鋁合金表面納米自潤滑復合材料的研究.pdf

1、鋁合金由于具有比強度高、導熱和導電性好、比重小等優(yōu)點,在現(xiàn)代工業(yè)中應用廣泛。然而鋁合金的致命弱點是質(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一步應用。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)構賦予了其獨特的功能,如在多孔層中填充潤滑性物質(zhì)形成表面復合材料,可在保持鋁陽極氧化膜原有特性的基礎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合材料制備方法對于推廣其在工業(yè)上的應用將有重大的實際意義。 本文采用陽極氧化法,通過控制氧化膜的微孔結(jié)構,在鋁合金上生成了一層表面復合材料大孔徑、厚模板,探索了表面復合材料模板的制備體系,對模板厚度、硬度、微觀形態(tài)進行了研究及優(yōu)化,并提出了一種新的自潤滑處理技術,制備出了鋁合金表面納米自潤滑復合材料,研究了鋁合

3、金表面自潤滑復合材料的摩擦學性能。 鋁合金表面納米自潤滑復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)陽極氧化技術無法實現(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,提高模板的孔徑；二是以大孔徑

4、氧化體系為基礎,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)擴孔處理后孔徑為40nm左右,進一步擴孔將會破壞模板結(jié)構。 在以磷酸為主的電解液中進行陽極氧化,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合材料的要求。

5、 本文研究表明,磷酸電解液中有機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較大。有機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反應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上大大提高其厚度及硬度。 對表面復合材料模板的研究表明,氧化鋁模板的微觀形態(tài)及厚度、硬度主要取決于預處理條件、氧化電壓、溫度及時間。氧化前采用退火及電解拋光預處理工藝、控制氧化電壓在1

6、30V～150V,氧化溫度0-15℃,適當延長氧化時間(>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合材料。實驗表明采用該法制備的復合材料能顯著提高鋁合金表面的摩擦學性能。與硬質(zhì)陽極氧化膜及熱浸涂覆法制備的自潤滑復合材料相比,表面納米自潤滑復合材料的摩擦系數(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合材料的減磨、耐磨性能最好。 在自潤滑復合材料制備過程中,浸漬時間及熱處理工藝對表面復合材料的結(jié)構及性能影響較大,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合材料的摩擦學性能研究表明,表面納米自潤滑復合材料的減磨耐磨機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作用,其磨損機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