CN115233209B - 一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法 - Google Patents

一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法 Download PDF

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Abstract

一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，属于固体涂层润滑领域。将金属基底表面经过抛光工艺处理至表面粗糙度为Ra 0.025～0.1或将金属基底表面进行喷砂处理，使用酒精或丙酮去除表面油污、杂质；称取一定质量的氧化锑，通过旋转挤压的方式将其粘结于金属基体表面，得到氧化锑涂层；称取一定质量的固体润滑粉末，通过旋转挤压的方式将其涂覆于氧化锑涂层表面，得到氧化锑/固体润滑材料混合涂层；称取一定质量的天然硅酸盐或水热制备的纳米硅酸盐，通过旋转挤压的方式将其涂覆于混合涂层表面，最终得到能够实现200～500℃范围内高温环境下超滑的硅酸盐类润滑涂层。

Description

一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，属于固体润滑涂层技术领域。
背景技术
固体润滑涂层主要应用于苛刻环境中、油脂等液体润滑剂难以满足润滑要求的空间环境、高速高温切削场合以及航空工业和先进能源装备领域，起到减摩耐磨作用，延长零部件的使用寿命。许多机械装备及部件均服役于高温、高载、高速等苛刻摩擦条件，如燃气涡轮发动机轴承、高效柴油发动机活塞环、航空部件以及成型工具等，由于摩擦生热，接触表面温度大幅度升高，涂层耐磨性降低。
对于高温固体润滑涂层而言，目前主要以NASA研制的热喷涂PS系列高温润滑涂层配方体系为主，通过控制涂层润滑相、增强相和基础相之间的复配来获得不同系列涂层(PS200、PS300、PS304、PS400)及块体材料(PM212、PM300、PM304)。然而，在高低温周期性变化条件下，PS系列涂层表面会产生新相而导致疲劳接触失效，且一旦消耗将无法再生；加之，热喷涂涂层通常疏松多孔，在很大程度上限制了摩擦副的承载系数。除以上金属基高温润滑涂层外，考虑到陶瓷材料硬度高、密度小和高温强度稳定性好的特点，国内外科研人员采用WC、Al2O3、SiC、TiC、ZrO2等为基础相，开发了陶瓷基高温润滑涂层。虽然，陶瓷基固体润滑涂层一定程度上能够实现在不同温度的低摩擦磨损，但这类涂层由于缺乏有效的高温润滑相，在500℃以上力学性能和摩擦学性能急剧变差。综上所述，PS系列涂层和环境自适应性涂层具有根据所处环境的变化自发调整表面结构和化学成分以降低摩擦和磨损的特性，极大程度地促进了航空航天等极端环境下的润滑，然而其交变高–低温适应性及更低的摩擦系数仍是现阶段高温固体润滑涂层领域的研究难点和热点之一。
发明内容
为了克服现有高温固体润滑涂层技术的不足,本发明的目的是开发以硅酸盐类材料作为高温润滑相的固体润滑涂层，以期望得到具备更优摩擦学性能的高温润滑涂层。
一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，包括以下步骤：
步骤(1)、选取目标金属材料，使用砂纸和抛光机对其表面进行抛光处理，或使用喷砂机对其表面进行喷砂处理，金属表面最终粗糙度达到Ra 0.025～0.1，然后使用酒精或丙酮对金属材料进行超声清洗，去除其表面油污或杂质；
步骤(2)、称取一定质量的氧化锑粉体，使用无棉布或无棉镜头纸通过旋转挤压的方式将氧化锑粉体涂覆于金属基体表面，得到氧化锑涂层；
步骤(3)、称取一定质量的某一种固体润滑粉末，同样使用无棉布或无棉镜头纸通过旋转挤压的方式将固体润滑粉体涂覆于氧化锑涂层表面，得到两相混合固体润滑涂层；
步骤(4)、称取一定质量的硅酸盐粉末，同样使用无棉布或无棉镜头纸通过旋转挤压的方式将其涂覆于两相混合固体润滑涂层表面，最终得到能够实现大气环境高温超滑的混合固体润滑涂层；
所述步骤(1)中，所述金属材料包括：低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金钢、中合金钢、高合金钢、铜合金。
所述步骤(2)中，所述氧化锑粉体纯度85.00％～99.99％。
所述步骤(2)、(3)、(4)中，所述旋转挤压方法应力为10～200MPa、旋转速度10～200rpm。
所述步骤(3)中，某一种固体润滑粉末包括：石墨、石墨烯、二硫化钼、六方氮化硼、MXene相。
所述步骤(4)中，硅酸盐粉末包括：天然硅酸盐矿物和水热合成片状、管状、球状硅酸盐纳米材料。天然硅酸盐矿物包括：蛇纹石、叶腊石、高岭石、蒙脱石、埃洛石、滑石、绿泥石、云母；水热合成片状、管状、球状硅酸盐纳米材料包括：纯羟基硅酸镁、无定形碳包覆羟基硅酸镁、石墨烯包覆羟基硅酸镁、镍掺杂羟基硅酸镁、氟掺杂羟基硅酸镁。
本发明的优点是在多种金属基体表面制备能够实现200～500℃高温超滑的硅酸盐类固体润滑涂层的方法简单可靠，制得的固体润滑涂层在大气、真空、高温条件下表现出了特别优异的摩擦学性能，能够降低摩擦系数至低于0.01，显著减少磨损，使得机器运行平稳，并在很大程度上延长设备的使用寿命。
本发明可操作性强，通过控制旋转挤压应力和转速以及各组成涂层的重复制备次数，可以控制获得的固体润滑涂层的厚度。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1是根据本发明实施例1中一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的表面扫描电镜图片；
图2是根据本发明实施例1中一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的截面透射电镜图片。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
为便于对本发明实施例的理解，下面将做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例1：一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，包括以下步骤：
选用的金属材料为铜材料，固体润滑材料为二硫化钼，硅酸盐材料为水热合成纳米片状羟基硅酸镁。
具体为：选取铜金属材料，使用砂纸和抛光机对其表面进行抛光处理至粗糙度达到Ra 0.025，然后使用酒精或丙酮对金属材料进行超声清洗，去除其表面油污或杂质；依次称取0.5g的分析纯氧化锑粉末、0.1g二硫化钼粉末和0.1g片状羟基硅酸镁纳米材料，使用无棉镜头纸通过旋转挤压的方式(接触应力200MPa，转速100rpm)将它们涂覆于金属基体表面，得到能够实现大气环境高温超滑的复合固体润滑涂层。
该复合固体润滑涂层的表面微观形貌和截面透射形貌分别如图1和图2所示。
从图1和图2可以看出，本发明实施得到的复合固体润滑涂层厚度约为200nm，涂层制备过程为依次将氧化锑、MoS2和羟基硅酸镁粉末旋压在铜基体上，它们的代表元素Sb、Mo和S、Mg和Si却交错堆积并以岛状聚集体的形式存在。

Claims (7)

1.一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、选取目标金属材料，使用砂纸和抛光机对其表面进行抛光处理，或使用喷砂机对其表面进行喷砂处理，金属表面最终粗糙度达到Ra 0.025～0.1，然后使用酒精或丙酮对金属材料进行超声清洗，去除其表面油污或杂质；
步骤(2)、称取一定质量的氧化锑粉体，使用无棉布或无棉镜头纸通过旋转挤压的方式将氧化锑粉体涂覆于金属基体表面，得到氧化锑涂层；
步骤(3)、称取一定质量的某一种固体润滑粉末，同样使用无棉布或无棉镜头纸通过旋转挤压的方式将固体润滑粉体涂覆于氧化锑涂层表面，得到两相混合固体润滑涂层；
步骤(4)、称取一定质量的硅酸盐粉末，同样使用无棉布或无棉镜头纸通过旋转挤压的方式将其涂覆于两相混合固体润滑涂层表面，最终得到能够实现大气环境高温超滑的混合固体润滑涂层。
2.根据权利要求1所述的一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，其特征在于所述步骤(1)中，所述金属材料包括：低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金钢、中合金钢、高合金钢、铜合金。
3.根据权利要求1所述的一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，其特征在于所述步骤(2)中，所述氧化锑粉体纯度85.00％～99.99％。
4.根据权利要求1所述的一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，其特征在于所述步骤(2)、(3)、(4)中，所述旋转挤压方法应力为10～200MPa、旋转速度10～200rpm。
5.根据权利要求1所述的一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，其特征在于所述步骤(3)中，某一种固体润滑粉末包括：石墨、石墨烯、二硫化钼、六方氮化硼、MXene相。
6.根据权利要求1所述的一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，其特征在于所述步骤(4)中，硅酸盐粉末包括：天然硅酸盐矿物和水热合成片状、管状、球状硅酸盐纳米材料。
7.根据权利要求6所述的一种在金属基底表面制备高温超滑硅酸盐类润滑涂层的方法，其特征在于所述的天然硅酸盐矿物包括：蛇纹石、叶腊石、高岭石、蒙脱石、埃洛石、滑石、绿泥石、云母；所述的水热合成片状、管状、球状硅酸盐纳米材料包括：纯羟基硅酸镁、无定形碳包覆羟基硅酸镁、石墨烯包覆羟基硅酸镁、镍掺杂羟基硅酸镁、氟掺杂羟基硅酸镁。
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