CN113512459B - 含渗硼层的超低摩擦固-液组合物及其减小工件摩擦的方法 - Google Patents

含渗硼层的超低摩擦固-液组合物及其减小工件摩擦的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种含渗硼层的超低摩擦固‑液组合物及其减小工件摩擦的方法，属于固‑液复合超低摩擦润滑材料技术领域，本发明中的含渗硼层的超低摩擦固‑液组合物由渗硼层、液体润滑相组成。该固‑液组合物能大幅度降低运动副摩擦系数与磨损量，促进超低摩擦技术在轴承、齿轮、活塞环、液压泵和人工关节等关键运动部件的工业应用，实现重大装备的长效润滑。

Description

含渗硼层的超低摩擦固-液组合物及其减小工件摩擦的方法
技术领域
本发明涉及固-液复合超低摩擦润滑材料技术领域，尤其涉及含渗硼层的超低摩擦固-液组合物及其减小工件摩擦的方法。
背景技术
随着我国海洋、航空航天、高端制造向“更深(深蓝)、更高(临近空间)、更安全、智能化”等方向发展，开发低摩擦、高耐磨和耐腐蚀等性能的先进材料与技术是实现装备高效和安全运行的重要保障。海洋装备、近海装备、地下装备等，在储存和服役过程中，存在着腐蚀、高湿度等苛刻环境，可能造成减摩涂层的失效及基底材料的腐蚀，极大的影响了装备的服役可靠性及使用寿命；空间设备向长寿命(～20年)、高可靠性方向发展，对运动部件的长效润滑提出了新的需求；人工关节置换后期望终生免二次置换，对关节摩擦副的耐磨性能提出更高需求。超低摩擦技术(摩擦系数小于0.01)是减小磨损、实现关键运动部件长寿命高可靠性服役的有效方法。
当前超低摩擦体系集中在二维材料固体超低摩擦体系、水基液体宏观超滑体系等。二维固体材料，如石墨烯等在微米级或纳米级尺度可实现非公度超低摩擦，类金刚石(DLC)膜在H2或N2氛围下实现了低于0.01的摩擦系数，得到了广泛关注；然而，该固体超低摩擦体系主要集中在微观尺度或惰性气氛，尚难以满足轴承、齿轮和液压泵等大气氛围下运动部件的服役要求。另一方面，如专利低摩擦滑动机构、低摩擦剂组合物以及减小摩擦的方法(申请公布号为CN 101760286A)中以DLC涂层与醇基润滑介质的固液复合体系具有良好的协同润滑作用，可达到低于0.005的超低摩擦，给超低摩擦体系带来了新的途径；但是DLC涂层需要较为光滑的零件表面(Ra<0.1μm)，从而避免在高应力下涂层的破裂，尚难以满足常用关键零部件(如齿轮表面粗糙度在Ra 1.6μm量级)的使用需求；同时涂层等与基底之间结合力较弱，易于剥落，引起了工业界对使用DLC等涂层的担忧，同时也制约了长寿命高可靠性零部件的发展。因此，有必要开发出一种在大气氛围下同时具有优异结合力、超低摩擦系数的新型涂层及润滑技术，减少或避免对运动部件低表面粗糙度的要求，大幅度降低运动副摩擦系数与磨损量，促进超低摩擦技术在轴承、齿轮、活塞环、液压泵和人工关节等关键运动部件的工业应用，实现重大装备的长效润滑。
发明内容
针对上述已有涂层及润滑技术的不足，基于渗硼层与基底的冶金结合(高结合力)以及高硬度与耐磨性，本发明提供了一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物及其减小工件摩擦的方法。
本发明的第一个目的是提供一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物，所述超低摩擦固-液组合物由渗硼层、液体润滑相组成。
优选的，所述渗硼层硬度为Hv1200-Hv3000，平均厚度为1-200μm，含硼量6wt.％-16.2wt.％。
优选的，所述液体润滑相为含羟基的液体润滑剂。
优选的，所述含羟基的液体润滑剂是指：由碳、氢、氧构成的化合物为基础液体介质，或者在所述基础液体介质中添加一种或多种化合物添加剂，所述化合物添加剂是含有碳、氢、氧、氮、磷、硫、金属元素中的一种或多种；其中，基础液体介质所占比例为60wt.％-100wt.％。
优选的，所述基础液体介质是指：水、一元醇、二元醇或多元醇中的一种或多种的混合物。
本发明的第二个目的是提供上述含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦的方法，按照以下步骤进行：
步骤1、通过清洗溶剂对工件进行表面清洗，除去工件表面污染物；
步骤2、在工件表面制备渗硼层，得到渗硼后的工件；
步骤3、将渗硼后的工件进行清洗，并进行干燥处理，以除去表面渗硼残留物质；
步骤4，将液体润滑剂体涂覆在步骤3中工件的表面，使工件表面具有超低摩擦系数的固-液组合物，以减小摩擦。
优选的，步骤1中，所述清洗溶剂为水、乙醇、丙酮、石油醚或异丙醇中的一种或多种。
优选的，步骤2中采用固体法渗硼或电化学液体渗硼法在工件表面制备渗硼层，制备温度为500-1100℃，时间为5min-10h。
优选的，所述工件为钢、钛合金、碳化钨、多主元合金的其中一种。
优选的，步骤3中的干燥温度为40-150℃，干燥时间为5-100min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)该固-液组合物在室温环境下可实现低于0.01的宏观超低摩擦系数；
(2)该固-液组合物制备方法简单，成本较低：渗硼技术对设备要求较低，避免了传统涂层制备过程中的高真空、高光洁度/低粗糙度等苛刻需求；含羟基液体介质易于获取或购买，具有较低的成本，具有良好的工业应用价值；
(3)该固-液组合物具有高可靠性，长寿命：渗硼层与基底为冶金结合，结合强度高，避免了常规涂层结合力不足导致的剥落等安全隐患；羟基液体润滑剂可连续补充表面，实现润滑膜原位再生，相比单一渗硼层具有更长使用寿命；
(4)该固-液组合物可应用于金属结构的重大装备中，特别是合金钢等材料，有望赋予轴承、齿轮、活塞环、液压泵等关键运动部件长效润滑。
附图说明
图1为实施例1制备得到的渗硼层截面图；
图2为实施例1制备固-液复合组合物在10N高载荷下超低摩擦系数(<0.01)；
图3为实施例3与对比例1的原始工件与渗硼工件的表面硬度对比图；
图4为实施例4备固-液复合组合物在3N低载荷下超低摩擦系数(<0.01)；
图5为对比例2的原始钢工件为基底的组合物的摩擦系数(高达0.15，未实现超低摩擦)。
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。
下述实验方法和检测方法，如没有特殊说明，均为常规方法；下述试剂和原料，如没有特殊说明，均为市售试剂和原料。
实施例1
一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦中的方法，按照以下步骤进行：
步骤1、配置80wt.％酒精和20wt.％石油醚溶液，制备得到清洗溶液，将直径40mm，厚度5mm轴承钢圆盘工件放入清洗溶液中，开启超声波清洗器，超声波清洗器工作频率50kHz；超声功率100W，超声时间为20min。通过超声清洗处理，以去除工件表面污染物。
步骤2、采用电化学渗硼方法在步骤1清洗后的工件表面制备渗硼层，具体的，将渗硼熔盐的温度升到930℃后保温30min，随后将步骤1中清洗后工件置于渗硼熔盐中，继续保温15min，促进硼原子向工件表面扩散，制备得到渗硼后的工件。
步骤3、渗硼结束后，取出渗硼后的工件，空冷。之后将渗硼后的工件放入煮沸的超纯水清洗溶液中，加热2h，除去表面渗硼残留物质，然后放入烘箱进行干燥处理；干燥温度为80℃，干燥时间为30min。
步骤4、取100μL水/丙三醇/乙二醇液体润滑剂涂覆于干燥后渗硼表面，其中水、丙三醇和乙二醇的质量百分比分别为70％、20％和10％，采用旋涂仪将该液体润滑剂均匀铺展，在轴承钢表面得到具有渗硼层-丙三醇/乙二醇的固-液组合物，得以减小工件摩擦。
将步骤3中干燥后的渗硼工件横截，进行镶样-打磨-抛光-腐蚀处理，测量表面硬度，观测截面渗硼层深度。检测后，可知渗硼层包括表层和次表层，其中表层为FeB相，硬度为Hv1800，B含量为16.2wt.％；次表层为Fe2B相，硬度约为Hv1200、B含量为8.8wt.％；渗硼层的平均厚度约50μm，渗硼层截面的光学显微镜图片如图1所示。
将步骤4中表面含有渗硼层-丙三醇/乙二醇的固-液组合物的轴承钢在μMT-5多功能摩擦磨损试验机上进行测试，接触方式为点接触，载荷为10N，稳定阶段摩擦系数为0.008，达到了超低摩擦状态。
实施例2
一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦中的方法，按照以下步骤进行：
步骤1、配置60wt.％酒精和40wt.％石油醚溶液，制备得到清洗溶液，将长15mm×宽7mm×高5mm，表面粗糙度Ra＝3μm的35CrMo合金钢工件放入清洗溶液中，开启超声波清洗器。超声波清洗器工作频率50kHz；超声功率100W，超声时间为30min。通过超声清洗处理，以去除表面污染物。
步骤2、采用固体渗硼方法制备渗硼层：将步骤1中清洗后的工件置于渗硼粉末中，采用高温密封胶密封干燥后，将温度升到1100℃后保温6h，促进硼原子向工件表面扩散，制备得到渗硼后的工件。
步骤3、渗硼结束后，取出渗硼后的工件，空冷。配置5wt.％NaOH水溶液，将渗硼后的工件放入NaOH水溶液中加热2h，除去表面渗硼残留物质，然后放入烘箱进行干燥处理；干燥温度为70℃，干燥时间为45min。
步骤4、取100μL水/丁四醇/丙三醇液体润滑剂涂覆于干燥后渗硼工件表面，其中水、丁四醇和丙三醇的质量百分比分别为70％、20％和10％，采用旋涂仪将该液体润滑剂均匀铺展，在35CrMo表面得到具有渗硼层-丁四醇/丙三醇的固-液组合物，得以减小工件摩擦。
将步骤4中表面含渗硼层-丁四醇/丙三醇的固-液组合物的35CrMo合金钢在RTEC摩擦磨损试验机上进行测试，接触方式为点接触，载荷为10N，测试时间为2h，稳定阶段摩擦系数达到约0.01。
实施例3
一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦中的方法，按照以下步骤进行：
步骤1、配置20wt.％酒精、40wt.％丙酮和40wt.％石油醚溶液，制备得到清洗溶液，将长10mm×宽10mm×高3mm，表面粗糙度Ra＝1μm的CoCrNi合金工件放入清洗溶液中，开启超声波清洗器。超声波清洗器工作频率50kHz，超声功率100W，超声时间为15min。通过超声清洗处理，以去除工件表面污染物。
步骤2、采用电化学渗硼方法在步骤1清洗后CoCrNi合金工件表面制备渗硼层，将温度升到880℃后保温30min，随后将步骤1中清洗后CoCrNi合金工件置于渗硼熔盐中，继续保温5min，促进硼原子向工件表面扩散，制备得到渗硼后的工件。
步骤3、渗硼结束后，取出工件，空冷。配置3wt.％NaOH水溶液，将渗硼后的工件放入该溶液中煮沸1h，除去表面渗硼残留物质，然后放入烘箱进行干燥处理；干燥温度为90℃，干燥时间为30min；经检测，可知渗硼层包括表层和次表层，其中表层B含量为13wt.％；次表层B含量为6wt.％。
步骤4、取30μL水/甲醇/丙三醇/乙二醇液体润滑剂涂覆于干燥后渗硼表面，其中水、甲醇、丙三醇和乙二醇的质量百分比为60％、10％、20％和10％，采用旋涂仪将该液体润滑剂均匀铺展，在轴承钢表面得到具有渗硼层-水/甲醇/丙三醇/乙二醇的固-液组合物，得以减小工件摩擦。
将步骤3中干燥后的渗硼工件横截，进行镶样-打磨-抛光-腐蚀处理，采用显微硬度计测量表面硬度，显示表面硬度高达Hv1850(如图3所示)；高硬度有利于提高关键运动部件的耐磨性能。
实施例4
一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦中的方法，按照以下步骤进行：
步骤1、配置60wt.％酒精、20wt.％丙酮和20wt.％石油醚溶液，制备得到清洗溶液，将直径40mm，厚度5mm轴承钢圆盘工件放入清洗溶液中，开启超声波清洗器。超声波清洗器工作频率50kHz；超声功率100W，超声时间为45min。通过超声清洗处理，可去除表面污染物。
步骤2：采用电化学渗硼方法在步骤1清洗后工件表面制备渗硼层。将渗硼熔盐的温度升到900℃后保温30min，随后将步骤1中清洗后工件置于渗硼熔盐中，继续保温60min，促进硼原子向工件表面扩散，制备得到具有高硬度高厚度渗硼层的渗硼后的工件。
步骤3、渗硼结束后，取出工件，空冷。配置5wt.％NaOH水溶液，将渗硼后的工件放入该溶液中煮沸加热2h，除去表面残留渗硼剂，然后放入烘箱进行干燥处理；干燥温度为70℃，干燥时间为30min，经检测，可知渗硼层包括表层和次表层，其中表层为FeB相，硬度为Hv1800，次表层为Fe2B相，硬度约为Hv1200，得到渗硼厚度约为200μm。
步骤4、取100μL水/丙三醇/乙二醇液体润滑剂涂覆于干燥后渗硼表面，其中水、丙三醇和乙二醇的质量百分比分别为60％、10％和30％，采用旋涂仪将该液体润滑剂均匀铺展，在轴承钢表面得到具有渗硼层-水/丙三醇/乙二醇的固-液组合物，得以减小工件摩擦。
将步骤4中表面含有渗硼层-水/丙三醇/乙二醇的固-液组合物的轴承钢圆盘在UMT-5多功能摩擦磨损试验机上进行测试，接触方式为点接触，如图4所示，在3N载荷下，经磨合后稳定阶段摩擦系数为0.009，达到了超低摩擦状态。
实施例5
一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦中的方法，按照以下步骤进行：
步骤1、以石油醚为清洗溶液，将直径40mm，厚度5mm的TC4圆盘放入清洗溶液中，开启超声波清洗器，超声波清洗器工作频率50kHz；超声功率100W，超声时间为20min。通过超声清洗处理，以去除工件表面污染物。
步骤2、采用固体渗硼方法制备渗硼层：将步骤1中清洗后的工件置于渗硼粉末中，采用高温密封胶密封干燥后，将温度升到500℃后保温10h，促进硼原子向工件表面扩散，制备得到渗硼后的工件。
步骤3、渗硼结束后，取出渗硼后的工件，空冷。之后将渗硼后的工件放入煮沸的超纯水清洗溶液中，加热2h，除去表面渗硼残留物质，然后放入烘箱进行干燥处理；干燥温度为80℃，干燥时间为30min，经检测，渗硼层厚度为1μm。
步骤4、取100μL乙二醇/多巴胺液体润滑剂涂覆于干燥后渗硼表面，其中乙二醇和多巴胺的质量百分比分别为60％和40％，采用旋涂仪将该液体润滑剂均匀铺展，在轴承钢表面得到具有渗硼层-乙二醇/多巴胺的固-液组合物，得以减小工件摩擦。其中，步骤4中的多巴胺可替换为二硫化钼、或是其他有机化合物，如大豆卵磷脂或半胱氨酸等。
实施例6
一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦中的方法，按照以下步骤进行：
步骤1、以石油醚为清洗溶液，将直径20mm，厚度10mm的含镍碳化钨圆块放入清洗溶液中，开启超声波清洗器，超声波清洗器工作频率50kHz；超声功率100W，超声时间为20min。通过超声清洗处理，以去除工件表面污染物。
步骤2、采用电化学渗硼方法在步骤1清洗后工件表面制备渗硼层。将渗硼熔盐的温度升到930℃后保温30min，随后将步骤1中清洗后工件置于渗硼熔盐中，继续保温60min，促进硼原子向工件表面扩散，制备得到具有高硬度高厚度渗硼层的渗硼后的工件。
步骤3、渗硼结束后，取出渗硼后的工件，空冷。之后将渗硼后的工件放入煮沸的超纯水清洗溶液中，加热2h，除去表面渗硼残留物质，然后放入烘箱进行干燥处理；干燥温度为80℃，干燥时间为30min，经检测，制备得到的渗硼层硬度约为Hv3000。
步骤4、取100μL乙二醇/十八醇/油酸液体润滑剂涂覆于干燥后渗硼表面，其中乙二醇、十八醇和油酸的质量百分比分别为60％、20％和20％，采用旋涂仪将该液体润滑剂均匀铺展，在碳化钨表面得到具有渗硼层-乙二醇/十八醇/油酸的固-液组合物，得以减小工件摩擦。
对比例1
一种减小工件摩擦中的方法，其按照实施例3的步骤1进行清洗后得到，即配置20wt.％酒精、40wt.％丙酮和40wt.％石油醚溶液，制备得到清洗溶液，将长10mm×宽10mm×高3mm，表面粗糙度Ra＝1μm的CoCrNi合金工件放入清洗溶液中，开启超声波清洗器。超声波清洗器工作频率50kHz，超声功率100W，超声时间为15min。通过超声清洗处理，以去除工件表面污染物，得到原始工件，将原始工件横截，进行镶样-打磨-抛光-腐蚀处理，采用显微硬度计测量表面硬度，显示表面硬度为Hv200(如图3所示)，低硬度不利于提高关键运动部件的耐磨性能。
对比例2
一种不含渗硼层的固-液组合物减小工件摩擦中的方法，按照以下步骤进行：
步骤1、配置60wt.％酒精、20wt.％丙酮和20wt.％石油醚溶液，制备得到清洗溶液，将直径40mm，厚度5mm轴承钢圆盘工件放入清洗溶液中，开启超声波清洗器。超声波清洗器工作频率50kHz；超声功率100W，超声时间为45min。通过超声清洗处理，可去除表面污染物。
步骤2、取100μL水/丙三醇/乙二醇复合溶液涂覆于干燥后工件表面，其中水、丙三醇和乙二醇的质量百分比分别为60％、10％和30％，采用旋涂仪将该液体润滑剂均匀铺展，在轴承钢表面得到具有水/丙三醇/乙二醇的固-液组合物，得以减小工件摩擦。
对比例2中将步骤2中表面含有水/丙三醇/乙二醇的固-液组合物的轴承钢圆盘在UMT-5多功能摩擦磨损试验机上进行测试，接触方式为点接触，如图5所示，在3N载荷下，经磨合后稳定阶段摩擦系数高达0.15，明显高于实施例4的摩擦系数。
通过本发明制备得到的基于渗硼层的固-液复合组合物达到了超低摩擦状态，在降低摩擦系数方面具有明显优势。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1、通过清洗溶剂对工件表面进行清洗，除去工件表面污染物；
步骤2、在工件表面制备渗硼层，得到渗硼后的工件；
步骤3、将渗硼后的工件进行清洗，并进行干燥处理，以除去表面渗硼残留物质；
步骤4、将液体润滑剂涂覆在步骤3中工件的表面，使工件表面具有超低摩擦系数的固-液组合物，以减小摩擦；
所述超低摩擦固-液组合物由渗硼层、液体润滑相组成；
所述渗硼层硬度为Hv1200-Hv3000，厚度为1-200 μm，含硼量6 wt.%-16.2 wt.%；
所述液体润滑相为含羟基的液体润滑剂。
2.根据权利要求1所述的一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦的方法，其特征在于，所述含羟基的液体润滑剂是指以水、一元醇、二元醇或多元醇中的一种或多种的混合物为基础液体介质，或者在所述基础液体介质中添加一种或多种化合物添加剂，所述化合物添加剂是含有碳、氢、氧、氮、磷、硫、金属元素中的一种或多种；其中，基础液体介质所占比例为60 wt.%-100 wt.%。
3.根据权利要求1所述的一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦的方法，其特征在于，步骤1中，所述清洗溶剂为水、乙醇、丙酮、石油醚或异丙醇中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦的方法，其特征在于，步骤2中采用固体渗硼法或电化学液体渗硼法在工件表面制备渗硼层，制备温度为500-1100℃，时间为5 min-10 h。
5.根据权利要求1所述的一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦的方法，其特征在于，所述工件为钢、钛合金、碳化钨、多主元合金的其中一种。
6.根据权利要求1所述的一种含渗硼层的超低摩擦固-液组合物减小工件摩擦的方法，其特征在于，步骤3中的干燥温度为40-150℃，干燥时间为5-100 min。
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