专利名称：一种超低摩擦系数的铝基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝基复合材料及其制备方法，具体地，涉及一种超低摩擦系数 的铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
轻质高强材料如铝合金、镁合金、钛合金等已经广泛应用于航空航天、汽车和 机械装备等行业。对于要求超低摩擦系数、干摩擦、轻质的机械部位，摩擦磨损性能是 影响铝基材料使用寿命的主要原因。目前，降低铝基零部件的摩擦系数、减小磨损量的 主要途径是1、选用铝基自润滑材料；2、铝基材料表面硬化处理；3、改善摩擦副干 摩润滑状况。1、自润滑材料包括金属基、高分子基和陶瓷基三类。金属基中的铝基自润滑 材料摩擦系数较高，同时存在制备成本高、对设备要求高、降低了基体材料的机械性能 等问题。正是因为存在上述缺陷，导致铝基自润滑材料应用受到了限制。2、铝基材料基体表面硬化处理方法包括电镀(硬铬)、阳极氧化、微弧氧 化、氮化处理、热喷涂、气相沉积、激光淬火等。但是干摩擦系数较高，而且存在工艺 复杂成本高(气相沉积、氮化处理)、无法用于小尺寸深孔硬化(热喷涂)、损伤基体(激 光淬火)、膜层硬度低(阳极氧化)、结合强度低(电镀硬铬)等问题。3、改善摩擦副干膜润滑状态的方法包括表面涂覆干膜润滑层和珩磨。珩磨 工艺复杂、成本高，在干摩擦条件下的摩擦系数较高，而且易出现“冷焊”现象。表面 直接涂覆干膜润滑层是较好的工艺，但是由于铝基体的硬度低，在高载荷下使用寿命较 低。因此，表面硬化后涂覆干膜润滑层逐渐成为提高铝基合金摩擦性能的重要手段，目 前的工艺主要是首先在铝基材料表面阳极氧化或微弧氧化一层Al2O3硬化膜层，然后 在Al2O3硬化膜层表面再涂覆一层聚四氟乙烯(PTFE)。该工艺的不足主要是聚四氟乙烯 (PTFE)的热膨胀系数大，热变形大，对铝基材料的干摩擦性能改善不明显。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述自润滑材料和表面改性技术存在的摩擦磨损性能 低、制备成本高且工艺复杂等问题，提出一种超低摩擦系数的铝基复合材料，延长了选 用此复合材料的关键零部件使用寿命的优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种超低摩擦系数的铝基复合材料，包括铝基材、在铝基材表面通过微弧氧化 生成的Al2O3硬化膜层、在Al2O3硬化膜层表面喷涂的MoS2基干膜润滑层。进一步地，所述Al2O3硬化膜层的总厚度为50 250um，Q-Al2O3含量大于 35%,硬度为HV700 HV2000，表面粗糙度为Ra 0.8 1.6，Al2O3硬化膜层孔隙度为 5% 15%，所述铝基材与Al2O3硬化膜层为冶金结合。进一步地，所述MoS2基干膜润滑层厚度为5 35um。所述Al2O3硬化膜层与MoS2基干膜润滑层的结合呈互相嵌入状态。本发明的另一个目的是提供了超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，以实 现步骤简单、合理、紧凑的优点，所述超低摩擦系数的铝基复合材料的制备步骤如下1)铝基材预处理，将铝基材加工至表面粗糙度为Ra 1.6 3.2 ；2) Al2O3硬化膜层的生成，在铝基材表面通过微弧氧化工艺形成总厚度为80 300um的Al2O3硬化膜层；打磨Al2O3硬化膜层表面，减薄至50 250um，去除以 Y -Al2O3为主的表面疏松层，保持Al2O3陶瓷膜的相组成中α -Al2O3大于35% ；打磨后 的Al2O3硬化膜层，采用常规设备进行超声波清洗，清洗剂为水基清洗剂，清洗温度为 400C -60去除残留的电解液、孔隙中的磨屑；在80 100°C下真空烘干；3)MoS2基干膜润滑层的喷涂，在经步骤(2)处理的Al2O3硬化膜层上喷涂MoS2 基润滑膜，并在150°C 250°C、真空度为50 150Pa的条件下真空固化2 2.5小时。进一步地，步骤(2)中所述微弧氧化工艺采用的电解液为硅酸盐水溶液，电解 温度15°C 35°C，交流正脉冲电压为500 650V，负脉冲电压为130 180V，电流密 度为15 35A/dm2，根据铝基材形状和表面积大小，设定不同时间。进一步地，步骤(2)中的清洗工艺流程为①浸泡5 10分钟，②超声波清洗 10 20分钟，③去离子水漂洗。进一步地，步骤(3)中喷涂MoS2基润滑膜。在超声波清洗并真空烘干后的Al2O3 陶瓷膜表面，喷涂MoS2基润滑膜层，空气压力为1.5 2.0MPa;在室温下放置20-50分 钟，保证润滑膜表面光洁、平滑、无流痕；固化MoS2基润滑层，在150°C 250°C/真 空度50 150Pa条件下真空固化2 2.5小时，随炉冷却。固化后的润滑膜厚度为5 35um,外观均勻、平整，无粗糙颗粒、无流痕、气泡、裂纹等表面缺陷，附着力达到1 级(GB/T9286-1998)。进一步地，步骤(2)中的打磨采用100# 500#水磨砂纸。有益效果本发明超低摩擦系数的铝基复合材料及其制备方法，配方合理、工艺简单，通 过微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层和MoS2基干膜润滑层的喷涂，克服了现有技术的诸多 缺点，实现了如下优点1.微弧氧化工艺工艺简单，成本低。可以提高铝基材表面硬度、耐温性。同 时Al2O3硬化膜层与基材冶金结合，结合强度高，延长了材料(或工件)的使用寿命；2.^/
烘干工艺100°C下真空烘干0.5小时。实施结果Al2O3硬化膜层厚度140um硬化膜层孔隙度12%表面粗糙度Ra 1.6硬度HV8201.3 Pt^ffl样品材料清洗并烘干后的微弧氧化Al2O3硬化膜层喷涂条件喷涂压力空气压力1.5MPa喷涂材料MoS2基干膜润滑剂真空固化条件喷涂MoS2干膜润滑膜层后，在室温下放置20分钟左右；1500C /真空度为133Pa/2小时+随炉冷。实施结果润滑膜厚度为5 15um润滑膜外观均勻、光滑、平整，无流痕、气泡、裂纹等依据GB/T9286-1998检验，膜层未露出金属基体，附着力达到1级1.4复合材料摩擦性能试验样品材料实施1 3后的超硬铝合金7A04铝基复合材料摩擦实验条件与结果见下表1。表17A04铝基复合材料试验条件与结果(试验温度常温)
权利要求
1.一种超低摩擦系数的铝基复合材料，其特征在于，包括铝基材、在铝基材表面通 过微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层、在Al2O3硬化膜层表面喷涂的MoS2基干膜润滑层。
2.根据权利要求1所述的超低摩擦系数的铝基复合材料，其特征在于，所述Al2O3硬 化膜层的总厚度为50 250um，α-Al2O3含量大于35%，硬度为HV700 HV2000，表 面粗糙度为Ra 0.8 1.6，Al2O3硬化膜层孔隙度为5% 15%。
3.根据权利要求1所述的超低摩擦系数的铝基复合材料，其特征在于，所述MoS2基 干膜润滑层厚度为5 35um。
4.权利要求1-3中任意一项所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征 在于，步骤如下1)铝基材预处理，将铝基材加工至表面粗糙度为Ra1.6 3.2 ；2)Al2O3硬化膜层的生成，在铝基材表面通过微弧氧化工艺形成总厚度为80 300um 的Al2O3硬化膜层；打磨Al2O3硬化膜层表面，减薄至50 250um，去除以Y -Al2O3为 主的表面疏松层，保持Al2O3陶瓷膜的相组成中α-Al2O3大于35% ；打磨后的Al2O3硬 化膜层，采用常规设备进行超声波清洗，清洗剂为水基清洗剂，清洗温度为40°C-6(TC; 在80 100°C下真空烘干；3)MoS2基干膜润滑层的喷涂，在经步骤(2)处理的Al2O3硬化膜层上喷涂MoS2基润 滑膜，并在150°C 250°C、真空度为50 150Pa的条件下真空固化2 2.5小时。
5.根据权利要求4所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步 骤(2)中所述微弧氧化工艺采用的电解液为硅酸盐水溶液，电解温度为15°C 35°C，交 流正脉冲电压为500 650V，负脉冲电压为130 180V，电流密度为15 35A/dm2。
6.根据权利要求4所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步 骤(2)中的清洗工艺流程为①浸泡5 10分钟，②超声波清洗10 20分钟，③去离 子水漂洗。
7.根据权利要求4所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于， 步骤(3)中喷涂MoS2基润滑膜的步骤为，在超声波清洗并真空烘干后的Al2O3陶瓷膜表 面，喷涂MoS2基润滑膜层，空气压力为1.5 2.0MPa ；在室温下放置20-50分钟；在 150°C 250°C /真空度为50 150Pa条件下真空固化2 2.5小时。
8.根据权利要求4所述的超低摩擦系数的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步 骤(2)中的打磨采用100# 500#水磨砂纸。
全文摘要
本发明公开了一种超低摩擦系数的铝基复合材料及其制备方法，超低摩擦系数的铝基复合材料包括铝基材、在铝基材表面通过微弧氧化生成的Al2O3硬化膜层、在Al2O3硬化膜层表面喷涂的MoS2基干膜润滑层。本发明配方科学、工艺简单，克服了现有技术的诸多缺点，并具有超低摩擦系数、延长了选用此复合材料的关键零部件的使用寿命的优点。
文档编号C25D11/04GK102011166SQ20101051265
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者罗锡裕, 谭华玉, 金成海, 闫来成 申请人:安泰科技股份有限公司