本發(fā)明涉及鋁合金的表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自潤滑陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝。

背景技術(shù)：

在內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)制造中，確保缸套-活塞組件的可靠性和耐久性至關(guān)重要。在缸套-活塞組件中，活塞受高溫高壓燃?xì)獾臒釕?yīng)力、機(jī)械沖刷、高溫腐蝕及與缸套、活塞環(huán)間的摩擦磨損等因素的作用，其可靠性與發(fā)動機(jī)的壽命和運(yùn)行成本息息相關(guān)。高硅鑄造鋁合金常用于制備鋁合金活塞。然而，高硅鋁合金具有表面硬度低，耐磨和耐腐蝕性能較差的特點(diǎn)。所以，常采用表面強(qiáng)化方法提高活塞的可靠性來降低發(fā)動機(jī)的故障率。

復(fù)合涂層可通過不同工藝獲得優(yōu)異的機(jī)械、化學(xué)、耐磨損以及耐腐蝕性能，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件的表面強(qiáng)化和再制造。向復(fù)合涂層中加入微納米粒子，如石墨、碳化硅、Al₂O₃、Si₃N₄等，可以顯著降低摩擦系數(shù)和磨損率。然而，傳統(tǒng)的電泳沉積、電鍍、噴涂等方法得到的復(fù)合涂層與基體的結(jié)合方式一般是外延生長、化學(xué)鍵結(jié)合、分子鍵和機(jī)械結(jié)合等，這些結(jié)合方式的結(jié)合強(qiáng)度較低，很難獨(dú)立滿足活塞高溫高壓、應(yīng)力復(fù)雜惡劣的工作條件要求。

微弧氧化是包含電化學(xué)、等離子體化學(xué)等過程的一種表面處理技術(shù)。微弧氧化技術(shù)可在鋁、鎂鈦等閥金屬表面得到多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷層。該陶瓷層與基體的結(jié)合方式是金屬鍵結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高。前期研究中已經(jīng)證實(shí)，微弧氧化陶瓷層具有優(yōu)異的耐磨性能，截面平均顯微硬度在1200HV以上，并且從內(nèi)部的致密層到外部的疏松層存在明顯的硬度梯度(1200HV～600HV)。然而，缸套表面硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陶瓷層中致密層的硬度。盡管利用微弧氧化技術(shù)，我們可以提高由高硅鋁合金制備的活塞裙部表面的耐磨性能，但是必須采取相應(yīng)的表面強(qiáng)化措施來提高缸套表面的耐磨性能，以使缸套-活塞組件配合良好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對以上問題的提出，而研究設(shè)計(jì)一種自潤滑陶瓷基復(fù)合材料的制 備工藝。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種自潤滑陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝，包括微弧氧化陶瓷層工藝和電泳沉積涂層工藝；

微弧氧化電解液的組分及濃度為：Na₂SiO₃為4g/l，Na₂WO₃為4g/l，KOH為2g/l，以及EDTA-2Na為2g/l，微弧氧化電解液溶劑為去離子水；

微弧氧化的電參數(shù)為：正向電壓420v、負(fù)向電壓120v、電源頻率1500Hz、正向占空比60％；

電泳沉積電解液的組分為：10％固體分的丙烯酸陽極電泳漆、粒徑為40nm的MoS₂的納米粒子、聚乙二醇，所述MoS₂的納米粒子的濃度為10g/l，電泳沉積電解液溶劑為去離子水，所述聚乙二醇與MoS₂的重量比為1:2；

電泳沉積的電參數(shù)為：正向電壓360v、負(fù)向電壓0v、電源頻率20Hz、正向占空比5％。

進(jìn)一步地，所述微弧氧化電解液的溫度為30℃。

進(jìn)一步地，所述電泳沉積電解液的溫度為25℃。

進(jìn)一步地，電泳沉積時間為1min，電泳沉積的電極工作距離為5cm。

與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明所述的自潤滑陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝采用先微弧氧化陶瓷層在電泳沉積涂層的工藝，微弧氧化陶瓷層的多孔結(jié)構(gòu)則會顯著提高陶瓷基復(fù)合材料間的結(jié)合強(qiáng)度，并在摩擦磨損過程中一方面發(fā)揮減磨的作用，另一方面起到儲存固體潤滑劑的作用，進(jìn)而提高陶瓷基復(fù)合材料的使用壽命和工作效果，而且本發(fā)明對MoS₂在電解液中的濃度和分散性、電泳沉積工作電壓、電泳沉積時間以及電極間工作距離等參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化，以提高固體潤滑劑MoS₂在陶瓷基復(fù)合材料中的濃度，確保陶瓷基復(fù)合材料良好的結(jié)合狀態(tài)，制得具有減磨、自潤滑性能的陶瓷基復(fù)合材料。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的制備工藝流程圖。其中，圖1a為ZL109鋁合金基體的截面形貌圖，圖1b為ZL109鋁合金表面微弧氧化后的截面形貌圖，圖1c為ZL109鋁合金表面陶瓷基復(fù)合材料的截面形貌圖，圖中：1、ZL109鋁合金，2、微弧氧化陶瓷層，3、電泳沉積涂層，A處為MoS₂。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述的微弧氧化陶瓷層的表面形貌圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例所述的陶瓷基復(fù)合材料的表面形貌圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例所述的陶瓷基復(fù)合材料的表面局部形貌圖。

圖5是圖4的B處表面能譜分析結(jié)果圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例所述的微弧氧化陶瓷層和陶瓷基復(fù)合材料的表面XRD曲線圖；圖中，a為微弧氧化陶瓷層，b為陶瓷基復(fù)合材料。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例所述的陶瓷基復(fù)合材料和ZL109鋁合金基體的摩擦系數(shù)曲線圖；圖中，a為陶瓷基復(fù)合材料，b為ZL109鋁合金基體。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例所述的ZL109鋁合金基體磨損表面形貌圖。

圖9是與ZL109鋁合金基體配合的缸套試樣磨損表面形貌圖。

圖10是本發(fā)明實(shí)施例所述的陶瓷基復(fù)合材料磨損表面形貌圖。

圖11是圖10的C處表面能譜分析結(jié)果圖。

圖12是與陶瓷基復(fù)合材料配合的缸套試樣磨損表面形貌圖。

具體實(shí)施方式

如圖1a至圖1c所示，一種自潤滑陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝，包括微弧氧化陶瓷層工藝和電泳沉積涂層工藝；

微弧氧化電解液的組分及濃度為：Na₂SiO₃為4g/l，Na₂WO₃為4g/l，KOH為2g/l，以及EDTA-2Na為2g/l，微弧氧化電解液溶劑為去離子水，微弧氧化電解液的溫度為30℃，形成微弧氧化陶瓷層；

微弧氧化的電參數(shù)為：正向電壓420v、負(fù)向電壓120v、電源頻率1500Hz、正向占空比60％；

電泳沉積電解液的組分為：10％固體分的丙烯酸陽極電泳漆、粒徑為40nm的MoS₂的納米粒子、聚乙二醇，所述MoS₂的納米粒子的濃度為10g/l，電泳沉積電解液溶劑為去離子水，所述聚乙二醇與MoS₂的重量比為1:2；電泳沉積電解液的溫度為25℃，形成電泳沉積涂層，于微弧氧化陶瓷層共同形成陶瓷基復(fù)合材料；

電泳沉積的電參數(shù)為：正向電壓360v、負(fù)向電壓0v、電源頻率20Hz、正向占空比5％，電泳沉積時間1min、電極工作距離5cm。

在微弧氧化和電泳沉積前，利用去離子水配制電解液，并使用磁力攪拌器攪拌30min(轉(zhuǎn)速150rpm)，隨后超聲振蕩60min，以確保電解液組分均勻分散。經(jīng)微弧氧化15min和電泳沉積1min處理后的試樣放入烘干箱中170℃恒溫烘烤30min，隨后自然冷卻完成陶瓷基復(fù)合材料的制備。如圖1所示，陶瓷層厚度約為10μm，陶瓷基復(fù)合材料的厚度約為20μm。在電場的作用下，電泳沉積優(yōu)先在孔和厚度較薄的陶瓷層區(qū)域形成電泳沉積層，所以在孔和薄層區(qū)域沉積著更 多的被電泳漆包裹著的MoS₂。

利用掃描電鏡(SEM)分析陶瓷基復(fù)合材料表面和截面形貌特征；使用X射線衍射儀(XRD)和X射線能譜儀(EDXS)分析陶瓷基復(fù)合材料的相組成和化學(xué)組成；在干摩擦條件下，利用大連海事大學(xué)自制的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究陶瓷基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

如圖2所示，微弧氧化陶瓷層表面呈現(xiàn)出高低起伏的多孔形貌。由如3至圖5也可見，在電場的作用下，電泳沉積優(yōu)先在孔和厚度較薄的陶瓷層區(qū)域形成電泳沉積層，所以在孔和薄層區(qū)域沉積著更多的被電泳漆包裹著的MoS₂。

如圖6所示，由于微弧氧化陶瓷層膜層較薄，且為多孔結(jié)構(gòu)，所以其主要相組成為Al和γ-Al₂O₃(曲線a)。同時可以看到，陶瓷基復(fù)合材料的XRD曲線中出現(xiàn)了一個顯著的新峰(2θ＝14.331°)(曲線b)。經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)卡片比對，其為MoS₂的典型衍射峰。XRD分析結(jié)果表明MoS₂被引入到陶瓷基復(fù)合材料中，并且進(jìn)一步說明陶瓷基復(fù)合材料的形成屬于機(jī)械組合，沒有生成新的物質(zhì)。

對陶瓷基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能進(jìn)行分析分析，摩擦磨損試驗(yàn)方案如下：

摩擦副：ZL109鋁合金基體與缸套試樣(硼銅鑄鐵、110mm*10mm*2mm)；陶瓷基復(fù)合材料與缸套試樣(同上)；

試驗(yàn)條件：干摩擦；往復(fù)式摩擦磨損，滑動速度1m/s，加載力20N，時間5min。

如圖7所示，ZL109鋁合金基體的平均摩擦系數(shù)初期緩慢降低后穩(wěn)定在0.7左右(曲線b)，且在試驗(yàn)過程中的摩擦系數(shù)波動顯著，試驗(yàn)機(jī)振動劇烈。然而，陶瓷基復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)初期緩慢增加后穩(wěn)定在0.45左右(曲線a)，且磨擦系數(shù)曲線比較平滑，試驗(yàn)機(jī)振動較小。

如圖8和圖9所示，ZL109鋁合金基體及其配套的缸套試樣表面磨損嚴(yán)重，分布著不均勻的劃痕和擦傷痕跡，經(jīng)稱重缸套試樣的平均磨損量接近10mg。如圖10至圖12所示，陶瓷基復(fù)合材料試樣及其配套的缸套磨損表面光滑平整，無明顯劃痕。

MoS₂是重要的固體潤滑劑，特別適用于高溫和高壓條件。MoS₂的層狀晶體結(jié)構(gòu)決定了其容易滑動，從而發(fā)揮減磨的作用。另一方面，Mo原子和S原子之間的離子鍵提高了潤滑膜的穩(wěn)定性，可防止金屬的突出表面刺穿MoS₂潤滑膜。S原子暴露在MoS₂晶體表面，進(jìn)而提高潤滑膜與金屬表面間的附著力。如 圖10所示，在陶瓷基復(fù)合材料磨損表面形成了不均勻的轉(zhuǎn)移膜。在電泳沉積層與陶瓷層間的機(jī)械鑲嵌，電泳沉積層與陶瓷層基體之間的化學(xué)、電化學(xué)作用以及MoS₂自身性質(zhì)特點(diǎn)等因素的共同影響下，轉(zhuǎn)移膜與摩擦表面保持良好的結(jié)合狀態(tài)。此外，陶瓷基復(fù)合材料的磨損表面呈黑色，這是MoS₂分子與涂層表面間擴(kuò)散作用的結(jié)果。另外，在陶瓷基復(fù)合材料磨損表面，可以看到部分微弧氧化陶瓷層裸露出來，暴露出的陶瓷層恰好提高了陶瓷基復(fù)合材料的耐磨性能。經(jīng)稱重缸套試樣的平均磨損量為0.5mg。

因此，陶瓷基復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的減磨和自潤滑性能。在本工作試驗(yàn)條件下，摩擦系數(shù)降低了35％，磨損量降低了95％。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。