CN106884192B - 一种自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺 - Google Patents

一种自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺，包括微弧氧化陶瓷层工艺和电泳沉积涂层工艺；微弧氧化电解液的组分及浓度为：Na2SiO3为4g/l，Na2WO3为4g/l，KOH为2g/l，以及EDTA‑2Na为2g/l，微弧氧化的电参数为：正向电压420v、负向电压120v、电源频率1500Hz、正向占空比60％；电泳沉积电解液的组分为：10％固体分的丙烯酸阳极电泳漆、粒径为40nm的MoS2的纳米粒子、聚乙二醇，所述MoS2的纳米粒子的浓度为10g/l；电泳沉积的电参数为：正向电压360v、负向电压0v、电源频率20Hz、正向占空比5％。本发明采用先微弧氧化陶瓷层再电泳沉积涂层的工艺，确保陶瓷基复合材料良好的结合状态，制得具有减磨、自润滑性能的陶瓷基复合材料。

Description

一种自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺
技术领域
本发明涉及铝合金的表面处理技术领域，具体涉及一种自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺。
背景技术
在内燃机的设计制造中，确保缸套-活塞组件的可靠性和耐久性至关重要。在缸套-活塞组件中，活塞受高温高压燃气的热应力、机械冲刷、高温腐蚀及与缸套、活塞环间的摩擦磨损等因素的作用，其可靠性与发动机的寿命和运行成本息息相关。高硅铸造铝合金常用于制备铝合金活塞。然而，高硅铝合金具有表面硬度低，耐磨和耐腐蚀性能较差的特点。所以，常采用表面强化方法提高活塞的可靠性来降低发动机的故障率。
复合涂层可通过不同工艺获得优异的机械、化学、耐磨损以及耐腐蚀性能，因此被广泛应用于机械零件的表面强化和再制造。向复合涂层中加入微纳米粒子，如石墨、碳化硅、Al2O3、Si3N4等，可以显著降低摩擦系数和磨损率。然而，传统的电泳沉积、电镀、喷涂等方法得到的复合涂层与基体的结合方式一般是外延生长、化学键结合、分子键和机械结合等，这些结合方式的结合强度较低，很难独立满足活塞高温高压、应力复杂恶劣的工作条件要求。
微弧氧化是包含电化学、等离子体化学等过程的一种表面处理技术。微弧氧化技术可在铝、镁钛等阀金属表面得到多孔结构的陶瓷层。该陶瓷层与基体的结合方式是金属键结合，结合强度较高。前期研究中已经证实，微弧氧化陶瓷层具有优异的耐磨性能，截面平均显微硬度在1200HV以上，并且从内部的致密层到外部的疏松层存在明显的硬度梯度(1200HV～600HV)。然而，缸套表面硬度远远低于陶瓷层中致密层的硬度。尽管利用微弧氧化技术，我们可以提高由高硅铝合金制备的活塞裙部表面的耐磨性能，但是必须采取相应的表面强化措施来提高缸套表面的耐磨性能，以使缸套-活塞组件配合良好。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺。本发明采用的技术手段如下：
一种自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺，包括微弧氧化陶瓷层工艺和电泳沉积涂层工艺；
微弧氧化电解液的组分及浓度为：Na2SiO3为4g/l，Na2WO3为4g/l，KOH为2g/l，以及EDTA-2Na为2g/l，微弧氧化电解液溶剂为去离子水；
微弧氧化的电参数为：正向电压420v、负向电压120v、电源频率1500Hz、正向占空比60％；
电泳沉积电解液的组分为：10％固体分的丙烯酸阳极电泳漆、粒径为40nm的MoS2的纳米粒子、聚乙二醇，所述MoS2的纳米粒子的浓度为10g/l，电泳沉积电解液溶剂为去离子水，所述聚乙二醇与MoS2的重量比为1:2；
电泳沉积的电参数为：正向电压360v、负向电压0v、电源频率20Hz、正向占空比5％。
进一步地，所述微弧氧化电解液的温度为30℃。
进一步地，所述电泳沉积电解液的温度为25℃。
进一步地，电泳沉积时间为1min，电泳沉积的电极工作距离为5cm。
与现有技术比较，本发明所述的自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺采用先微弧氧化陶瓷层再电泳沉积涂层的工艺，微弧氧化陶瓷层的多孔结构则会显著提高陶瓷基复合材料间的结合强度，并在摩擦磨损过程中一方面发挥减磨的作用，另一方面起到储存固体润滑剂的作用，进而提高陶瓷基复合材料的使用寿命和工作效果，而且本发明对MoS2在电解液中的浓度和分散性、电泳沉积工作电压、电泳沉积时间以及电极间工作距离等参数进行了系统的优化，以提高固体润滑剂MoS2在陶瓷基复合材料中的浓度，确保陶瓷基复合材料良好的结合状态，制得具有减磨、自润滑性能的陶瓷基复合材料。
附图说明
图1是本发明实施例的制备工艺流程图。其中，图1a为ZL109铝合金基体的截面形貌图，图1b为ZL109铝合金表面微弧氧化后的截面形貌图，图1c为ZL109铝合金表面陶瓷基复合材料的截面形貌图，图中：1、ZL109铝合金，2、微弧氧化陶瓷层，3、电泳沉积涂层，A处为MoS2。
图2是本发明实施例所述的微弧氧化陶瓷层的表面形貌图。
图3是本发明实施例所述的陶瓷基复合材料的表面形貌图。
图4是本发明实施例所述的陶瓷基复合材料的表面局部形貌图。
图5是图4的B处表面能谱分析结果图。
图6是本发明实施例所述的微弧氧化陶瓷层和陶瓷基复合材料的表面XRD曲线图；图中，a为微弧氧化陶瓷层，b为陶瓷基复合材料。
图7是本发明实施例所述的陶瓷基复合材料和ZL109铝合金基体的摩擦系数曲线图；图中，a为陶瓷基复合材料，b为ZL109铝合金基体。
图8是本发明实施例所述的ZL109铝合金基体磨损表面形貌图。
图9是与ZL109铝合金基体配合的缸套试样磨损表面形貌图。
图10是本发明实施例所述的陶瓷基复合材料磨损表面形貌图。
图11是图10的C处表面能谱分析结果图。
图12是与陶瓷基复合材料配合的缸套试样磨损表面形貌图。
具体实施方式
如图1a至图1c所示，一种自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺，包括微弧氧化陶瓷层工艺和电泳沉积涂层工艺；
微弧氧化电解液的组分及浓度为：Na2SiO3为4g/l，Na2WO3为4g/l，KOH为2g/l，以及EDTA-2Na为2g/l，微弧氧化电解液溶剂为去离子水，微弧氧化电解液的温度为30℃，形成微弧氧化陶瓷层；
微弧氧化的电参数为：正向电压420v、负向电压120v、电源频率1500Hz、正向占空比60％；
电泳沉积电解液的组分为：10％固体分的丙烯酸阳极电泳漆、粒径为40nm的MoS2的纳米粒子、聚乙二醇，所述MoS2的纳米粒子的浓度为10g/l，电泳沉积电解液溶剂为去离子水，所述聚乙二醇与MoS2的重量比为1:2；电泳沉积电解液的温度为25℃，形成电泳沉积涂层，于微弧氧化陶瓷层共同形成陶瓷基复合材料；
电泳沉积的电参数为：正向电压360v、负向电压0v、电源频率20Hz、正向占空比5％，电泳沉积时间1min、电极工作距离5cm。
在微弧氧化和电泳沉积前，利用去离子水配制电解液，并使用磁力搅拌器搅拌30min(转速150rpm)，随后超声振荡60min，以确保电解液组分均匀分散。经微弧氧化15min和电泳沉积1min处理后的试样放入烘干箱中170℃恒温烘烤30min，随后自然冷却完成陶瓷基复合材料的制备。如图1所示，陶瓷层厚度约为10μm，陶瓷基复合材料的厚度约为20μm。在电场的作用下，电泳沉积优先在孔和厚度较薄的陶瓷层区域形成电泳沉积层，所以在孔和薄层区域沉积着更多的被电泳漆包裹着的MoS2。
利用扫描电镜(SEM)分析陶瓷基复合材料表面和截面形貌特征；使用X射线衍射仪(XRD)和X射线能谱仪(EDXS)分析陶瓷基复合材料的相组成和化学组成；在干摩擦条件下，利用大连海事大学自制的往复式摩擦磨损试验机研究陶瓷基复合材料的摩擦学性能。
如图2所示，微弧氧化陶瓷层表面呈现出高低起伏的多孔形貌。由如3至图5也可见，在电场的作用下，电泳沉积优先在孔和厚度较薄的陶瓷层区域形成电泳沉积层，所以在孔和薄层区域沉积着更多的被电泳漆包裹着的MoS2。
如图6所示，由于微弧氧化陶瓷层膜层较薄，且为多孔结构，所以其主要相组成为Al和γ-Al2O3(曲线a)。同时可以看到，陶瓷基复合材料的XRD曲线中出现了一个显著的新峰(2θ＝14.331°)(曲线b)。经与标准卡片比对，其为MoS2的典型衍射峰。XRD分析结果表明MoS2被引入到陶瓷基复合材料中，并且进一步说明陶瓷基复合材料的形成属于机械组合，没有生成新的物质。
对陶瓷基复合材料摩擦学性能进行分析分析，摩擦磨损试验方案如下：
摩擦副：ZL109铝合金基体与缸套试样(硼铜铸铁、110mm*10mm*2mm)；陶瓷基复合材料与缸套试样(同上)；
试验条件：干摩擦；往复式摩擦磨损，滑动速度1m/s，加载力20N，时间5min。
如图7所示，ZL109铝合金基体的平均摩擦系数初期缓慢降低后稳定在0.7左右(曲线b)，且在试验过程中的摩擦系数波动显著，试验机振动剧烈。然而，陶瓷基复合材料的平均摩擦系数初期缓慢增加后稳定在0.45左右(曲线a)，且磨擦系数曲线比较平滑，试验机振动较小。
如图8和图9所示，ZL109铝合金基体及其配套的缸套试样表面磨损严重，分布着不均匀的划痕和擦伤痕迹，经称重缸套试样的平均磨损量接近10mg。如图10至图12所示，陶瓷基复合材料试样及其配套的缸套磨损表面光滑平整，无明显划痕。
MoS2是重要的固体润滑剂，特别适用于高温和高压条件。MoS2的层状晶体结构决定了其容易滑动，从而发挥减磨的作用。另一方面，Mo原子和S原子之间的离子键提高了润滑膜的稳定性，可防止金属的突出表面刺穿MoS2润滑膜。S原子暴露在MoS2晶体表面，进而提高润滑膜与金属表面间的附着力。如图10所示，在陶瓷基复合材料磨损表面形成了不均匀的转移膜。在电泳沉积层与陶瓷层间的机械镶嵌，电泳沉积层与陶瓷层基体之间的化学、电化学作用以及MoS2自身性质特点等因素的共同影响下，转移膜与摩擦表面保持良好的结合状态。此外，陶瓷基复合材料的磨损表面呈黑色，这是MoS2分子与涂层表面间扩散作用的结果。另外，在陶瓷基复合材料磨损表面，可以看到部分微弧氧化陶瓷层裸露出来，暴露出的陶瓷层恰好提高了陶瓷基复合材料的耐磨性能。经称重缸套试样的平均磨损量为0.5mg。
因此，陶瓷基复合材料表现出优异的减磨和自润滑性能。在本工作试验条件下，摩擦系数降低了35％，磨损量降低了95％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺，包括微弧氧化陶瓷层工艺和电泳沉积涂层工艺；
微弧氧化电解液的组分及浓度为：Na2SiO3为4g/l，Na2WO3为4g/l，KOH为2g/l，以及EDTA-2Na为2g/l，微弧氧化电解液溶剂为去离子水；
微弧氧化的电参数为：正向电压420v、负向电压120v、电源频率1500Hz、正向占空比60％；
电泳沉积电解液的组分为：10％固体分的丙烯酸阳极电泳漆、粒径为40nm的MoS2的纳米粒子、聚乙二醇，所述MoS2的纳米粒子的浓度为10g/l，电泳沉积电解液溶剂为去离子水，所述聚乙二醇与MoS2的重量比为1:2；
电泳沉积的电参数为：正向电压360v、负向电压0v、电源频率20Hz、正向占空比5％。
2.根据权利要求1所述的自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺，其特征在于：所述微弧氧化电解液的温度为30℃。
3.根据权利要求1所述的自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺，其特征在于：所述电泳沉积电解液的温度为25℃。
4.根据权利要求1所述的自润滑陶瓷基复合材料的制备工艺，其特征在于：电泳沉积时间为1min，电泳沉积的电极工作距离为5cm。
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