鋁合金表面納米自潤滑復(fù)合材料的研究.pdf

1、鋁合金由于具有比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好、比重小等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用廣泛。然而鋁合金的致命弱點(diǎn)是質(zhì)軟、摩擦系數(shù)及磨損率高等,這在很大程度上限制了鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用。鋁合金經(jīng)過陽極氧化處理后,其表面的硬度和耐磨性能夠得到顯著的提高,而且,鋁陽極氧化膜的微觀多孔性結(jié)構(gòu)賦予了其獨(dú)特的功能,如在多孔層中填充潤滑性物質(zhì)形成表面復(fù)合材料,可在保持鋁陽極氧化膜原有特性的基礎(chǔ)上有效降低陽極氧化膜的摩擦系數(shù),改善其潤滑性能。 由于鋁硬質(zhì)陽極氧化

2、膜的孔徑一般只有十幾個納米,潤滑劑填充困難,因而鋁合金表面自潤滑復(fù)合材料的制備比較困難。因此,探索新的鋁合金表面自潤滑復(fù)合材料制備方法對于推廣其在工業(yè)上的應(yīng)用將有重大的實(shí)際意義。 本文采用陽極氧化法,通過控制氧化膜的微孔結(jié)構(gòu),在鋁合金上生成了一層表面復(fù)合材料大孔徑、厚模板,探索了表面復(fù)合材料模板的制備體系,對模板厚度、硬度、微觀形態(tài)進(jìn)行了研究及優(yōu)化,并提出了一種新的自潤滑處理技術(shù),制備出了鋁合金表面納米自潤滑復(fù)合材料,研究了鋁合

3、金表面自潤滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。 鋁合金表面納米自潤滑復(fù)合材料要求氧化鋁模板具有較大的孔徑及較厚的膜層,而現(xiàn)有的常規(guī)陽極氧化技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)。如一般常用的硫酸及草酸陽極氧化生成的氧化鋁模板膜層厚,硬度高,但模板孔徑分別為幾個至十幾個納米,潤滑劑難以填充；磷酸陽極氧化生成的氧化鋁模板孔徑較大,但膜層太薄,僅2-3 μm左右。本文從兩個方面探索表面復(fù)合材料大孔徑、厚模板的制備體系,一是以厚膜氧化體系為基礎(chǔ),提高模板的孔徑；二是以大孔徑

4、氧化體系為基礎(chǔ),提高模板的厚度。 研究表明,在以草酸為主的電解液中陽極氧化可得到厚度超過20 u m的氧化鋁模板,經(jīng)擴(kuò)孔處理后孔徑為40nm左右,進(jìn)一步擴(kuò)孔將會破壞模板結(jié)構(gòu)。 在以磷酸為主的電解液中進(jìn)行陽極氧化,通過快速氧化工藝而獲得的氧化鋁模板質(zhì)量好,厚度可超過20 μm,孔徑為70nm左右；而通過復(fù)合氧化工藝而獲得的氧化鋁模板孔徑大于100nm,厚度可超過20 μm,較好的滿足了制備表面自潤滑復(fù)合材料的要求。

5、 本文研究表明,磷酸電解液中有機(jī)酸的加入可以有效提高氧化鋁模板的厚度,加入稀土鹽則對模板的硬度貢獻(xiàn)較大。有機(jī)酸及稀土鹽可在陽極氧化過程中發(fā)生協(xié)同作用,通過物理作用及化學(xué)反應(yīng)參與并改變陽極氧化過程,其結(jié)果可以在保持磷酸氧化鋁模板大孔徑特征的基礎(chǔ)上大大提高其厚度及硬度。 對表面復(fù)合材料模板的研究表明,氧化鋁模板的微觀形態(tài)及厚度、硬度主要取決于預(yù)處理?xiàng)l件、氧化電壓、溫度及時間。氧化前采用退火及電解拋光預(yù)處理工藝、控制氧化電壓在1

6、30V～150V,氧化溫度0-15℃,適當(dāng)延長氧化時間(>90min)、采用二次氧化工藝均有助于獲得孔徑大、厚度硬度高、有序性好的表面復(fù)合材料模板。 以鋁合金陽極氧化大孔徑、厚膜為模板,本文提出了一種在PTFE乳液中采用超聲波浸漬及后續(xù)處理的新方法,制備了表面納米自潤滑復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)表明采用該法制備的復(fù)合材料能顯著提高鋁合金表面的摩擦學(xué)性能。與硬質(zhì)陽極氧化膜及熱浸涂覆法制備的自潤滑復(fù)合材料相比,表面納米自潤滑復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最

7、小(三者的比值為0.55:0.3:0.25),磨損量最低(三者的重量磨損量之比為1:0.31:0.14),即表面納米自潤滑復(fù)合材料的減磨、耐磨性能最好。 在自潤滑復(fù)合材料制備過程中,浸漬時間及熱處理工藝對表面復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及性能影響較大,浸漬時間短,氧化膜孔隙中潤滑劑填充量少,摩擦系數(shù)高；浸漬時間過長,氧化膜孔隙中潤滑劑填充量多,但自潤滑表面硬度降低,且容易出現(xiàn)裂紋；熱處理溫度越高,保溫時間越長,表面復(fù)合材料硬度越高,裂紋越明顯

8、.綜合評估制備工藝對表面納米自潤滑復(fù)合材料摩擦系數(shù)、硬度及外觀的影響,確定適宜的超聲浸漬時間為5min,后續(xù)浸漬時間為30min；熱處理溫度為390℃,保溫30min,室溫水冷。 對表面納米自潤滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究表明,表面納米自潤滑復(fù)合材料的減磨耐磨機(jī)理在于摩擦過程中轉(zhuǎn)移膜的形成、氧化鋁基體的支撐和抗磨作用及納米顆粒的自修復(fù)作用,其磨損機(jī)制可解釋為初期階段主要為粘著磨損,中期階段主要為粘著磨損和剝層磨損,磨損后期主要為疲