一种耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法
【专利摘要】本发明提供的是一种耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法。在0.2～0.4mol/L的草酸电解液或磷酸电解液中进行阳极氧化处理，在铝合金基材的表面形成阳极氧化铝膜；在阳极氧化处理结束后，在电解液中添加(NH4)2SiF6进行阻挡层改性，即保持氧化电流强度不变继续氧化，然后使用阶梯降压法，对阻挡层进行减薄和降低其电阻；在硫酸铜溶液中添加pH缓冲剂、pH调节剂和石墨溶胶，在直流电的作用下，在氧化铝膜的孔洞中进行润滑材料的沉积。本发明工艺操作简便、适用范围广，制备出的复合氧化铝膜能够在保留有氧化铝膜高硬度和耐磨性的同时，又具备了较低的摩擦系数和较长的磨损寿命。
【专利说明】
一种耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及的是一种铝合金材料的表面处理方法，具体地说是一种铝合金表面耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]铝合金作为在航空航天、交通运输、轻工建材和电子通讯等领域被广泛使用的材料，具有轻质、导电导热性强、易于回收等特点。但是铝合金硬度较低，在作为机械运动元件时，往往会产生剧烈的磨损，为使铝材表面获得较好的摩擦学性能，在工业中除了使用油润滑形式外，常使用表面固体润滑技术对其进行表面处理。例如在汽车发动机行业，铝制发动机需要考虑活塞与气缸的摩擦问题，其表面处理方式主要有镀铬、镀锡、激光处理、等离子喷涂、气相沉积、表面石墨化处理等。其中镀锡和表面石墨化能够显著降低活塞裙部在启动初期的摩擦系数和磨损率。在一些特殊设备中，如食品加工设备、航天设备、微机电设备和仿生设备，在不能使用润滑油等润滑介质的条件下，也会在铝材表面涂覆固体润滑剂，使铝材获得一定的自润滑属性。例如，卫星的铝制拉杆天线上使用Au-Cu-N1-M0S2复合镀层来降低摩擦系数，以及防止真空中的铝材出现冷焊现象。
[0003]其中阳极氧化是最为传统而有效的铝合金表面改性方法，对铝合金表面进行阳极氧化处理，形成的阳极氧化铝膜，能够使铝合金具备更高的表面硬度和良好的耐磨性，但是阳极氧化铝膜是脆性的陶瓷膜，其摩擦系数也很高，会对铝合金的应用范围产生限制。
[0004]阳极氧化铝膜具备纳米级别的多孔结构，目前对阳极氧化铝膜进行摩擦学性能改性研究的学者大多以此为突破口，借助于化学、物理、或电化学的方法，在多孔质阳极氧化铝微孔中沉积润滑性材料，涉及到的方法包括PVD、CVD、三束改性和热喷涂等，涉及到的材料包括纳米石墨、PTFE和MoS2等。
[0005]对铝合金表面的阳极氧化铝膜进行二次复合处理，既可保持阳极氧化膜的高硬度和耐磨性，又可以在改变表面化学状态以及引入润滑性物质后又赋予材料的润滑性，能够显著的减少磨粒磨损和粘着磨损并降低摩擦系数。这种处理方法于1982年由日本石禾和夫提出，他提出将已生成硬质阳极氧化膜的铝工件置入硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)水溶液中进行第二次电解处理，其原理类似于铝阳极氧化膜的电解着色，不过其沉积对象为非离子态物质，最终获得MoS2在氧化铝膜孔中从下向上生长形成的复合结构。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种能够降低铝合金表面摩擦系数的耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法。
[0007]本发明的目的是这样实现的:
[0008](I)阳极氧化铝膜的制备
[0009]首先，对铝合金基材的表面进行清洗除污、碱洗去除氧化层和化学抛光，然后在0.2?0.4mol/L的草酸电解液或磷酸电解液中进行阳极氧化处理，在铝合金基材的表面形成阳极氧化铝膜；
[0010](2)阻挡层的改性处理
[0011]在阳极氧化处理结束后，在电解液中添加(NH4)2SiF6进行阻挡层改性，即保持氧化电流强度不变继续氧化，然后使用阶梯降压法，对阻挡层进行减薄和降低其电阻；
[0012](3)电沉积润滑材料
[0013]在硫酸铜溶液中添加pH缓冲剂3-10g/L、pH调节剂0-10g/L和0.05-2g/L石墨，石墨以石墨溶胶的形式加入。使用直流电沉积的方法，在氧化铝膜的孔洞中进行润滑材料的沉积。
[0014]本发明使用软金属类润滑剂铜纳米线和纳米石墨作为复合材料，其中铜这类软金属具有面心立方晶格，它的晶格都具有各向同性，从晶体没有方向性这一性质来看，软金属之所以具有固体润滑作用，主要是由于它的剪切强度低，且软金属的纯度越高，其剪切强度越低，越容易在软金属内部产生滑移，因而它具有自行修补性，以及具有与高粘度流体相似的润滑行为。另外石墨材料因其原子间的层状结构也具备十分出色的润滑效果，纳米尺寸的石墨能够与铜纳米线共同沉积进入氧化铝膜的孔洞中形成复合氧化铝膜，并赋予其更好的润滑效果。
[0015]传统的润滑性复合阳极氧化铝膜的制备是使用化学沉积、喷涂、气相沉积等方法，将PTFE、MoS2、纳米结构的碳等润滑性材料复合进入氧化铝膜的孔洞中。与这些操作方法不同的是，本发明对阳极氧化铝膜进行阻挡层改性处理，使之满足直流电沉积的要求;然后使用直流电沉积的方法，在氧化铝膜的孔洞中沉积进铜纳米线和纳米石墨。以此方法能够制备出以阳极氧化铝膜为主体，氧化铝膜孔中沉积有润滑材料的复合氧化铝膜，其中，润滑材料能够在摩擦过程中，在表面形成润滑滑移层，以降低其摩擦系数。本发明的镀层为铝合金表面覆盖一层含有多孔阳极氧化铝以及氧化铝膜孔内部含有铜纳米线和纳米石墨的的复合镀层。本发明工艺操作简便、适用范围广，制备出的复合氧化铝膜能够在保留有氧化铝膜高硬度和耐磨性的同时，又具备了较低的摩擦系数和较长的磨损寿命。
【附图说明】
[0016]图1为复合氧化铝膜的截面在扫面电镜下的图片。
[0017]图2为铜纳米线-纳米石墨复合氧化铝膜的EDS能谱图。
【具体实施方式】
[0018]下面举例对本发明做详细说明。
[0019]首先使用乙醇与丙酮的混合溶液，在超声波的条件下对铝合金表面进行除油处理，使用蒸馏水冲洗干净。然后在6的％的似0!1溶液中浸泡以除去其表面氧化层，温度为室温状态下，结束后使用蒸馏水冲洗。最后在磷酸、硫酸和硝酸的混合溶液中浸泡进行化学抛光处理，结束后使用蒸馏水冲洗。
[0020]然后，使用0.3mol/L的草酸溶液，对铝合金表面进行恒流模式下的阳极氧化，电流密度范围为0.01A/cm2，氧化电压稳定在85V左右。
[0021]在氧化结束后，在电解液中添加氟硅酸铵，添加后保持氧化电流强度不变继续氧化1min左右，然后使用阶梯降压法，控制电压值，使其逐步降低，每次降电压幅度为当前电压值的10%左右，待其电流值回复平稳后，进行下一步降压，最后降压至电压值为3V。
[0022]在含硫酸铜20g/L、硼酸5g/L、0.05g/L石墨的混合溶液中，在3V电压的条件下，进行孔中复合润滑材料的沉积，沉积结束后使用1000目的砂纸进行打磨。
[0023]使用扫描电镜对复合氧化铝膜的截面进行表面形貌分析，从图1中可以看出，氧化铝膜的孔洞中，有大量纳米线沉积，填充紧密均匀。图2为复合镀层的EDS能谱图，可知镀层中各元素的质量的分数分别为铜36.01%，铝17.63%，氧19.97，石墨3.98%。用销盘式摩擦磨损试验机测试复合镀层的摩擦系数，在10g载荷下，镀层破损前摩擦系数稳定在0.15?0.2之间，可以得到其摩擦系数较低的结论。
[0024]以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，本发明的实施方式并不局限于上述说明。只要是围绕本发明的核心内容，在其基础之上进行一些简单的修改或替换都应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法，其特征是: (1)阳极氧化铝膜的制备 在0.2?0.4moI/L的草酸电解液或磷酸电解液中进行阳极氧化处理，在铝合金基材的表面形成阳极氧化铝膜； (2)阻挡层的改性处理 在阳极氧化处理结束后，在电解液中添加(NH4)2SiF6进行阻挡层改性，即保持氧化电流强度不变继续氧化，然后使用阶梯降压法，对阻挡层进行减薄和降低其电阻； (3)电沉积润滑材料 在硫酸铜溶液中添加PH缓冲剂、pH调节剂和石墨溶胶，使用直流电沉积的方法，在氧化铝膜的孔洞中进行润滑材料的沉积。2.根据权利要求1所述的耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法，其特征是所述保持氧化电流强度不变继续氧化的氧化时间为8?I Omin。3.根据权利要求1或2所述的耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法，其特征是所述阶梯降压法具体包括:控制电压值使其逐步降低，每次降低电压值至电流强度到0.005?0.02A，待电流值回复平稳后，进行下一步降压，最后降压至电压值为3V。4.根据权利要求1或2所述的耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法，其特征是:在硫酸铜溶液中添加pH缓冲剂3-10g/L、pH调节剂0-10g/L和0.05-2g/L石墨，石墨以石墨溶胶的形式加入。5.根据权利要求3所述的耐磨减摩复合氧化铝膜的制备方法，其特征是:在硫酸铜溶液中添加pH缓冲剂3-10g/L、pH调节剂0-10g/L和0.05-2g/L石墨，石墨以石墨溶胶的形式加入。
【文档编号】C25D11/20GK105862104SQ201610388341
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】应丽霞, 石洪瑞, 朱腾飞, 张春杰, 王晓慧
【申请人】哈尔滨工程大学