清洗即可，在本发明的实施例中具体采用吹氮气的方式进行清洗，所述吹氮气的时间以能将残留在所述复合润滑膜表面的硫化物吹净为准。在本发明的实施例中，所述氮气的通入速率优选为2～5L/min，所述惰性气体的通入时间优选为2～5min。
本发明还提供了上述制备方案制备得到的减摩耐磨复合润滑膜。在本发明中，所述复合润滑膜包括具有刻蚀织构的表层和涂覆在所述表层的润滑剂。在本发明中，所述具有刻蚀织构的表层优选采用上述技术方案中提及的包括FeCl3溶液和盐酸的混合溶液对所述中碳钢基体材料进行刻蚀得到。
在本发明中，所述复合润滑膜的厚度为0.5～2μm，进一步优选为1～1.5μm。
下面结合实施例对本发明提供的中碳钢基体的刻蚀方法、减摩耐磨复合润滑膜及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
依次采用丙酮、石油醚、无水乙醇和去离子水清洗45#钢表面，以充分去除试样表面的油脂和其他杂质，其中超声清洗的频率均为25kHz，采用丙酮超声清洗2min，采用石油醚超声清洗5min，采用无水乙醇超声清洗10min，采用去离子水超声清洗2min；然后以25L/min的速率进行6min的吹氮气干燥过程，吹干后备用。
吹干后的45#钢采用FeCl3浓度为75g/L和HCl浓度为25g/L的混合溶液浸泡，通过恒温水浴锅进行50℃的1小时保温，取出45#钢后用无水乙醇超声振荡5min，去离子水超声振荡5min，去除FeCl3溶液和盐酸的残留物，随后进行5min的速率为15L/min的吹氮气的干燥处理。
对完成刻蚀的45#钢进行SEM观察，SEM观察结果如图21～23所示，其中图22和图23分别为图21中l和m对应的局部放大图。
取10g粒径为2μm的MoS2粉末和20g丙酮调制成糊状放于瓷舟中，将刻蚀干燥后的45#钢埋入其中，完成润滑剂的涂覆。然后将涂覆有润滑剂的45#钢置于150℃干燥箱中恒温加热1h，取出后以5L/min的速率进行5min吹氮气的方式将残留在45#钢表面的MoS2粉末吹净，得到复合润滑膜。
对得到的复合润滑膜进行SEM观察，SEM观察结果如图1～3所示，其中图2和图3分别为图1中a和b相应的局部放大图，并对所得到的复合润滑膜进行24mm/s摩擦速度下的摩擦试验，磨痕相貌图如13和14所述，其中图14是图13中的h相应局部放大图。
实施例2
本实施例中采用FeCl3浓度为75g/L和HCl浓度为50g/L的混合溶液对预处理后的45#钢进行刻蚀，其余条件与实施例1中完全相同。
其间，对完成刻蚀的45#钢进行SEM观察，SEM观察结果如图24～26所示，其中图25和图26分别为图24中n和o对应的局部放大图。
对得到的复合润滑膜进行SEM观察，SEM观察结果如图4～6所示，其中图5和图6分别为图4中c和d中相应的局部放大图，并对所得到的复合润滑膜进行24mm/s摩擦速度下的摩擦试验，磨痕相貌图如15和16所述，其中图16是图15中的i对应局部放大图。
实施例3
本实施例中采用FeCl3浓度为75g/L和HCl浓度为75g/L的混合溶液对预处理后的45#钢进行刻蚀，其余条件与实施例1中完全相同。
其间，对完成刻蚀的45#钢进行SEM观察，SEM观察结果如图27～29所示，其中图28和图29分别为图27中p和q对应的局部放大图。
对得到的复合润滑膜进行SEM观察，SEM观察结果如图7～9所示，其中图8和图9分别为图7中e和f相应的局部放大图，并对所得到的复合润滑膜进行24mm/s摩擦速度下的摩擦试验，磨痕相貌图如17和18所述，其中图18是图17中的g对应局部放大图。
实施例4
依次采用丙酮、石油醚、无水乙醇和去离子水清洗含碳量为0.60％的中碳钢表面，以充分去除试样表面的油脂和其他杂质，其中超声清洗的频率均为20kHz，采用丙酮超声清洗5min，采用石油醚超声清洗2min，采用无水乙醇超声清洗15min，采用去离子水超声清洗2min；然后以30L/min的速率进行6min的吹氮气干燥过程，吹干后备用。
吹干后的中碳钢采用FeCl3浓度为50g/L和HCl浓度为75g/L的混合溶液浸泡，然后通过恒温水浴锅进行40℃的0.5小时保温，取出中碳钢后用无水乙醇超声振荡5min，去离子水超声振荡5min，去除FeCl3溶液和盐酸的残留物，随后进行5min的速率为15L/min的吹氮气的干燥处理。
取10g粒径为1μm的MoS2粉末和20g丙酮调制成糊状放于瓷舟中，将刻蚀干燥后的45#钢埋入其中，完成润滑剂的涂覆。然后将涂覆有润滑剂的45#钢置于150℃干燥箱中恒温加热0.5h，取出后以2L/min的速率进行5min吹氮气的方式将残留在45#钢表面的MoS2粉末吹净，得到复合润滑膜。
实施例5
依次采用丙酮、石油醚、无水乙醇和去离子水清洗含碳量为0.40％的中碳钢表面，以充分去除试样表面的油脂和其他杂质，其中超声清洗的频率均为25kHz，采用丙酮超声清洗2min，采用石油醚超声清洗2min，采用无水乙醇超声清洗10min，采用去离子水超声清洗5min；然后以30L/min的速率进行6min的吹氮气干燥过程，吹干后备用。
吹干后的中碳钢采用FeCl3浓度为50g/L和HCl浓度为75g/L的混合溶液浸泡，然后通过恒温水浴锅进行40℃的0.5小时保温，取出中碳钢后用无水乙醇超声振荡5min，去离子水超声振荡5min，去除FeCl3溶液和盐酸的残留物，随后进行5min的速率为15L/min的吹氮气的干燥处理。
取15g粒径为1μm的MoS2粉末和30g丙酮调制成糊状放于瓷舟中，将刻蚀干燥后的45#钢埋入其中，完成润滑剂的涂覆。然后将涂覆有润滑剂的45#钢置于120℃干燥箱中恒温加热90min，取出后以5L/min的速率进行2min吹氮气的方式将残留在中碳钢表面的MoS2粉末吹净，得到复合润滑膜。
对比例1
依次采用丙酮、石油醚、无水乙醇和去离子水清洗45#钢表面，以充分去除试样表面的油脂和其他杂质，其中超声清洗的频率均为25kHz，采用丙酮超声清洗2min，采用石油醚超声清洗5min，采用无水乙醇超声清洗10min，采用去离子水超声清洗2min；然后以25L/min的速率进行6min的吹氮气干燥过程，吹干后备用。
对备用样品进行SEM观察，SEM观察结果如图30和31所示，其中图31为图24中r对应的局部放大图。
不经过FeCl3溶液和盐酸混合溶液的刻蚀过程，直接取10g粒径为2μm的MoS2粉末和20g丙酮调制成糊状放于瓷舟中，然后将预处理后的45#钢埋入其中，完成润滑剂的涂覆。然后将涂覆有润滑剂的45#钢置于150℃干燥箱中恒温加热1h，取出后以5L/min的速率进行5min吹氮气的方式将残留在45#钢表面的MoS2粉末吹净，得到复合润滑膜。
对得到的复合润滑膜进行SEM观察，SEM观察结果如图10和11所示，其中图11为图10中g相应的局部放大图，并对所得到的复合润滑膜进行24mm/s摩擦速度下的摩擦试验，磨痕相貌图如19和20所述，其中图20是图19的k相应局部放大图。
使用多功能摩擦磨损测试仪(UMT-3，CETR)对实施例1～3和对比例1得到的复合润滑膜进行摩擦性能检测，检测结果如图12所述。其中摩擦试验采用点-面接触的摩擦副进行往复运动，面-是不同刻蚀液刻蚀后的铜箔样品，点-是直径为4mm的钢球(Gr15)。试验加载的法向载荷为0.5N，其最大接触赫兹应力为0.68GPa，两对偶件的相对滑动速度分别设定为为24mm/s，滑动行程为6mm，试验过程的环境温度为25℃，相对湿度为40％。为了提高试验的可靠性，相同试验均重复3～5次取平均值。
由图1～11可以看出经过涂覆润滑剂之后，未刻蚀样品表面均匀的散落了一层润滑剂，而在刻蚀后的样品表面上，微坑结构里和点蚀形成的孔洞里都填充了较多的润滑剂，但是整个表面上并没有存留更多的润滑剂。由图1～9可以看出，较高的盐酸质量分数后刻蚀的样品经过刷镀MoS2润滑剂后，与较低的质量分数的盐酸刻蚀后相比，其表面上的微坑结构截留了更多的润滑剂，而孔洞中容纳的颗粒也更多，更有利于获得寿命更长的固体润滑膜。
按照实施例1～3、对比例1技术方案得到的复合润滑膜的摩擦特性曲线如图12所示；经不同浓度盐酸的混合溶液刻蚀处理后得到的复合润滑膜的磨痕宽度如表1所示。
由图12可以看出未织构样品的表面构筑润滑膜的寿命均低于织构后样品表面构筑的润滑膜寿命。由于有润滑膜的存在，在未织构的样品表面，在最初的很短的时间内能保持较低的摩擦系数，但是未刻蚀样品表面过于光滑，构筑的固体润滑膜由于粘附力较低，而摩擦区域附近的润滑剂又难以向摩擦区副域转移，在摩擦副区的润滑剂消耗殆尽后，致摩擦副间基底相互接触使摩擦系数迅速升高。而织构后的样品表面存在着微坑形微纳结构，更有点蚀形成的孔洞来容纳更多的润滑剂，在摩擦的过程中作为“微储存器”将存储的润滑剂不断的提供到摩擦区域里，使其能不断的进行润滑，获得的更为稳定的摩擦系数，延长了摩擦的过程中润滑膜的耐磨寿命。
由图12可知，未经刻蚀直接涂覆润滑剂的表面保持低摩擦系数的时间仅仅有大约30秒，经历了初期的磨合后，摩擦系数迅速的升高到0.7左右，按照实施例技术方案处理后的铜箔，在短暂的磨合期后，摩擦系数稳定在0.1左右，起到了极大的减摩效果，并且在9200s内均能保持稳定的摩擦系数。按照本领域常识，摩擦系数一旦上升到0.67左右说明薄膜已经被磨穿。以上结果表明，通过双FeCl3溶液和盐酸的混合溶液的刻蚀形成表面织构结构结合后续涂覆的润滑剂能对铜基底表面起到保护作用，达到优异的减摩效果。
由表1可知，当混合溶液中盐酸质量浓度为25g/L～100g/L范围内，按照实施例技术方案处理后的铜箔的磨痕宽度低于了250μm，远远低于不经过双氧水的刻蚀处理的铜箔表面263μm的磨痕宽度，表明本申请请求保护的技术方案实现了提高铜表面耐磨性能。
表1包括不同浓度盐酸的混合溶液处理后的45#钢表面的磨痕宽度
由图13～图20可知，未经刻蚀直接进行润滑剂的涂覆，进行1800s的滑动摩擦后产生了严重的磨损，其磨痕平均宽度超过了260μm；按照实施例技术方案得到的复合润滑膜表面只有很轻微的磨损，平均磨痕宽度不高于250μm，这说明通过FeCl3和HCl的混合溶液的刻蚀形成表面织构，结合润滑剂的涂覆和固化处理实现了减摩耐磨。
由图13～图20可知，经刻蚀后的样品磨痕中的微坑结构有较多保留，磨损较为轻微，润滑剂能有效从微坑结构和点蚀孔中被对偶件转移到摩擦区域进行润滑，同时微坑结构和点蚀孔在一定程度上也能容纳摩擦产生的磨屑，减少磨粒磨损，这些过程有利于降低摩擦系数和增加其稳定性，也有利于延长润滑膜的耐磨寿命；未刻蚀的样品表面一方面由于润滑剂粘附力不好难以存留，润滑膜容易破裂，进而磨损加剧，产生了大量的磨屑；同时由于没有微坑结构和点蚀孔来容纳摩擦产生的磨屑，易发生磨粒磨损，进一步加深磨损情况，摩擦系数迅速升高。
由图30和31可以看出未刻蚀钢块表面仅有加工纹理，并无其他特殊形貌，使用多功能表面粗糙度仪(tr100)对刻蚀前后样品的表面粗糙度进行检测，测得其表面粗糙度Ra也仅仅只有0.025μm，采用本申请实施例1所示混合溶液进行刻蚀后，如图21～23所示，基体表面不仅出现了微坑状的微纳结构，还分布了一些由于点蚀形成的点蚀孔，表面粗糙度Ra也上升到了0.89μm；结合采用实施例2和3所示的混合溶液进行刻蚀后的基体表面的微坑结构分布更为均匀，如图24～29所示，微坑的分布密度更大，而点蚀形成的孔洞，平均直径也变得更大，深度更深，样品表面粗糙度Ra也略有降低，分别达到了0.61μm和0.63μm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种制备复合润滑膜的方法，包括以下步骤：
(1)对中碳钢基体材料进行刻蚀；所述刻蚀的方法为：采用包括FeCl3和HCl的混合溶液对中碳钢基体材料进行刻蚀；
所述混合溶液中FeCl3的浓度为(25～75)g/L，所述混合溶液中HCl的浓度为(25～100)g/L；所述刻蚀的时间为20～80min；
(2)将所述刻蚀后的中碳钢基体材料清洗后进行干燥；
(3)将润滑剂涂覆在所述步骤(2)干燥后的中碳钢基体材料表面，固化后得到减摩耐磨复合润滑膜；
所述润滑剂为包括硫化物和丙酮的混合物；
所述涂覆具体采用将所述干燥后的中碳钢埋入所述润滑剂的方式；
所述复合润滑膜包括具有刻蚀织构的表层和涂覆在所述表层的润滑剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀的温度为40～60℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中固化的温度为120～160℃。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中固化的时间为30～90min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硫化物和所述丙酮的质量比为(0.5～1)：2。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中硫化物为MoS2、WS2或FeS。
7.权利要求1～6任一项所述的制备方法得到的减摩耐磨复合润滑膜，其特征在于，所述复合润滑膜包括具有刻蚀织构的表层和涂覆在所述表层的润滑剂，所述复合润滑膜的厚度为0.5～2μm。
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