一种耐磨自润滑涂层及制备方法与流程

本发明涉及表面防护技术领域，特别涉及一种耐磨自润滑涂层及制备方法。

背景技术：

低合金超强钢具有高比强度和比刚度，应用于航空、航天、海洋装备等领域，但耐磨性较差。常采用镀铬工艺改善钢基体表面耐磨性，但镀铬工艺使用铬酸溶液导致严重的环境问题，且镀铬层硬度随温度升高而降低。因此，研究人员一直寻找替代镀铬提高钢基体耐磨性的新工艺。

采用等离子喷涂陶瓷涂层可以显著改善钢基体的耐磨性。氧化铝陶瓷是目前产量最大、应用最广的陶瓷涂层材料之一，但纯氧化铝陶瓷韧性较差，通过添加二氧化钛可以改善氧化铝基陶瓷韧性。目前常用的氧化铝基涂层主要有al2o3-13％tio2(at13)和al2o3-40％tio2(at40)两大类。但氧化铝基涂层的缺点是摩擦系数较高，需要加入润滑油降低涂层的摩擦系数，但是大多数润滑油的使用温度仅为200℃左右，摩擦磨损过程中产生大量热量，随着摩擦时间延长，热量积累放热使润滑油分解，润滑效果降低甚至失效。

二硫化钼为典型层状结构，具有自润滑性能。二硫化钼颗粒表面一般采用镀镍包覆层，才可进行等离子喷涂。采用镍包二硫化钼具有以下优点：一是等离子焰流温度极高，喷涂过程中易导致二硫化钼发生分解，镍包覆层起到喷涂过程中的保护作用；二是二硫化钼与氧化铝润湿性较低，镍包覆层可起到黏结作用，防止二硫化钼在涂层中发生团聚。

技术实现要素：

本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种能够降低涂层摩擦系数、含固体润滑相的氧化铝基耐磨涂层及其制备方法。该方法可以改善基体表面的摩擦学性能，提高基体耐磨减摩性能。适用于高强钢、铝合金、钛合金等合金。

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种耐磨自润滑涂层，是由氧化铝基粉末和二硫化钼粉末为原料制备获得，其中氧化铝基粉末和二硫化钼的重量比为(70～90):(10～30)。

作为优选，所述的氧化铝基粉末为氧化铝/氧化钛复合粉，粒度为45～70μm，氧化钛的含量为13wt％或40wt％。

作为优选，所述的二硫化钼粉末为镍包二硫化钼粉，粒度为45～96μm，其中二硫化钼含量为25wt％。

一种耐磨自润滑涂层的制备方法包括以下步骤：

s1，以上面所述耐磨自润滑涂层中的氧化铝基粉末、二硫化钼粉末混合物为原料，在原料中加入预定量的去离子水和占所述原料总重量3～10％的pva粘结剂后，置于球磨机中进行球磨，球磨混合4～8小时后取出；

s2，将s1所得混合浆料在70～95℃下烘干，保温2～6小时而制成含二硫化钼润滑相的复合粉：

s3，将上述已烘干后已结块的混合粉破碎成粉末并过筛，并选取粒径范围在45～70μm的混合粉作为待喷涂粉末；

s4，以氩气为主气，以氢气为辅气，以氮气为送粉气，采用等离子喷涂技术将上述混合粉末喷涂在已经过喷砂处理的低合金超强钢表面而形成厚度为250～350μm的含二硫化钼润滑相的等离子喷涂氧化铝基耐磨涂层。

作为优选，所述步骤s1中，球磨混合的时间为6小时；

作为优选，所述步骤s2中，将s1所得混合浆料在90℃下烘干，保温4小时而制成含二硫化钼润滑相的复合粉；

作为优选，所述步骤s4中，所述的等离子喷涂过程中氩气流量为70～80l/min，氢气流量为75～150l/min，氮气流量为4l/min，喷涂距离为120mm，喷涂电流为600a，喷涂电压为65v，喷枪移动速度为100mm/s。

作为优选，所述步骤s4中，所述的低合金超强钢表面喷砂处理选用的介质为36目棕刚玉砂，喷砂压力0.4～0.6mpa。

作为优选，所述步骤s1得到的混合浆料中去离子水的占比为60wt.％～80wt.％。

与现有技术相比，本发明提供的一种耐磨自润滑涂层制备方法具有的有益效果为：

本发明提供的含自润滑相的等离子喷涂耐磨涂层是在氧化铝基粉末基础上加入二硫化钼，并采用pva将氧化铝/氧化钛和二硫化钼混合粘结，球磨混合破碎筛分制成混合喷涂粉末，然后采用等离子喷涂技术制成耐磨自润滑涂层。与传统的氧化铝/氧化钛涂层相比，本发明提供的涂层干摩擦系数可减少25％，磨损量略有升高，但仍为钢基体磨损量的20％，实现涂层耐磨性的同时，提高了涂层的润滑性。

另外，该方法具有简便易行，同时避免了涂油润滑的优点。

附图说明

图1为al2o3-40％tio2+20wt％mos2涂层截面形貌；

图2为低合金超高强钢、al2o3-40％tio2涂层和al2o3-40％tio2+20wt％mos2涂层的相对磨损量；

图3为al2o3-40％tio2涂层的摩擦系数；

图4为al2o3-40％tio2+20wt％mos2涂层的摩擦系数。

具体实施方式

为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作以详细说明。

实施例1：

1)将800克粒度为(45～75)μm的kf-242型氧化铝(40％)氧化钛粉末和200克粒度为(45-96)μm的kf-20型镍包二硫化钼复合粉在pva介质中混合而粘结在一起，pva粘结剂用量以能够将氧化铝氧化钛复合粉和二硫化钼表面完全润湿为宜，同时加入去离子水100ml，然后在球磨机中混合6小时；

2)将上述混合浆料在90℃下烘干，保温4小时而制成氧化铝氧化钛和二硫化钼复合粉末；

3)将上述烘干后已结块的混合粉破碎并过筛，选取粒径为(45～70)μm的粉末作为喷涂原料；

4)等离子喷涂前，对低合金超高强钢进行喷砂处理，喷砂介质为36目棕刚玉砂，喷砂压力为0.5mpa；

5)在氩气流量为(70～80)l/min,氢气流量为(75～150)l/min,氮气流量为4l/min,喷涂距离为120mm，喷涂电压为65v，喷涂电流为600a，喷枪移动速度为100mm/s的条件下，采用9mc等离子喷涂设备将上述喷涂原料喷涂在已经过喷砂处理的低合金超高强钢基材表面，并控制喷涂次数，直至形成厚度为(250～350)μm的含二硫化钼固体润滑相的等离子喷涂氧化铝基陶瓷(al2o3-40tio2+20wt.％mos2)涂层。

实施例2：

1)将800克粒度为(45～75)μm的kf-241型氧化铝(13％)氧化钛粉末和200克粒度为(45-96)μm的kf-20型镍包二硫化钼复合粉在pva介质中混合而粘结在一起，pva粘结剂用量为总重量的7％，加入去离子水100ml，然后在球磨机中混合6小时；

2)将上述混合浆料在90℃下烘干，保温4小时而制成氧化铝氧化钛和二硫化钼复合粉末；

3)将上述烘干后已结块的混合粉破碎并过筛，选取粒径为(45～70)μm的粉末作为喷涂原料；

4)等离子喷涂前，对低合金超高强钢进行喷砂处理，喷砂介质为36目棕刚玉砂，喷砂压力为0.5mpa；

5)在氩气流量为(70～80)l/min,氢气流量为(65～130)l/min,氮气流量为4l/min,喷涂距离为120mm，喷涂电压为65v，喷涂电流为550a，喷枪移动速度为100mm/s的条件下，采用实例1中的等离子喷涂设备将上述喷涂原料喷涂在喷砂处理的低合金超高强钢基材表面，形成厚度为(250～350)μm的含二硫化钼固体润滑相的等离子喷涂氧化铝基陶瓷(al2o3-13tio2+20wt.％mos2)涂层。

为验证本发明的效果，本发明人利用扫描电镜对上述实施例中涂层的表面及截面进行了观察，图1为等离子喷涂al2o3-40％tio2+20wt％mos2涂层横截面sem图，经能谱分析后浅灰色为二硫化钼相。结果表明，经过等离子喷涂后，二硫化钼在氧化铝氧化钛基体中呈层片状分布。

为验证本发明的效果，本发明人利用扫描电镜对上述实施例中涂层的表面及截面进行了观察，图1为等离子喷涂al2o3-40％tio2+20wt％mos2涂层横截面sem图，经能谱分析后浅灰色为二硫化钼相。结果表明，经过等离子喷涂后，二硫化钼在氧化铝氧化钛基体中呈层片状分布。

本发明人利用高速旋转环块摩擦磨损试验机测试了涂层的干摩擦系数。实验中载荷为20n，转速为600rpm/min,时间为60min，环配副为gcr15。图2为低合金超高强钢、al2o3-40％tio2涂层和al2o3-40％tio2+20wt％mos2涂层的相对磨损量，图3为al2o3-40％tio2涂层摩擦系数随时间变化趋势，图4为al2o3-40％tio2+20wt％mos2涂层摩擦系数随时间变化趋势。由图2可知，假定钢基体磨损量为100％，al2o3-40％tio2涂层的磨损量为15％，al2o3-40％tio2+20wt％mos2涂层的磨损量为20％，涂层磨损量略有升高，但仍大大低于钢基体的磨损量。由图3和图4可知，al2o3-40％tio2涂层在摩擦开始阶段，受表面粗糙度和磨球与被摩面点接触而使接触应力增大，导致摩擦因数波动较大，随着摩擦试验的继续进行，对摩球慢慢压入涂层，与涂层接触面增大，导致摩擦系数增大，随后摩擦系数趋于稳定，摩擦系数约为0.8。加入20wt％mos2后，涂层与对摩球的跑合时间显著降低，随摩擦试验继续进行，涂层的摩擦系数稳定在0.6左右。主要原因是：涂层与对摩球摩擦过程中，涂层中的二硫化钼受剪切力作用易发生剥落，脱落的mos2为磨粒磨损提供磨料，具有层状结构的二硫化钼填充到划痕和剥落坑中，改善了涂层表面状态，起到润滑作用，降低了涂层的摩擦系数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。