CN112358905B - 一种三元硼化物固体润滑梯度涂层及其制备方法 - Google Patents

一种三元硼化物固体润滑梯度涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于固体润滑涂层技术领域，公开了一种三元硼化物固体润滑梯度涂层及其制备方法，所述的梯度涂层包括由内至外依次覆盖于轴承基体上的耐磨涂层和减摩涂层；所述轴承基体的材料包括铜合金和铝合金；所述耐磨涂层和减摩涂层中均包括溶剂、黏结剂和固体润滑相；所述溶剂采用二甲基甲酰胺；所述黏结剂采用聚酰亚胺；所述耐磨涂层中溶剂、黏结剂与固体润滑相的混合质量比为5：2：3，且所述耐磨涂层的固体润滑相采用石墨，石墨中添加质量分数为20％‑30％的AlMgB14作为增强相；所述减摩涂层中溶剂、黏结剂与固体润滑相的混合质量比为5：3：2，且所述减摩涂层的固体润滑相采用碳纳米管，碳纳米管中添加质量分数为10％‑20％的TiB2作为增强相。

Description

一种三元硼化物固体润滑梯度涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于固体润滑涂层技术领域，具体涉及一种三元硼化物固体润滑梯度涂层及其制备方法。
背景技术
目前，理想的汽车发动机需要具有功率大、体积小、功耗低、速度快等特点，这对发动机轴瓦的工作条件提出了苛刻的要求。理想的轴瓦材料正朝着更高的抗疲劳强度，优良的耐磨性、顺应性、嵌入性和耐腐蚀性，高载荷及高熔点等方向发展。
一般而言，硬度高、承载能力强的轴瓦材料，其顺应性及嵌入性较弱；而材料越软，则顺应性和嵌入性越强，但承载能力相对越弱。为了提高发动机轴瓦的机械性能，尽可能满足汽车制造业对轴瓦材料的各种使用要求，研发新型自润滑涂层是当前提高轴瓦机械性能的主要方法。近年来，为了减少轴瓦涂层制备过程中的环境污染，节能减排，提高生产效率，推动新型涂层轴瓦的产业化发展，固体润滑涂层技术已被逐渐应用于轴承中。
固体润滑涂层技术的原理是将二硫化钼、聚四氟乙烯等自润滑粉末与树脂、聚酰亚胺等黏结剂混合，制备自润滑涂料，利用液体涂料喷涂技术在轴瓦表面喷涂，形成一层自润滑涂层。
目前常用的固体润滑涂层为二硫化钼涂层，二硫化钼由于具有极低的摩擦系数，所以具有良好的减摩作用。但在温度超过400℃时，二硫化钼会被氧化，涂层会逐渐失去润滑作用，而且在有水的环境中，二硫化钼的摩擦系数会增大，减摩效果减弱，难以满足实际使用需求。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种三元硼化物固体润滑梯度涂层及其制备方法；具体使单一结构的固体润滑涂层进化为梯度涂层，从而有效拓宽其可使用的温度范围。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三元硼化物固体润滑梯度涂层，所述的梯度涂层包括由内至外依次覆盖于轴承基体上的耐磨涂层和减摩涂层；
所述轴承基体的材料包括铜合金和铝合金；
所述耐磨涂层和减摩涂层中均包括溶剂、黏结剂和固体润滑相；
所述耐磨涂层中溶剂、黏结剂与固体润滑相的混合质量比为5：2：3，且所述耐磨涂层的固体润滑相采用石墨，石墨中添加质量分数为20％-30％的AlMgB14作为增强相；
所述减摩涂层中溶剂、黏结剂与固体润滑相的混合质量比为5：3：2，且所述减摩涂层的固体润滑相采用碳纳米管，碳纳米管中添加质量分数为10％-20％的TiB2作为增强相。
优选的，所述耐磨涂层和减摩涂层中的溶剂均采用二甲基甲酰胺。
优选的，所述耐磨涂层和减摩涂层中的黏结剂均采用聚酰亚胺。
优选的，在温度逐渐升高时，所述的梯度涂层依次产生的化学反应包括：
TiB2+2O2(g)＝TiO(s)+B2O3(l)；
2TiO(s)+O2(g)＝2TiO2(s)；
20AlMgB14+235O2(g)＝20MgO(B2O3)2+(Al2O3)10(B2O3)2+98B2O3(l)；
B2O3(l)＝B2O3(g)。
为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：
一种三元硼化物固体润滑梯度涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
S1.制备耐磨涂层浆料
按质量混合比为5：2：3的比例混合溶剂、黏结剂和固体润滑相，且所述耐磨涂层浆料中的固体润滑相采用石墨，并在石墨中添加质量分数为20％-30％的AlMgB14作为增强相；
S2.制备减摩涂层浆料
按质量混合比5：3：2的比例混合溶剂、黏结剂和固体润滑相，且所述减摩涂层浆料中的固体润滑相采用碳纳米管，并在碳纳米管中添加质量分数为10％-20％的TiB2作为增强相；
S3.喷涂成型
取待加工的轴承基体，且待加工的轴承基体的材料包括铜合金和铝合金；
在所述轴承基体表面逐层喷涂耐磨涂层浆料和减摩涂层浆料，然后放入高温烘箱中固化成型，获得由内至外依次为耐磨涂层和减摩涂层的固体润滑梯度涂层，且所述固体润滑梯度涂层的厚度控制在0.015-0.035mm。
优选的，所述耐磨涂层浆料和所述减摩涂层浆料中的溶剂均采用二甲基甲酰胺。
优选的，所述耐磨涂层浆料和所述减摩涂层浆料中的黏结剂均采用聚酰亚胺。
优选的，在所述步骤S3中，固化温度为300-350℃，固化时间为2h。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
在本发明中，所制备的固体润滑梯度涂层能有效应用于较宽温度范围中进行使用，具体表现为：该梯度涂层中，减摩涂层位于最外侧，由此在使用温度较低时，基于碳纳米管和石墨能够起到良好的减摩润滑效果；而随着温度的升高，减摩涂层中的增强相TiB2氧化，从而生成具有自润滑效果的TiO和TiO2，由此保证升温过程中该梯度涂层仍具有良好的减摩润滑效果；而在温度进一步升高至1000℃以上时，耐磨涂层中的增强相AlMgB14氧化，从而生成具有良好减摩耐磨性能的致密玻璃态B2O3，由此大大拓宽了该梯度涂层的可使用温度范围；
整体的，该梯度涂层的平均摩擦系数为0.02，且该梯度涂层的表面硬度达25-30HV，疲劳强度达85-95MPa，耐磨涂层与减摩涂层之间的结合强度达50MPa，结构稳定并能有效满足实际使用需求。
附图说明
图1为本发明所提供的固体润滑梯度涂层的结构示意图；
图2为本发明所提供的固体润滑梯度涂层的制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例1
在本实施例中，请参阅图1所示，提供一种覆盖于轴承基体10表面的三元硼化物固体润滑梯度涂层；具体，所述的梯度涂层包括由内至外依次覆盖于轴承基体10上的耐磨涂层20和减摩涂层30；其中：
轴承基体10的材料包括铜合金和铝合金；
耐磨涂层20和减摩涂层30中均包括溶剂、黏结剂和固体润滑相；
耐磨涂层20和减摩涂层30中的溶剂均采用二甲基甲酰胺；
耐磨涂层20和减摩涂层30中的黏结剂均采用聚酰亚胺；
耐磨涂层20中溶剂、黏结剂与固体润滑相的混合质量比为5：2：3，且耐磨涂层20的固体润滑相采用石墨，石墨中添加质量分数为20％-30％的AlMgB14作为增强相；
减摩涂层30中溶剂、黏结剂与固体润滑相的混合质量比为5：3：2，且减摩涂层30的固体润滑相采用碳纳米管，碳纳米管中添加质量分数为10％-20％的TiB2作为增强相。
针对具有上述成分及结构的梯度涂层而言，对涂覆由该梯度涂层的轴承基体10进行升温使用试验：
在具体试验过程中，实时进行梯度涂层润滑效果及对应成分的检测，另外还对梯度涂层的表面硬度、疲劳强度和涂层之间强度等性能进行检测。
在升温试验中：
在初始温度较低时，梯度涂层内的成分不产生任何化学反应，由此在碳纳米管与石墨配合下，能使得该梯度涂层具有良好的减摩润滑效果。
而随着温度的升高，减摩涂层中的增强相TiB2逐渐氧化，从而生成具有自润滑效果的TiO和TiO2；具体，在本过程中所发生的氧化反应为：
TiB2+2O2(g)＝TiO(s)+B2O3(l)；
2TiO(s)+O2(g)＝2TiO2(s)。
随着温度进一步升高至1000℃以上时，耐磨涂层中的增强相AlMgB14氧化，从而生成具有良好减摩耐磨性能的致密玻璃态B2O3；具体，在本过程中所发生的氧化反应为：
20AlMgB14+235O2(g)＝20MgO(B2O3)2+(Al2O3)10(B2O3)2+98B2O3(l)；
B2O3(l)＝B2O3(g)。
综上，在整体升温试验中，检测梯度涂层表明的的平均摩擦系数为0.02，有效证明了该梯度涂层良好的减摩润滑作用。
另外，检测该梯度涂层的表面硬度达25-30HV，疲劳强度达85-95MPa，耐磨涂层与减摩涂层之间的结合强度达50MPa，结构稳定。
实施例2
在本实施例中，请参阅图2所示，提供一种上述实施例1中所公开的覆盖于轴承基体10表面的三元硼化物固体润滑梯度涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
S1.制备耐磨涂层20浆料
按质量混合比为5：2：3的比例混合溶剂、黏结剂和固体润滑相，且耐磨涂层20浆料中的固体润滑相采用石墨，并在石墨中添加质量分数为20％-30％的AlMgB14作为增强相；
S2.制备减摩涂层30浆料
按质量混合比5：3：2的比例混合溶剂、黏结剂和固体润滑相，且减摩涂层30浆料中的固体润滑相采用碳纳米管，并在碳纳米管中添加质量分数为10％-20％的TiB2作为增强相；
S3.喷涂成型
取待加工的轴承基体10，且待加工的轴承基体10的材料包括铜合金和铝合金；
然后放入高温烘箱中，在300-350℃的温度下固化2h成型，获得由内至外依次为耐磨涂层20和减摩涂层30的固体润滑梯度涂层，且固体润滑梯度涂层的厚度控制在0.015-0.035mm。
结合实施例1可知，耐磨涂层20浆料和减摩涂层30浆料中的溶剂均采用二甲基甲酰胺；耐磨涂层20浆料和减摩涂层30浆料中的黏结剂均采用聚酰亚胺。
具体，上述图示及描述中，虽然将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被择一的、并行地、并发地或者同时实施，此外，各步骤的顺序可以被重新安排。例如步骤S1与步骤S2可按序实施，也可同步实施，也可倒置实施。并且，当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种三元硼化物固体润滑梯度涂层，其特征在于：所述的梯度涂层包括由内至外依次覆盖于轴承基体上的耐磨涂层和减摩涂层；
所述轴承基体的材料包括铜合金和铝合金；
所述耐磨涂层和减摩涂层中均包括溶剂、黏结剂和固体润滑相；
所述耐磨涂层中溶剂、黏结剂与固体润滑相的混合质量比为5：2：3，且所述耐磨涂层的固体润滑相采用石墨，石墨中添加质量分数为20％-30％的AlMgB14作为增强相；
所述减摩涂层中溶剂、黏结剂与固体润滑相的混合质量比为5：3：2，且所述减摩涂层的固体润滑相采用碳纳米管，碳纳米管中添加质量分数为10％-20％的TiB2作为增强相。
2.根据权利要求1所述的一种三元硼化物固体润滑梯度涂层，其特征在于：所述耐磨涂层和减摩涂层中的溶剂均采用二甲基甲酰胺。
3.根据权利要求1所述的一种三元硼化物固体润滑梯度涂层，其特征在于：所述耐磨涂层和减摩涂层中的黏结剂均采用聚酰亚胺。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种三元硼化物固体润滑梯度涂层，其特征在于，在温度逐渐升高时，所述的梯度涂层依次产生的化学反应包括：
TiB2+2O2(g)＝TiO(s)+B2O3(l)；
2TiO(s)+O2(g)＝2TiO2(s)；
20AlMgB14+235O2(g)＝20MgO(B2O3)2+(Al2O3)10(B2O3)2+98B2O3(l)；
B2O3(l)＝B2O3(g)。
5.一种三元硼化物固体润滑梯度涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.制备耐磨涂层浆料
按质量混合比为5：2：3的比例混合溶剂、黏结剂和固体润滑相，且所述耐磨涂层浆料中的固体润滑相采用石墨，并在石墨中添加质量分数为20％-30％的AlMgB14作为增强相；
S2.制备减摩涂层浆料
按质量混合比5：3：2的比例混合溶剂、黏结剂和固体润滑相，且所述减摩涂层浆料中的固体润滑相采用碳纳米管，并在碳纳米管中添加质量分数为10％-20％的TiB2作为增强相；
S3.喷涂成型
取待加工的轴承基体，且待加工的轴承基体的材料包括铜合金和铝合金；
在所述轴承基体表面逐层喷涂耐磨涂层浆料和减摩涂层浆料，然后放入高温烘箱中固化成型，获得由内至外依次为耐磨涂层和减摩涂层的固体润滑梯度涂层，且所述固体润滑梯度涂层的厚度控制在0.015-0.035mm。
6.根据权利要求5所述的一种三元硼化物固体润滑梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述耐磨涂层浆料和所述减摩涂层浆料中的溶剂均采用二甲基甲酰胺。
7.根据权利要求5所述的一种三元硼化物固体润滑梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述耐磨涂层浆料和所述减摩涂层浆料中的黏结剂均采用聚酰亚胺。
8.根据权利要求5所述的一种三元硼化物固体润滑梯度涂层的制备方法，其特征在于：在所述步骤S3中，固化温度为300-350℃，固化时间为2h。
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