CN110894603B - 一种用于制备耐磨自润滑涂层的材料以及耐磨自润滑涂层和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备耐磨自润滑涂层的材料以及耐磨自润滑涂层和制备方法。材料组分为抛光氧化铝粉末和铝合金粉末，以质量百分数计，抛光氧化铝粉末的质量为抛光氧化铝粉末和铝合金粉末总质量的20％～40％。将所述用于制备耐磨自润滑涂层的材料冷喷涂至轻合金材料表面形成所述耐磨自润滑涂层。本发明解决了现有技术中无法同时实现涂层的自润滑与高耐磨损性的问题。本发明能够在降低涂层的摩擦系数同时提高涂层的耐磨性。

Description

一种用于制备耐磨自润滑涂层的材料以及耐磨自润滑涂层和 制备方法

技术领域

本发明属于金属涂层制备领域，具体涉及一种用于制备耐磨自润滑涂层的材料以及耐磨自润滑涂层和制备方法。

背景技术

轻合金因具有比强度、比刚度高同时比重小的优点而广泛应用于航空航天、汽车制造领域。如目前部分汽车发动机的汽缸体已由灰铸铁改为铝合金，但是必须满足一些额外的要求，如：要确保气缸筒滑移表面耐磨、摩擦副易滑动。到目前为止研究人员已经开发了许多提高轻合金表面耐磨性的技术。

目前在轻合金合金表面制备耐磨涂层的技术主要包括微弧氧化、热喷涂、激光熔覆等技术。微弧氧化技术可显著提高材料表面的耐磨性，但是摩擦系数较高，缺少自润滑性，不利于节能减排；热喷涂和激光熔覆技术可以在轻合金表面制备含有固体润滑剂如二硫化钼的金属基耐磨自润滑涂层，但是因为对基体的热影响较大，容易引起机体材料表面晶粒长大以及出现残余拉应力，导致材料疲劳性能降低，如基体材料的厚度较薄，这两种技术极易导致基体变形。近年来出现的冷喷涂技术为制备出即符合耐磨自润滑要求的涂层又对基体的损伤小创造了一种可能，冷喷涂的技术原理如图1所示。目前，研究者采用冷喷涂技术在轻合金表面制备耐磨涂层做了大量工作，其中主要的工作集中于在轻合金表面制备金属-陶瓷基耐磨涂层，制备的涂层耐磨损性能与基体材料均有极大的改善，但是摩擦系数较大，甚至超过了基体的摩擦系数，无法同时实现涂层的自润滑与高耐磨损性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备耐磨自润滑涂层的材料以及耐磨自润滑涂层和制备方法，以解决现有技术中无法同时实现涂层的自润滑与高耐磨损性的问题。本发明能够在降低涂层的摩擦系数同时提高涂层的耐磨性。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于制备耐磨自润滑涂层的材料，其组分为抛光氧化铝粉末和铝合金粉末，以质量百分数计，抛光氧化铝粉末的质量为抛光氧化铝粉末和铝合金粉末总质量的20％～40％。

铝合金粉末为1系列至7系列的铝合金粉末。

抛光氧化铝粉末的粒度为30-100μm。

铝合金粉末粒度为5-40μm。

一种利用本发明所述材料制备耐磨自润滑涂层的方法，包括如下过程：

将所述用于制备耐磨自润滑涂层的材料冷喷涂至轻合金材料表面形成所述耐磨自润滑涂层。

冷喷涂时，载气压力为0.5-5MPa，喷涂距离为5-30mm，喷枪移动速度为10-60mm/s，喷涂温度为100-400℃。

轻合金包括铝、镁、钛、铝合金、镁合金或钛合金。

冷喷涂前，对轻合金材料表面进行喷砂处理，之后在已经经过喷砂处理的轻合金材料表面进行冷喷涂；喷砂处理时，砂为粒度400-700μm的棕刚玉，喷砂时压缩空气压力为0.5-0.7MPa。

抛光氧化铝粉末由细小片层状氧化铝团聚而成，细小片层状粉末粒度为1-10μm。

一种通过上述制备方法制得的耐磨自润滑涂层。

所述耐磨自润滑涂层的厚度为500μm～3000μm。

本发明具有如下有益效果：

本发明用于制备耐磨自润滑涂层的材料中含有抛光氧化铝粉末，抛光氧化铝粉末是由粒度为1-10μm的细小片层氧化铝团聚而成。与传统的冷喷涂氧化铝粉末相比，这种形貌的氧化铝粉末在喷涂过程中撞击基体或已经沉积的颗粒会破裂，重新分散为细小的片层状氧化铝，由于巨大的动能，这些细小片层状颗粒可以均匀的分布在涂层中。形成的这种结构的涂层，在摩擦磨损过程中，细小片层装氧化铝不会像传统的块状氧化铝粉末阻碍摩擦副运动，造成很大的摩擦系数，相反，通过本发明制备的涂层，在摩擦过程中，细小片层状氧化铝不会阻碍摩擦副运动，同时，片层状的结构对于载荷的有良好的承载作用，所以涂层的磨损量很低。所以本发明的用于制备耐磨自润滑涂层的材料具有较低的摩擦系数和磨损量，能够在降低涂层的摩擦系数同时提高涂层的耐磨性。在实际试验中氧化铝粉末超过粉末总质量的40％后会喷涂过程中硬质氧化铝相互撞击的概率增大，影响混合粉末的沉积效率，且涂层的质量会恶化-如孔隙率增大；当氧化铝含量小于20％时，耐磨、减磨效果不显著，所以抛光氧化铝粉末的质量为抛光氧化铝粉末和铝合金粉末总质量的20％～40％。

进一步的，铝合金粉末为1系列至7系列的铝合金粉末，在目前的耐磨自润滑涂层结构中，使用硬质组分作为载荷的承载体，软质组分作为与摩擦副直接接触体的结构是一种经典的结构设计。本发明采用这种结构设计，因为氧化铝陶瓷粉末硬度较高，远高于1系-7系铝合金硬度，所以本发明中选用1系-7系铝合金为原材料粉末。

进一步的，采用该技术制备耐磨自润滑涂层过程中，需要设计恰当的粉末粒度已达到良好的效果。选择粉末的粒度与材料的密度有关。因为冷喷涂技术采用高压气体为动力源，在喷涂过程中高压气体通过拉乌尔管后达到超音速，超音速气体在基体表面会形成激波，阻碍颗粒撞击基体。所以当粉末颗粒质量过小时就会因为难以逾越激波，从而不能实现有效沉积。但是当粉末颗粒过大，则会因为气体对其加速效果较差，颗粒速度达不到沉积要求，则也不能实现有效沉积。本发明中，经过合理的实验设计，得出抛光氧化铝粉末的粒度为30-100μm。

进一步的，采用该技术制备耐磨自润滑涂层过程中，需要设计恰当的粉末粒度已达到良好的效果。选择粉末的粒度与材料的密度有关。因为冷喷涂技术采用高压气体为动力源，在喷涂过程中高压气体通过拉乌尔管后达到超音速，超音速气体在基体表面会形成激波，阻碍颗粒撞击基体。所以当粉末颗粒质量过小时就会因为难以逾越激波，从而不能实现有效沉积。但是当粉末颗粒过大，则会因为气体对其加速效果较差，颗粒速度达不到沉积要求，则也不能实现有效沉积。本发明中，经过合理的实验设计，得出铝合金粉末粒度为5-40μm。

本发明制备耐磨自润滑涂层的方法在实施时，将所述用于制备耐磨自润滑涂层的材料冷喷涂至轻合金材料表面形成所述耐磨自润滑涂层。冷喷涂技术(Cold Spray,CS)是一种新型的以低温固态喷涂沉积为特点的涂层制备技术，其喷涂过程温度远低于原始粉末材料的熔化温度，可以有效避免热喷涂、激光熔覆过程中高温导致的氧化、相变和热裂等不利影响。同时，利用冷喷涂使得工艺更加简便、易实施。由本发明用于制备耐磨自润滑涂层的材料的有益效果可知，通过冷喷涂，能够利用该材料制备出自润滑与高耐磨损性的涂层。

进一步的，冷喷涂时，载气压力为0.5-5MPa，喷涂距离为5-30mm，喷枪移动速度为10-60mm/s，喷涂温度为100-400℃。合适的冷喷涂参数可保证复合粉末实现有效沉积，对于铝基陶瓷复合涂层的制备，当喷涂载气压力较低时，可通过提高气体温度实现对粉末的有效加速和软化。且这种情况下高压气体在基体表面形成的激波较弱可将喷涂距离减小。当喷涂载气压力较高时，可适当降低气体温度，过高的气体温度和载气压力会使颗粒对喷枪的冲刷加剧，容易造成喷枪堵塞。且这种情况下高压气体在基体表面形成的激波较强，可将喷涂距离适当增加。

进一步的，冷喷涂前，对轻合金材料表面进行喷砂处理，之后在已经经过喷砂处理的轻合金材料表面进行冷喷涂；喷砂处理时，砂为粒度400-700μm的棕刚玉，喷砂时压缩空气压力为0.5-0.7MPa。再进行涂层制备前，先要对基体表面进行喷砂处理，达到毛化基体表面，增加颗粒与基体的接触面积，提高涂层-基体结合强度。对于铝合金基体而言，使用粒度为400-700μm的棕刚玉，喷砂时压缩空气压力为0.5-0.7MPa时，可有效毛化表面，且涂层-基体结合强度较高。

本发明的耐磨自润滑涂层摩擦系数较低而涂层的耐磨性较高。

附图说明

图1为冷喷涂的技术原理图；

图2为本发明采用的抛光氧化铝粉末形貌图；

图3为本发明实施例1制得的耐磨自润滑涂层的截面形貌；

图4为本发明实施例1制得的耐磨自润滑涂层和7075铝合金摩擦系数图；

图5为本发明实施例2制得的耐磨自润滑涂层得截面形貌；

图6为本发明实施例2制得的耐磨自润滑涂层和7075铝合金摩擦系数图；

图7为本发明实施例3制得的耐磨自润滑涂层得截面形貌；

图8为本发明实施例3制得的耐磨自润滑涂层和7075铝合金摩擦系数图；

图9为冷喷涂技术制备金属基复合涂层使用的传统Al₂O₃粉末形貌。

图中，1-热电偶，2-储料罐，3-乌拉尔管，4-涂层，5-基体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。所举实施例是为了更好地对本发明的内容进行说明，但并不是本发明的内容仅限于所举实施例。

本发明耐磨自润滑涂层的制备方法包括如下步骤：

步骤1，将抛光氧化铝粉末和铝合金粉末混合，然后将得到的混合原料置于混料机中进行混料，进行6-8h，保证充分混匀后取出得到的混合粉末；

步骤2，将步骤1所得的混合粉末在60-100℃的真空干燥箱中干燥，保温5-8h后取出；

步骤3，采用冷喷涂技术将上述干燥后的混合粉末喷涂到已经经过喷砂处理的轻合金材料表面，形成厚度为500μm～3000μm的耐磨自润滑涂层。

步骤1中，抛光氧化铝粉末的质量为抛光氧化铝粉末和铝合金粉末总质量的20％～40％。抛光氧化铝粉末由细小片层状氧化铝团聚而成，细小片层状粉末粒度为1-10μm，团聚后形成的粉末粒度为30-100μm。铝合金粉末类型覆盖是1系列至7系列所有的铝合金。铝合金粉末粒度为5-40μm的球形粉或球形度较高的粉。

步骤3中，所用冷喷涂技术提供的载气压力为0.5-5MPa，喷涂距离为5-30mm，喷枪移动速度为10-60mm/s，喷涂温度为100-400℃；轻合金为铝、镁、钛、铝合金、镁合金或钛合金。所用冷喷涂技术提供的载气类型为氮气、氦气、压缩空气；轻合金表面喷砂处理选用的砂为粒度400-700μm的棕刚玉，喷砂压力为0.5-0.7MPa。

具体的，冷喷涂时，喷涂参数按照表1中参数进行匹配使用：

表1

载气压力/MPa	喷涂温度/℃	喷涂距离/mm	喷枪移动速度/mm·s<sup>-1</sup>
				0.5-1	300-400	5-10	10-60
1-1.5	200-300	10-20	10-60
				1.5-3.5	200-300	15-25	10-60
3.5-5	100-250	20-30	10-60

如图9所示，为冷喷涂技术制备涂层过程中普遍使用的Al₂O₃粉末形貌图，在铝合金粉末中掺入该种粉末课有效提高涂层的耐磨性，但是因为单个氧化铝颗粒太大，在摩擦磨损过程中很难在表面形成软质的铝合金层，所以摩擦系数较大，不能起到减磨的作用；且较大的氧化铝颗粒在摩擦磨损过程中易破裂，容易造成磨粒磨损，对基体或涂层的保护效果会降低。

本发明提供的耐磨自润滑涂层的制备方法能够决现有技术中无法同时实现涂层的自润滑与高耐磨损性的问题。通过该方法制得的耐磨自润滑涂层同时具有自润滑性和耐磨性，且在涂层制备过程中对基体材料的损伤极小。通过在基体表面制备耐磨自润滑涂层延长零部件的使用寿命。

以下实施例中采用的抛光氧化铝粉末均为长沙天久金属材料有限公司生产的，该抛光氧化铝粉末由细小片层状氧化铝团聚而成，细小片层状粉末粒度为1-10μm，团聚后形成的粉末粒度为10-85μm，平均粒径为39μm；该抛光氧化铝粉末的形貌图如图2所示。

实施例1

本实施例耐磨自润滑涂层的制备方法包括如下步骤：

1、分别秤取将40g抛光氧化铝粉末和160g 6061铝合金粉末，其中6061铝合金粉末粒度为5-30μm，平均粒径为20μm。

2、将步骤1称量的抛光氧化铝粉末和6061铝合金粉末混合均匀，然后置于混料机中进行混料，混料6h后取出；

3、将步骤2混料得到的混合粉末在80℃的真空干燥箱中干燥，保温6h后取出。

4、采用冷喷涂技术将步骤3干燥后的混合粉末喷涂到已经经过喷砂处理的7075铝合金表面形成厚度为2000μm的耐磨自润滑涂层；其中，冷喷涂时，所用载气为氮气，载气压力为0.8MPa，喷涂距离为12mm，喷枪移动速度为15mm/s，喷涂温度为400℃；7075基体表面喷砂处理选用的砂为粒度400-700μm的棕刚玉，喷砂压力为0.5-0.7MPa。

本实施例制得的耐磨自润滑涂层截面形貌如图3所示，由图中可以看出，抛光氧化铝颗粒撞击基体或先沉积颗粒后原始团聚颗粒状氧化铝变成细小片状氧化铝均匀的分布在涂层中，摩擦过程中涂层中的铝合金在剪切力的作用下可包覆在细片氧化铝表面，细片状氧化铝在涂层摩擦过程中可有效承担摩擦副给予涂层的载荷而不发生变形，即可提高涂层的耐磨性又可降低摩擦系数—起到减磨的效果。

本实施例制得的耐磨自润滑涂层的摩擦系数见图4，由图4可以看出，与7075铝合金基体相比，本实施例制备的复合涂层的摩擦系数可降低40％。

实施例2

本实施例耐磨自润滑涂层的制备方法包括如下步骤：

1、分别秤取将60g抛光氧化铝粉末和140g 6061铝合金粉末，其中6061铝合金粉末粒度为5-30μm，平均粒径为20μm。

2、将步骤1称量的抛光氧化铝粉末和6061铝合金粉末混合均匀，然后置于混料机中进行混料，混料6h后取出；

3、将步骤2混料得到的混合粉末在80℃的真空干燥箱中干燥，保温6h后取出。

4、采用冷喷涂技术将步骤3干燥后的混合粉末喷涂到已经经过喷砂处理的7075铝合金表面形成厚度为2000μm的耐磨自润滑涂层；其中，冷喷涂时，所用载气为氮气，载气压力为0.8MPa，喷涂距离为12mm，喷枪移动速度为15mm/s，喷涂温度为400℃；7075基体表面喷砂处理选用的砂为粒度400-700μm的棕刚玉，喷砂压力为0.5-0.7MPa。

本实施例制得的耐磨自润滑涂层截面形貌如图5所示，由图中可以看出，抛光氧化铝颗粒撞击基体或先沉积颗粒后原始团聚颗粒状氧化铝变成细小片状氧化铝均匀的分布在涂层中，摩擦过程中涂层中的铝合金在剪切力的作用下可包覆在细片氧化铝表面，细片状氧化铝在涂层摩擦过程中可有效承担摩擦副给予涂层的载荷而不发生变形，即可提高涂层的耐磨性又可降低摩擦系数—起到减磨的效果。

本实施例制得的耐磨自润滑涂层的摩擦系数见图6，由图6可以看出，与7075铝合金基体相比，本实施例制备的复合涂层的摩擦系数降低80％。

实施例3

本实施例耐磨自润滑涂层的制备方法包括如下步骤：

1、分别秤取将80g抛光氧化铝粉末和120g 6061铝合金粉末，其中6061铝合金粉末粒度为5-30μm，平均粒径为20μm。

2、将步骤1称量的抛光氧化铝粉末和6061铝合金粉末混合均匀，然后置于混料机中进行混料，混料6h后取出；

3、将步骤2混料得到的混合粉末在80℃的真空干燥箱中干燥，保温6h后取出。

4、采用冷喷涂技术将步骤3干燥后的混合粉末喷涂到已经经过喷砂处理的7075铝合金表面形成厚度为1000μm的耐磨自润滑涂层；其中，冷喷涂时，所用载气为氮气，载气压力为0.8MPa，喷涂距离为12mm，喷枪移动速度为15mm/s，喷涂温度为400℃。7075基体表面喷砂处理选用的砂为粒度400-700μm的棕刚玉，喷砂压力为0.5-0.7MPa。

本实施例制得的耐磨自润滑涂层截面形貌如图7所示，由图中可以看出，知抛光氧化铝颗粒撞击基体或先沉积颗粒后原始团聚颗粒状氧化铝变成细小片状氧化铝均匀的分布在涂层中，摩擦过程中涂层中的铝合金在剪切力的作用下可包覆在细片氧化铝表面，细片状氧化铝在涂层摩擦过程中可有效承担摩擦副给予涂层的载荷而不发生变形，即可提高涂层的耐磨性又可降低摩擦系数—起到减磨的效果。

本实施例制得的耐磨自润滑涂层的摩擦系数见图8，由图8可以看出，本实施例制备的与7075铝合金基体相比，复合涂层的摩擦系数降低40％。

Claims (8)

1.一种用于制备耐磨自润滑涂层的材料，其特征在于，其组分为抛光氧化铝粉末和铝合金粉末，以质量百分数计，抛光氧化铝粉末的质量为抛光氧化铝粉末和铝合金粉末总质量的20%~40%；

抛光氧化铝粉末是由粒度为1-10μm的细小片层氧化铝团聚而成；

抛光氧化铝粉末的粒度为30-100μm。

2.根据权利要求1所述的一种用于制备耐磨自润滑涂层的材料，其特征在于，铝合金粉末为1系列至7系列的铝合金粉末。

3.根据权利要求1所述的一种用于制备耐磨自润滑涂层的材料，其特征在于，铝合金粉末粒度为5-40μm。

4.一种利用权利要求1-3任意一项所述材料制备耐磨自润滑涂层的方法，其特征在于，包括如下过程：

将所述用于制备耐磨自润滑涂层的材料冷喷涂至基底材料表面形成所述耐磨自润滑涂层；

所述基底材料包括铝、镁、钛、铝合金、镁合金或钛合金。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，冷喷涂时，载气压力为0.5-5MPa，喷涂距离为5-30mm，喷枪移动速度为10-60mm/s，喷涂温度为100-400℃。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，冷喷涂前，对轻合金材料表面进行喷砂处理，之后在已经经过喷砂处理的轻合金材料表面进行冷喷涂；喷砂处理时，砂为粒度400-700μm的棕刚玉，喷砂时压缩空气压力为0.5-0.7MPa。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，抛光氧化铝粉末由细小片层状氧化铝团聚而成，细小片层状粉末粒度为1-10μm。

8.一种权利要求4-7任意一项所述方法制得的耐磨自润滑涂层。

Images