一种氧化铝/聚四氟乙烯复合自润滑膜的制备方法与流程

本发明属于金属材料表面处理的复合膜制备技术，涉及低摩擦铝合金复合阳极氧化膜的制备方法，即一种氧化铝(al2o3)/聚四氟乙烯(ptfe)复合自润滑膜的制备方法。

背景技术：

铝及其合金由于其比重小、比强度高、延展性优良、导热性好和易成型加工等优异的物理、化学性能，是制造纺织机械、食品机械和汽车发动机等行业摩擦零件的重要材料之一，但铝及其合金固有的硬度低、耐磨性差已不能适应苛刻的服役条件要求，适当的表面处理工艺可部分解决这一问题。铝及其合金的阳极氧化技术是以提高阳极氧化膜的硬度与耐磨性为目的的表面处理技术。阳极氧化后，表面能够获得一层多孔质的al2o3膜，该膜改进了铝及其合金原有的硬度低、耐磨性能差等缺点。但是单一的氧化膜摩擦系数高，制约了其应用。该研究领域的研究热点之一，是改善氧化膜的摩擦性能。基于氧化膜的多孔性特点，在纳米级膜孔中填充自润滑微粒物质，得到功能性复合膜，该方法制备的复合膜具有自润滑性能，可减小摩擦。目前，国内外有多种制备铝及其合金自润滑复合膜的技术，如含浸润滑油脂法、原位合成法、协合含氟聚合物涂层法、电泳沉积法等。含浸润滑油脂法，因其工艺简单的优点，比较常用，但因该法沉积在微孔中的润滑微粒较少，大多又集中在多孔膜的孔口或表面，结合性差，摩擦过程中易脱落。原位合成法制备的mos2润滑膜，改善了铝合金的摩擦性能，降低了复合膜的摩擦系数。但是使用此类方法制备的材料，摩擦系数约为0.3，因此，此法应用意义不大。协合含氟聚合物涂层法，用于注塑成型铝质原型模具后，能够使模具的使用寿命从几百次提高到几十万次，但是由于该方法在涂层制备时需要借助外加机械力挤压渗透，挤压过程中易造成试件挤压变形，而且工艺参数控制要求很高，所以也很难推广应用。电泳沉积法的工艺简单,可操作性强,在工业中具有良好的应用前景。但是因为固体润滑剂微粒一般大于氧化膜孔径，所以润滑剂微粒难以进入到纳米级孔中。因此，目前已有的铝及其合金自润滑复合膜的制备技术有一个缺陷，就是润滑因子只能在阳极氧化纳米孔的表面松散地沉积，服役过程中自润滑微粒易脱落而丧失润滑性。扩孔虽然做到了扩大孔径，但是在扩孔过程中阳极氧化膜的厚度减小，膜易破碎，这就使该法受到限制。

ptfe具有低的摩擦系数，是一种优良的减摩自润滑材料，能够渗入和沉积到阳极氧化膜的多孔质中，提升铝及其合金的自润滑性能。然而，目前常见的自润滑复合膜的制备方法是将溶液中ptfe微粒自然沉降于氧化膜孔表面，该过程仅只有部分微粒落入膜孔内。ptfe与氧化铝膜的结合差，填充率低。本专利提出了离心法，可得到较致密填充及附着的复合膜，其具有高硬度、高耐磨和良好的自润滑性能，此工艺技术具有广泛的应用价值和应用前景。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如何制备兼具氧化铝膜的硬度和耐磨性，同时具有良好的自润滑性的al2o3/ptfe复合膜。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化铝(al2o3)/聚四氟乙烯(ptfe)复合自润滑膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：预处理：铝合金表面进行前处理后，将其置于氧化膜制备的电解液中，制备出阳极氧化膜；

步骤2)：离心工艺：将步骤1)得到的铝合金浸泡在加热后的ptfe溶液中，经高速离心后，将微粒抛甩入膜孔中及膜表面，制备出致密的复合膜；

步骤3)：后处理：将步骤2)得到的铝合金经热处理，获得al2o3/聚四氟乙烯复合自润滑膜。

优选地，所述步骤1)中的前处理依次包括打磨、抛光、除油、碱洗、出光和电化学抛光。

优选地，所述步骤2)中的离心参数为：离心速度1000-10000r/min，离心时间10-500min。

优选地，所述步骤2)中的ptfe溶液，固体颗粒的质量百分比为10％-60％，粒径范围为100-800nm。

优选地，所述al2o3/聚四氟乙烯复合自润滑膜的硬度为200-600hv。

优选地，所述al2o3/聚四氟乙烯复合自润滑膜的厚度为1-150μm。

优选地，所述al2o3/聚四氟乙烯复合自润滑膜的摩擦系数为0.1-0.2。

离心技术是利用曲线运动的离心力，进行不同密度固态及液态物质分离、压缩及浓缩的一种技术。本发明所述的制备方法也是依据此原理而提出，其技术原理是：利用高速旋转产生的离心力，将ptfe溶液中固体微粒高速抛甩至膜孔内及表面，同时增大润滑微粒与膜的结合力，使得被离心力推挤的润滑微粒在膜孔内及表面上致密填充和附着成膜。

离心技术目前广泛应用于金属铸造、混凝土制品的制备生产工艺。采用离心铸造工艺，可以有效提升金属铸件的充型能力，有助于液态金属中气体和夹杂物的排出；在离心力场的作用下，还可以改变金属铸件的晶粒形态，抑制粗大柱状晶缺陷的产生，从而改善铸件的机械性能和物理性能。离心工艺也是作为预应力混凝土管桩成型的重要工艺，在离心过程中离心力将高密度的混凝土料挤向模壁，排出低密度的空气和多余的水份，使其密实度和强度得到提高。此前未见有将离心工艺用于铝合金自润滑复合膜制备的报道。

本发明制备方法的特点是采用离心的方法，将ptfe微粒高速抛甩至阳极氧化膜孔内及表面，使其在膜孔内及表面致密填充和附着成膜，而不是仅仅附着在膜孔口或表面，实验测量表明，使用离心工艺，附着在表面的ptfe的密度较未离心的提高了30％以上，即离心工艺可获得较致密的膜。

本发明制备方法采用离心法，可有效解决润滑微粒在阳极氧化纳米孔沉积松散，润滑微粒不致密、填充率低的问题，低成本制备具有高硬度、高耐磨和自润滑性能的复合膜。通过离心工艺参数的调控，制备的al2o3/ptfe复合自润滑膜的硬度值达到200-600hv，膜厚达到1-150μm，摩擦系数(平均值)降低至0.1-0.2，得到高硬度、高耐磨和自润滑的复合膜。此发明方法工艺耗时短，制备效率高，易于实现批量生产，对制备具有高硬度和高耐磨性，同时良好的自润滑性的al2o3/ptfe复合膜，提供了新的工艺。本发明方法能够增加摩擦零件的使用寿命，减少油性润滑带来的污染，在汽车，机械制造和轻工日用品制造等领域中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制得的氧化铝/聚四氟乙烯复合膜和静态浸泡法制备的复合膜的摩擦系数-时间曲线；

图2为实施例2制得的氧化铝/聚四氟乙烯复合膜和静态浸泡法制备的复合膜的摩擦系数-时间曲线。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

一种al2o3/ptfe复合自润滑膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)阳极氧化预处理

选择6063铝合金为基材，对铝合金表面进行前处理(依次经打磨、抛光、除油、碱洗、出光和电化学抛光工序)后，进行阳极氧化，制备出多孔阳极氧化膜。

(2)离心工艺

将经过步骤(1)处理的铝合金，浸泡在质量浓度为60％的ptfe溶液中，80℃下热浸20min，施加离心力，转速8000r/min，时间20min，将微粒抛甩入膜孔中及表面上，获得致密的复合膜。

(3)后续热处理

将经过步骤(2)处理的铝合金再经380℃下热处理30min，最终得到al2o3/ptfe复合自润滑膜。

采用多点测量取平均值，测量实施例1中al2o3/ptfe复合膜的显微硬度，所测得平均硬度值为512hv，说明离心法能够保持氧化铝膜的高硬度。

测量实施例1中离心法制备的复合膜和静态浸泡法制备的复合膜的摩擦系数-时间曲线如图1所示，离心法制备的复合膜摩擦系数平均值降低至0.14，比静态浸泡法制备的复合膜摩擦系数平均值降低约30％，即离心工艺有效降低了复合膜的摩擦系数，提高了自润滑性能。

由此得出：离心法制备的al2o3/ptfe复合膜，能够在保持阳极氧化膜高硬度的基础上，同时也兼具良好的自润滑性能。

实施例2

一种al2o3/ptfe复合自润滑膜的制备方法，具体步骤如下：

步骤(1)、步骤(3)与实施例1的步骤(1)、步骤(3)相同。

(2)离心工艺

将经过步骤(1)处理的铝合金，浸泡在质量浓度为50％的ptfe溶液中，70℃下热浸30min，施加离心力，转速7000r/min，时间30min，将微粒抛甩入膜孔中及表面上，获得致密的复合膜。

该实施例中，经前述处理所得的al2o3/ptfe复合膜硬度值为494hv，摩擦系数平均值为0.16。其摩擦系数-时间曲线见图2。