CN108486565A - 一种低压冷喷涂铜基自润滑涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低压冷喷涂铜基自润滑涂层，该涂层由重量百分含量为10%～30%的铜包石墨、8%～12%的氧化铝及余量铜组成。本发明还公开了该涂层在304不锈钢表面采用低压冷喷涂技术制备。本发明所述涂层组织结构均匀，涂层与基底结合良好，并具有优良的力学、润滑和抗磨损性能。此外，涂层的制备技术绿色环保、操作方便、可控性好；涂层在无油或乏油环境下作为润滑部件具有广阔的应用前景和重要的实用价值。

Description

一种低压冷喷涂铜基自润滑涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低压冷喷涂铜基自润滑涂层及其制备方法，属于金属材料表面润滑与防护技术领域。
背景技术
在机械工程、能源化工及装备制造业等领域，机械系统中运动部件的摩擦磨损问题严重影响了整个系统的精密性、可靠性和使用寿命。因此，在常用的金属材料表面制备具有良好自润滑性能且兼具较好机械性能的涂层具有广泛的应用需求和重要的应用价值。软金属铜在摩擦过程中因其良好的延展与易剪切等特性能够起到良好的润滑效果；但是在铜涂层的制备过程中存在氧化、硬度较低与承载能力较差等问题，在一定程度上限制了其使用范围。
低压（≤1.0 MPa）冷喷涂涂层制备技术是一种以压缩气体（空气、N2、He或其混合气体）作为加速介质，基于气体动力学原理在喷涂过程中带动喷涂粉末以极高的速度碰撞基底，使粉末发生塑性变形沉积而形成涂层的新型喷涂技术。与其它涂层制备技术相比，其设备装置操作使用方便、喷涂温度较低，对基底材料热损伤小，还可有效解决喷涂过程中材料因温度过高而发生的相变、分解及氧化等问题。
近几年来在铜基自润滑涂层的研究中，文献[Tribology letter 2016, 62(9):1-12]采用高压（＞1.0 MPa）冷喷涂制备的Cu-MoS2复合涂层与纯铜涂层相比具有良好的润滑效果但同时也存在磨损严重等缺点；文献[Wear 2015, 336-337:96-107]制备的Cu-Al2O3复合涂层能够显著改善纯铜涂层的耐磨损性能，但润滑效果不明显。然而，低压冷喷涂所用粉末一般是由软质金属（如Cu、Ag、Al及Zn等）和硬质陶瓷相（如Al2O3、WC等）组成的混合粉末，其中硬质陶瓷相可有效提高涂层的硬度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低压冷喷涂铜基自润滑涂层及其制备方法。
本发明利用低压冷喷涂技术在304不锈钢基底上制备软金属Cu/耐磨相（Al2O3）及固体润滑相（铜包石墨）的铜基自润滑涂层材料，实现涂层良好的润滑性能和耐磨损性能。
一种低压冷喷涂铜基自润滑涂层，其特征在于该涂层由重量百分含量为10%～30%的铜包石墨、8%～12%的氧化铝及余量铜组成。
所述铜包石墨中石墨含量为50%。
如上所述低压冷喷涂铜基自润滑涂层的制备方法，其特征在于：将电解枝状铜粉、多边形氧化铝粉和片状铜包石墨粉的混合粉末作为喷涂粉原料进行喷涂；其制备工艺如下：
1）将电解枝状铜粉、多边形氧化铝粉、片状铜包石墨粉混合均匀后在75～80 °C干燥1～2 h；
2）将304不锈钢片基底材料经过300～500目碳化钨砂纸抛光后，在丙酮溶液中超声清洗表面的磨屑及油污；再用低压冷喷涂设备调节压缩空气压力为0.70～0.85 MPa，气体温度为室温，喷砂粒子为80～100目的多边形氧化铝，喷砂角度为40°～50°，喷砂距离为25～30 mm，喷砂移动速度为25～35 mm/s，去除基底材料表面的氧化膜；
3）低压冷喷涂设备以三维数控滑轨为喷涂机械手，通过数控USB控制器（CNC USBController）软件编程控制喷嘴以“S”型直线路径进行喷涂；压缩空气为工作气体，设定气体压力为0.80～0.85 MPa，气体加热温度400～500 °C，喷嘴离基底的喷涂距离为8～12mm，喷涂角度为90°，送粉速率为10～20 g/min，喷涂移动速度为25～30 mm/s，喷涂间距为1～3 mm，喷涂时间为3～10 min；在此工艺条件下制备得到所述的铜基自润滑复合涂层。
所述电解枝状铜粉的粒径为10～33 μm，纯度≥99.0%；多边形氧化铝粉的粒径为2～32 μm，纯度≥98.0%；片状铜包石墨粉的粒径为23～81 μm，纯度≥98.0%。
铜基自润滑涂层的摩擦磨损试验在HT-1000摩擦磨损试验机上进行，载荷5 N，旋转半径5 mm，转速360 r/min，运行时间60 min，摩擦对偶为304不锈钢球（Φ6 mm），摩擦环境为室温大气。涂层硬度测试采用HBS-62.5型数显小负荷布氏硬度计对其布氏硬度进行测量；实验压头硬质合金球直径为2.5 mm，载荷力为62.5 Kgf，加载保持时间30 s；每种涂层各测试10次，其平均值作为涂层的布氏硬度；涂层厚度采用奥林巴斯光学显微镜测量。
与现有固体润滑涂层及其制备技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明所述的低压冷喷涂铜基自润滑涂层在耐磨与润滑的设计基础上，利用铜包石墨有效地解决了固体润滑剂石墨在喷涂过程中存在的氧化、密度小及难发生形变形成涂层等一系列问题。
2、本发明所述的低压冷喷涂铜基自润滑涂层与304不锈钢基体和铜/氧化铝涂层相比具有更好的自润滑性能。
3、本发明所述的低压冷喷涂设备以三维数控滑轨为喷涂机械手，通过数控USB控制器（CNC USB Controller）软件编程控制喷嘴以“S”型直线路径进行喷涂，喷涂路径间距可控，操作简单方便、涂层均匀致密。此外，喷涂以压缩空气为动力来源，喷涂成本低、无污染，是一种绿色环保涂层制备技术。
4、本发明所述的低压冷喷涂铜基自润滑涂层制备方法简单、快速，涂层结构致密、均匀，厚度可控，且具有良好的耐磨、润滑性能。
附图说明
图1为本发明所述的低压冷喷涂铜基自润滑涂层和304不锈钢基底与摩擦对偶304不锈钢球在室温下的摩擦系数随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面将本发明所述的低压冷喷涂铜基自润滑复合涂层具体实施例做出进一步全面、详细的描述。
实施例1：
（1）将粒径为20 μm左右的电解铜粉（纯度≥99.0%）和2～10 μm的多边形氧化铝粉（纯度≥98.0%）及47 μm左右的片状铜包石墨粉（纯度≥98.0%）作为喷涂粉，其中铜、氧化铝和铜包石墨粉的重量百分含量分别为80%、10%和10%；随后将三种粉末混合均匀后放置在真空干燥箱中80 °C干燥1 h。
（2）低压冷喷涂设备以三维数控滑轨为喷涂机械手，将经过300～500目碳化钨砂纸抛光并在丙酮溶液中超声清洗后的304不锈钢片表面用80～100目的多边形氧化铝在0.80 MPa气体压力下对其进行45° 喷砂处理，喷砂距离为25 mm，喷砂移动速度为25 mm/s，去除金属基底材料表面的氧化层。通过数控USB控制器（CNC USB Controller）软件编程控制喷嘴以“S”型直线路径进行喷涂，相邻喷涂路径间距为1 mm；压缩空气气压为0.80 MPa，气体加热温度为500 °C，喷嘴离基底的喷涂距离为10 mm，喷涂角度为90°，喷涂移动速度为30 mm/s，喷涂重复3次，喷涂时间为4 min，平均送粉速率为16.1 g/min，涂层平均厚度为400 μm。
（3）在此工艺条件下制备得到铜/氧化铝+10%铜包石墨铜基自润滑涂层平均布氏硬度为106.60；与摩擦对偶304不锈钢球的摩擦系数为0.29；304不锈钢基底与铜/氧化铝+10%铜包石墨铜基自润滑涂层的摩擦系数随时间变化的曲线图如图1所示。
实施例2：
（1）将粒径为30 μm左右的电解铜粉（纯度≥99.0%）和4～20 μm的多边形氧化铝粉（纯度≥98.0%）及30～60 μm的片状铜包石墨粉（纯度≥98.0%）作为喷涂粉，其由重量百分含量为68%电解铜和12%的多边形氧化铝粉及20%的铜包石墨粉组成，混合均匀后放置在真空干燥箱中75 °C干燥2 h。
（2）采用低压冷喷涂设备将经过300～500目碳化钨砂纸抛光并在丙酮溶液中超声清洗后的304不锈钢片表面用80～100目的多边形氧化铝在0.75 MPa气体压力下对其进行45° 喷砂处理，喷砂距离为28 mm，喷砂移动速度为28 mm/s；涂层制备用CNC USBController软件编程控制相邻喷涂路径间距为1 mm；压缩空气气压为0.85 MPa，气体加热温度为500 °C，喷嘴离基底的喷涂距离为11 mm，喷涂角度为90°，喷涂移动速度为30 mm/s，喷涂重复4次，喷涂时间为5.5 min，平均送粉速率为13.3 g/min，涂层平均厚度为561 μm。
（3）在此工艺条件下制备得到铜/氧化铝+20%铜包石墨铜基自润滑涂层平均布氏硬度为88.19；与摩擦对偶304不锈钢球的摩擦系数为0.33。
实施例3：
（1）将粒径为15 μm左右的电解铜粉（纯度≥99.0%）和2～25 μm的多边形氧化铝粉（纯度≥98.0%）及25～75 μm的片状铜包石墨粉（纯度≥98.0%）作为喷涂粉，其质量百分含量分别为62%、8%和30%，混合均匀后在真空干燥箱中75 °C干燥2 h。
（2）采用低压冷喷涂设备将经过300～500目碳化钨砂纸抛光并在丙酮溶液中超声清洗后的304不锈钢片表面用80～100目的多边形氧化铝在0.80 MPa气体压力下进行45°喷砂处理，喷砂距离为30 mm，喷砂移动速度为30 mm/s；涂层制备用CNC USB Controller软件编程控制相邻喷涂路径间距为1 mm；压缩空气气压为0.80 MPa，气体加热温度为500 °C，喷嘴离基底的喷涂距离为10 mm，喷涂角度为90°，喷涂移动速度为28 mm/s，喷涂重复5次，喷涂时间为6.5 min，平均送粉速率为12.3 g/min，涂层平均厚度为440 μm。
（3）在此工艺条件下制备得到铜/氧化铝+30%铜包石墨铜基自润滑涂层平均布氏硬度为62.20；与摩擦对偶304不锈钢球的摩擦系数为0.44。

Claims (5)

1.一种低压冷喷涂铜基自润滑涂层，其特征在于该涂层由重量百分含量为10%～30%的铜包石墨、8%～12%的氧化铝及余量铜组成。
2.如权利要求1所述的铜基自润滑涂层，其特征在于所述铜包石墨中石墨含量为50%。
3.如权利要求1或2所述低压冷喷涂铜基自润滑涂层的制备方法，其特征在于：将电解枝状铜粉、多边形氧化铝粉和片状铜包石墨粉的混合粉末作为喷涂粉原料进行喷涂；其制备工艺如下：
1）将电解枝状铜粉、多边形氧化铝粉、片状铜包石墨粉混合均匀后在75～80 °C干燥1～2 h；
2）将304不锈钢片基底材料经过300～500目碳化钨砂纸抛光后，在丙酮溶液中超声清洗表面的磨屑及油污；再用低压冷喷涂设备调节压缩空气压力为0.70～0.85 MPa，气体温度为室温，喷砂粒子为80～100目的多边形氧化铝，喷砂角度为40°～50°，喷砂距离为25～30 mm，喷砂移动速度为25～35 mm/s，去除基底材料表面的氧化膜；
3）进行低压冷喷涂：压缩空气为工作气体，设定气体压力为0.80～0.85 MPa，气体加热温度400～500 °C，喷嘴离基底的喷涂距离为8～12 mm，喷涂角度为90°，送粉速率为10～20g/min，喷涂移动速度为25～30 mm/s，喷涂间距为1～3 mm，喷涂时间为3～10 min。
4.要求3所述的制备方法，其特征在于所述电解枝状铜粉的粒径为10～33 μm，纯度≥99.0%；多边形氧化铝粉的粒径为2～32 μm，纯度≥98.0%；片状铜包石墨粉的粒径为23～81μm，纯度≥98.0%。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述低压冷喷涂以三维数控滑轨为喷涂机械手，通过数控USB控制器软件编程控制喷嘴以“S”型直线路径进行喷涂。
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