CN112194500B

CN112194500B - 一种金属表面改性处理的耐磨耐腐蚀材料的制备方法

Info

Publication number: CN112194500B
Application number: CN202011059271.6A
Authority: CN
Inventors: 崔文超
Original assignee: Shandong Jiaotong University
Current assignee: Shandong Jiaotong University
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: CN112194500A

Abstract

本发明涉及一种金属表面改性处理的耐磨耐腐蚀材料的制备方法，本发明通过在金属表面附加地设置一层含有摩擦调节物质的气凝胶结构，利用气凝胶结构的强度高、热稳定性高、耐磨性好、耐腐蚀的特点，附加有摩擦调节物质，以对气凝胶结构的摩擦性能进行调节；同时，气凝胶具有较好的结构弹性，在针对一些摩擦缓冲的场景，例如制动，能够提供柔和的初始摩擦制动，克服现有的制动系统中初始制动的跃变效应，带来更平缓、更柔和的体验。

Description

一种金属表面改性处理的耐磨耐腐蚀材料的制备方法

技术领域

本发明涉及金属表面的改性领域，尤其涉及一种金属表面改性处理的耐磨耐腐蚀材料的制备方法。

背景技术

在现有的机械、化工、电力等行业中，目前大多采用高锰钢和耐磨合金等材料制作耐磨部件，制成的衬板虽然具有良好的韧性，耐磨性能也基本满足要求，但是这类衬板或部件重量大，相对硬度低，耐磨性能不高，寿命短，需要进行频繁的更换。这种频繁的更换和维护不仅降低了设备的利用率，而且还额外地增加了设备的维护成本。

为了解决该问题，开发出了耐磨材料，通过改进耐磨部件的整个基体材料或者对耐磨部件的表面进行改性处理，使得在耐磨部件的表面形成耐磨以及耐腐蚀的材料层。这种处理方式会出现材料的韧度和耐磨性无法很好地协调；同时，这种处理的方法很复杂，对加工环境条件要求很高，且对被处理的部件的尺寸有限制，部件尺寸过大则无法被加工设备所收容。另外，加工后的部件的表面的摩擦性能无法控制，特别是对于在摩擦场景中使用的部件，例如刹车盘片等，无法满足使用的要求。因而，如何提高并能够调节耐磨部件的性能，一直是本领域技术人员探索和需要解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种金属表面改性处理的耐磨耐腐蚀材料的制备方法，利用溶胶-凝胶法，制备氧化铝二元气凝胶材料结构，并在气凝胶材料的结构中添加有摩擦调节物质。

该金属表面改性的方法，包括：

步骤一、制取合铝盐的溶剂；

步骤二、向步骤一得到的溶剂中加入摩擦调节物质，搅拌均匀，得到铝盐、摩擦调节物质的混合溶液；

步骤三、在0-4℃的温度条件下，向步骤二得到的混合溶液中加入环氧化物，搅拌4-5分钟，使其混合均匀；

步骤四、之后放入温度为38-50℃的恒温箱中静置3-5天，形成凝胶；

步骤五、步骤四形成凝胶后加入无水乙醇液封，进行老化；

步骤六、将步骤五中老化结束的湿凝胶进行干燥，得到气凝胶；

步骤七、将干燥得到的气凝胶在600-800℃下进行烧制，保温1-2.5小时；

步骤八、将步骤七得到的合有摩擦调节物质的气凝胶进行机械加工，然后以材料结合或机械结合的方式结合在金属表面。

进一步地，步骤一中制取含铝盐的溶剂采用可溶性铝盐溶入水和无水乙醇中得到，可溶性铝盐为六水合氯化铝、九水合硝酸铝或十八水合硫酸铝。

进一步地，步骤三中的环氧化物为环氧乙烷、环氧丙烷或环氧氯丙烷。

进一步地，步骤六中的干燥为真空干燥、常压干燥或超临界干燥。

进一步地，步骤二中的摩擦调节物质选自二氧化硅、碳化硅、碳化钛、碳化硼、氮化硅、氮化钛、二氧化钛、硅藻土及其组合。

进一步地，步骤二中的摩擦调节物质具有1μm-25μm的平均直径，更优选地具有10μm-15μm的平均直径。

进一步地，步骤二中的摩擦调节物质具有2-9的莫氏硬度，更优选地具有4-7的莫氏硬度，更进一步地具有5-6的莫氏硬度。

进一步地，在步骤八中，先将金属表面进行处理，然后通过粘接剂将气凝胶粘接在金属表面。

进一步地，对金属表面进行激光或喷丸的方式进行处理，用以去除金属表面的异物及氧化物层。

进一步地，在步骤八中，机械结合的方式是通过螺栓连接、铆接、榫接等来实现，在金属表面加工出机械连接的第一部分，在气凝胶上加工出机械连接的第二部分，第一部分与第二部件配合连接。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明通过在金属表面附加地设置一层含有摩擦调节物质的气凝胶结构，利用气凝胶结构的强度高、热稳定性高、耐磨性好、耐腐蚀的特点，附加有摩擦调节物质，以对气凝胶结构的摩擦性能进行调节；同时，气凝胶具有较好的结构弹性，在针对一些摩擦缓冲的场景，例如制动，能够提供柔和的初始摩擦制动，克服现有的制动系统中初始制动的阶跃效应，带来更好、更柔和的体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的金属表面改性的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

该金属表面改性的方法，包括：

步骤一、制取合铝盐的溶剂：

制取铝盐溶剂，使用可溶性铝盐，其中可溶性铝盐为六水合氯化铝、九水合硝酸铝或十八水合硫酸铝。先取蒸馏水和无水乙醇，制成溶剂，然后将可溶性铝盐加入到溶剂中，搅拌一段时间，使铝盐充分溶解，得到铝盐溶剂。

步骤二、向步骤一得到的溶剂中加入摩擦调节物质，搅拌均匀，得到铝盐、摩擦调节物质的混合溶液。

对于一些对摩擦性能有要求的场合，比如制动器或离合器中，需要精准地设定摩擦面的摩擦系数，以满足摩擦性能指标的要求，因而，添加摩擦调节物质，其能够在最终成型的气凝胶中起到调节摩擦性能，特别是调整动态摩擦系数和静态摩擦系数，提高摩擦的磨损性能、制动效能，降低摩擦噪音，提高摩擦稳定性等，因而通过添加摩擦调节物质，能够很好的调节摩擦性能来满足使用要求。

其中，摩擦调节物质选自二氧化硅、碳化硅、碳化钛、碳化硼、氮化硅、氮化钛、二氧化钛、硅藻土及其组合。这当然要依据具体的使用环境以及参数要求，例如在干式的摩擦环境中使用与在湿式的摩擦环境中使用，对于摩擦调节物质的选取就会产生不同；同样地，对于不同的摩擦力矩以及摩擦系数的要求，也会造成摩擦调节物质的选取产生不同。另外，摩擦调节物质本身的性质，例如其本身的硬度或者尺寸的大小，同样会造成不同的调节结果。在本发明中，摩擦调节物质具有1μm-25μm的平均直径，更优选地具有10μm-15μm的平均直径。摩擦调节物质具有2-9的莫氏硬度，更优选地具有4-7的莫氏硬度，更进一步地具有5-6的莫氏硬度。

为了保证摩擦调节物质在混合溶液中是均匀分布的，也是为了保证在最终成品中摩擦调节物质在气凝胶结构中是均匀分布的，需要根据摩擦调节物质的特性来调整铝盐溶剂的密度，这通过可溶性铝盐以及无水乙醇的含量来调整。例如，当摩擦调节物质选取了密度较大的物质，则适当地增加铝盐溶剂中可溶性铝盐的量或适当减小无水乙醇的量；而当摩擦调节物质选取了密度较小的物质，则适当地增加无水乙醇的量或适当地减小可溶性铝盐的量，使得形成的铝盐溶剂的密度能够匹配摩擦调节物质的密度，使摩擦调节物质能够在铝盐溶剂中稳定地、均匀地悬置。

对于摩擦调节物质，其可以采用单一物质，也可以采用多种物质的混合物，这当然也取决于各种物质的不同性能以及使用环境的要求。

步骤三、在0-4℃的温度条件下，向步骤二得到的混合溶液中加入环氧化物，搅拌4-5分钟，使其混合均匀。其中，环氧化物为环氧乙烷、环氧丙烷或环氧氯丙烷。

步骤四、之后放入温度为38-50℃的恒温箱中静置3-5天，形成凝胶。

步骤五、在步骤四形成的凝胶中加入无水乙醇液封，放入40℃恒温箱中，进行老化2-4天。

步骤六、将步骤五中老化结束的湿凝胶进行干燥，得到气凝胶。其中，对湿凝胶的干燥为真空干燥、常压干燥或超临界干燥。

步骤七、将干燥得到的气凝胶在600-800℃下进行烧制，保温1-2.5小时。

通过该烧制步骤，铝盐粒子反应形成氧化铝粒子，并通过烧制使得氧化铝粒子之间相互连接并固结，由此形成蜂窝状的气凝胶结构。在该气凝胶结构中，氧化铝陶瓷形成相互交联且互相支撑的结构，其内部结构呈蜂窝状，这就造成气凝胶的结构强度很高，同时还保持有较高的结构弹性。氧化铝陶瓷结构首先会包裹摩擦调节物质，也即在每个摩擦调节颗粒的周围包裹有氧化铝陶瓷结构，同时还分布有很多较小的空腔，这些空腔的尺寸小于摩擦调节物质的尺寸。也即在该氧化铝陶瓷气凝胶中分布有很多微小的、被空气填充的空腔，这样的结构造成气凝胶结构重量很轻、结构强度很高、结构弹性也较高；同时氧化铝陶瓷蜂窝结构与摩擦调节物质的结合，能够提供高的耐磨性和耐腐蚀性以及可调节的摩擦性能。

步骤八、将步骤七得到的含有摩擦调节物质的气凝胶进行机械加工，然后以材料结合或机械结合的方式结合在金属表面。

首先，先对金属表面进行预处理，用以消除金属表面的杂物、异物以及氧化物层，使得其能够很好的与气凝胶进行结合。进一步地，可以采用激光烧蚀的方式对金属表面进行处理，一方面可以将金属表面的异物、氧化物去除，另一方面通过烧蚀，还可以对金属表面的形状进行微调整；也可以采用喷丸的方式对金属表面进行处理，喷丸处理即可以清洁金属表面，同时还可以通过调整喷丸颗粒的尺寸、重量、喷射力度等参数，使得喷丸能够使金属表面产生预定压应力，提高金属表面的应力强度，这也能够提高金属的耐磨性。

然后，对金属表面和气凝胶进行机械加工，对两者的结合表面加工出相互适配的结构。例如，对金属表面和气凝胶的对应表面进行平整处理，使得气凝胶的对应表面能够完美符合金属表面的轮廓形状，然后再金属表面和气凝胶的对应表面中的至少一个上涂覆粘接剂，使得两者能够通过粘接剂以材料结合的方式粘接在一起，使气凝胶结构覆盖金属表面，达到改变金属表面的特性的效果。

替代地，也可以通过机械连接的方式将气凝胶与金属表面连接结合在一起，例如螺栓连接、铆接、榫接、卡持等来实现，在金属表面加工出机械连接的第一部分，在气凝胶上加工出机械连接的第二部分，第一部分与第二部件配合连接。

这样的连接和结合方式，可以根据实际的场合需要和性能要求，只需要改变气凝胶结构和摩擦调节物质，而不需要改变基底的金属材料，这提供了很好的灵活性以及在成本方面的有利效果。

对于一些特定的使用场景，例如制动器、离合器的摩擦结合，现有技术中的制动器部件和离合器部件都是刚性无缓冲的部件，当制动器的刹车盘与刹车片进行结合制动时，在刹车盘与刹车片接触的初始瞬间，将会产生一个从0直接跃变到一个较大数值的摩擦扭矩，这会给车辆带来不期望有的冲击，给车辆的动力系统带来冲击并严重影响车辆的舒适性。通过本发明的将高强度、高耐磨性、高耐腐蚀以及较高的结构弹性的气凝胶固定在原来的金属基底表面上，能够在刹车盘与刹车片在结合的初始瞬间，能够提高轴向的缓冲，防止摩擦扭矩出现跃变，带来平缓的摩擦扭矩的变化。

实施例1

步骤一、制取含氯化铝的溶剂。

步骤二、向步骤一得到的溶剂中加入硅藻土颗粒，搅拌均匀，得到铝盐、摩擦调节物质的混合溶液。其中，硅藻土颗粒的平均直径为5-20μm，莫氏硬度为3-8。

步骤三、在0℃的温度条件下，向步骤二得到的混合溶液中加入环氧化物，搅拌5分钟，使其混合均匀。其中，环氧化物为环氧乙烷。

步骤六、将步骤五中老化结束的湿凝胶进行干燥，得到气凝胶。其中，对湿凝胶的干燥为真空干燥。

步骤七、将干燥得到的气凝胶在800℃下进行烧制，保温2.5小时。

步骤八、先采用激光烧蚀或喷丸处理对金属表面进行预处理，然后将步骤七得到的含有硅藻土颗粒的氧化铝陶瓷气凝胶进行机械加工，在金属表面与气凝胶的对应表面之间设置粘接剂层，用以将气凝胶粘接在金属表面上。

实施例2

步骤一、制取含硝酸铝的溶剂。

步骤二、向步骤一得到的溶剂中加入碳化硅颗粒，搅拌均匀，得到铝盐、摩擦调节物质的混合溶液。其中，碳化硅颗粒的平均直径为8-22μm，莫氏硬度为4-8。

步骤三、在0℃的温度条件下，向步骤二得到的混合溶液中加入环氧化物，搅拌4分钟，使其混合均匀。其中，环氧化物为环氧丙烷。

步骤四、之后放入温度为40-48℃的恒温箱中静置4-5天，形成凝胶。

步骤五、在步骤四形成的凝胶中加入无水乙醇液封，放入45℃恒温箱中，进行老化3天。

步骤六、将步骤五中老化结束的湿凝胶进行干燥，得到气凝胶。其中，对湿凝胶的干燥为超临界干燥。

步骤七、将干燥得到的气凝胶在760℃下进行烧制，保温2小时。

步骤八、先采用激光烧蚀或喷丸处理对金属表面进行预处理，然后将步骤七得到的含有碳化硅颗粒的氧化铝陶瓷气凝胶进行机械加工；在气凝胶上钻出沉孔，在基底的金属上设置对应的通孔，采用螺栓穿过沉孔和通孔，其中螺栓头位于气凝胶的沉孔中，螺栓头的高度小于沉孔的上表面，以保证气凝胶的表面平整。

实施例3

步骤一、制取含硝酸铝的溶剂。

步骤二、向步骤一得到的溶剂中加入碳化硅氮化硅混合的混合颗粒，搅拌均匀，得到铝盐、摩擦调节物质的混合溶液。其中，碳化硅氮化硅混合的两相颗粒的平均直径为12-18μm，莫氏硬度为6-7。

步骤三、在4℃的温度条件下，向步骤二得到的混合溶液中加入环氧化物，搅拌5分钟，使其混合均匀。其中，环氧化物为环氧氯丙烷。

步骤四、之后放入温度为46℃的恒温箱中静置5天，形成凝胶。

步骤六、将步骤五中老化结束的湿凝胶进行干燥，得到气凝胶。其中，对湿凝胶的干燥为常压干燥。

步骤八、先采用激光烧蚀或喷丸处理对金属表面进行预处理，然后将步骤七得到的含有碳化硅氮化硅混合的两相颗粒的氧化铝陶瓷气凝胶进行机械加工；在金属表面上加工出燕尾槽，在气凝胶的对应表面上加工出与燕尾槽形状匹配的榫头，然后将榫头插入到燕尾槽中，完成气凝胶结构在金属表面的安装和固定。

实施例4

步骤一、制取含硝酸铝的溶剂。

步骤二、向步骤一得到的溶剂中加入二氧化硅、碳化硅、氮化硅混合的混合颗粒，也即一个颗粒中包括二氧化硅、碳化硅、氮化硅三种物质，三种物质可以通过树脂结合在一起；搅拌均匀，得到铝盐、摩擦调节物质的混合溶液。其中，二氧化硅、碳化硅、氮化硅混合的混合颗粒的平均直径为12-18μm，莫氏硬度为6-7。

步骤三、在2℃的温度条件下，向步骤二得到的混合溶液中加入环氧化物，搅拌5分钟，使其混合均匀。其中，环氧化物为环氧氯丙烷。

步骤四、之后放入温度为45℃的恒温箱中静置4天，形成凝胶。

步骤七、将干燥得到的气凝胶在750℃下进行烧制，保温2小时。

步骤八、先采用激光烧蚀或喷丸处理对金属表面进行预处理，然后将步骤七得到的含有二氧化硅、碳化硅、氮化硅混合的混合颗粒的氧化铝陶瓷气凝胶进行机械加工；在金属表面上加工出燕尾槽，在气凝胶的对应表面上加工出与燕尾槽形状匹配的榫头，然后将榫头插入到燕尾槽中，完成气凝胶结构在金属表面的安装和固定。

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种金属表面改性的方法，包括：

步骤一、制取含铝盐的溶剂；

步骤五、步骤四形成凝胶后加入无水乙醇液封，进行老化；

步骤七、将干燥得到的气凝胶在600-800℃下进行烧制，保温1-2.5小时，由此，气凝胶中的铝盐粒子反应形成氧化铝粒子，并通过所述烧制使得氧化铝粒子之间相互连接并固结，形成具有氧化铝陶瓷结构的蜂窝状的气凝胶结构，并且其中每个摩擦调节颗粒的周围包裹有氧化铝陶瓷结构，同时还分布有多个较小的空腔，所述空腔的尺寸小于摩擦调节颗粒的尺寸；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中制取含铝盐的溶剂采用可溶性铝盐溶入水和无水乙醇中得到，可溶性铝盐为六水合氯化铝、九水合硝酸铝或十八水合硫酸铝。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中的环氧化物为环氧乙烷、环氧丙烷或环氧氯丙烷。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤六中的干燥为真空干燥、常压干燥或超临界干燥。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中的摩擦调节物质选自二氧化硅、碳化硅、碳化钛、碳化硼、氮化硅、氮化钛、二氧化钛、硅藻土及其组合。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤二中的摩擦调节物质具有1μm—25μm的平均直径。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤二中的摩擦调节物质具有10μm—15μm的平均直径。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤二中的摩擦调节物质具有2—9的莫氏硬度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤二中的摩擦调节物质具有4—7的莫氏硬度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤二中的摩擦调节物质具有5—6的莫氏硬度。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤八中，先将金属表面进行处理，然后通过粘接剂将气凝胶粘接在金属表面。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，对金属表面进行激光或喷丸的方式进行处理，用以去除金属表面的异物及氧化物层。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤八中，机械结合的方式是通过螺栓连接、铆接或榫接来实现，在金属表面加工出机械连接的第一部分，在气凝胶上加工出机械连接的第二部分，第一部分与第二部件配合连接。