閆來成, 譚華玉, 韓歡慶, 羅錫裕

(安泰科技股份有限公司,北京 100081）

一種低摩擦系數(shù)復(fù)合潤滑膜的結(jié)構(gòu)與性能研究

閆來成, 譚華玉, 韓歡慶, 羅錫裕

(安泰科技股份有限公司,北京 100081）

采用微弧氧化和噴涂二硫化鉬基潤滑材料并在150～200℃固化2h左右的工藝,在鋁合金表面制備了低摩擦系數(shù)的復(fù)合潤滑膜。研究了復(fù)合潤滑膜的結(jié)構(gòu)與性能對摩擦系數(shù)的影響。結(jié)果表明,去除微弧氧化膜的表面疏松層獲得以γ-Al2O3為主的致密硬化層,使其表面硬度明顯提高,并且顯著降低復(fù)合潤滑膜的摩擦系數(shù)。微弧氧化層的硬度與載荷大小是影響摩擦系數(shù)的主要因素,摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.05～0.08,復(fù)合潤滑膜制備工藝對基材性能影響較小。

鋁合金;固體潤滑;微弧氧化;二硫化鉬;摩擦系數(shù)

超硬鋁合金由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn),已經(jīng)廣泛用于航空航天結(jié)構(gòu)類部件。其中,在尾翼延展機(jī)構(gòu)和滑動(dòng)部件中,對于工作條件為一次性或微動(dòng)摩擦,磨損量小且無儲油空間的摩擦部位,干摩擦系數(shù)將是影響部件工作指令順利完成的關(guān)鍵。目前,改善鋁合金干摩擦性能的研究包括:復(fù)合固體潤滑材料、鋁合金表面硬化處理和鋁基自潤滑材料等三類[1～6]。從復(fù)合固體潤滑材料的研究與應(yīng)用成果看,一些低摩擦系數(shù)的固體潤滑材料已成功開發(fā)并使用,如采用微弧氧化(MAO）技術(shù)在鋁合金表面一步法合成含MoS2自潤滑相的陶瓷涂層;利用微弧氧化處理后表面具有多孔的陶瓷結(jié)構(gòu),沉積聚四氟乙烯(PTFE）或噴涂含 MoS2的潤滑介質(zhì)等[7～11]。但是,在鋁合金復(fù)合潤滑膜的實(shí)際應(yīng)用中,由于對復(fù)合膜層的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和性能等系統(tǒng)研究不足[12],固體潤滑材料的優(yōu)勢未能充分發(fā)揮,使得絕大多數(shù)復(fù)合潤滑膜的干摩擦系數(shù)雖有降低但仍然大于0.1。因此,本工作擬采用鋁合金微弧氧化和表面處理后涂覆MoS2基固體潤滑材料的工藝,以求獲得摩擦系數(shù)低于0.1而且穩(wěn)定的干摩擦性能,為拓展固體潤滑材料的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料中,基材選用LC4鋁合金(化學(xué)成分見表1）,潤滑材料選用BJ-A型MoS2基固體潤滑劑。

表1 LC4鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical compositions of LC4 aluminum alloy(mass fraction/%）

鋁合金精車成圓盤試樣,尺寸是 φ 24 mm ×7.88 mm,用40 kW交流脈沖微弧氧化設(shè)備在硅酸鈉溶液中微弧氧化生成50 μ m厚的以Al2O3為主的微弧氧化膜層,交流正脈沖電壓為500～650V,負(fù)脈沖電壓為130～180V,電流密度為15～35A/dm2,溶液溫度15～35℃。用水砂紙將氧化膜的疏松外層磨掉后形成以 γ-Al2O3為主的致密層,在致密層表面壓力噴涂MoS2基潤滑劑,涂層厚度為5～15μ m,然后在150～200℃溫度下固化2h,制得由微弧氧化致密層和MoS2基固體潤滑層構(gòu)成的復(fù)合潤滑膜的圓盤試樣,復(fù)合潤滑膜結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 復(fù)合潤滑膜的斷面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of section structure of the duplex lubricating films on LC4 aluminium alloy

摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備是SRV球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),在大氣環(huán)境下采用往復(fù)式滑動(dòng)摩擦方式,測定不同工藝條件的復(fù)合潤滑膜的摩擦系數(shù)。摩擦副中球的基材是GCr15,球徑為10 mm。用上述噴涂工藝涂覆MoS2基固體潤滑材料5～15μ m;摩擦副中盤是用上述工藝制得的圓盤試樣。試驗(yàn)載荷分別為40N,100N,300 N,400N,500N,600N和800 N。往復(fù)滑動(dòng)頻率是50Hz,沖程為1mm,摩擦?xí)r間1～4min。

使用JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡(SEM）,觀察膜層表面和斷面形貌,分析膜層成分;使用XRD確定微弧氧化致密層中的相組成;使用常規(guī)萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測試經(jīng)過微弧氧化與涂覆處理后鋁合金的拉伸性能,試樣為 φ 5mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣;使用HXS-1000AK型維式硬度計(jì)測試膜層硬度,載荷為200g。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微弧氧化膜的結(jié)構(gòu)與性能

圖2a是微弧氧化膜的原始形貌,膜表面除熔化后連在一起的直徑幾十微米大顆粒外,還有大量的細(xì)小顆粒。這是因?yàn)槲⒒》烹妳^(qū)瞬間溫度高達(dá)7000K,使氧化膜表面出現(xiàn)微區(qū)熔化。一些熔化物噴出后沉積在膜表面,在同一部位多次放電噴出物堆積形成一個(gè)大顆粒。另外,膜表面還有一些疏松的來自電解液的沉積物。由于MAO后的表面構(gòu)成物質(zhì)復(fù)雜而且疏松(圖中白亮色物質(zhì)）,其硬度較低需要去除。圖2b和c是表面經(jīng)不同標(biāo)號砂紙打磨后的致密層表面形貌,經(jīng)XRD分析表面致密層主要包括 γ-Al2O3,ε-Al2O3和少量的 α-Al2O3(圖3）。由于去除了表面疏松層,表面致密度不斷提高,表面硬度也隨之提高(表2）。

2.2 復(fù)合潤滑膜的結(jié)構(gòu)與性能

圖4是復(fù)合潤滑膜的斷面結(jié)構(gòu)形貌與過渡區(qū)成分分布。打磨后的微弧氧化膜表面呈凹凸?fàn)?使?jié)櫥づc其呈嵌合態(tài)結(jié)合(圖4a）,提高了潤滑層的表面附著力。依據(jù)HB7056.3標(biāo)準(zhǔn)檢測,膜層未露出金屬基體,即兩種試樣的潤滑膜附著力均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)(相當(dāng)于GB/T9286—1998標(biāo)準(zhǔn)的1級）。另外,經(jīng)能譜分析,在微弧氧化膜與基材結(jié)合界面區(qū),鋁和氧呈均勻過渡分布(圖4b）,這表明微弧氧化膜與基體呈冶金結(jié)合。Note:Test temperature was 21℃;relative humidity was 55%;polished with sandpaper;load was 200g。

圖2 微弧氧化后的氧化膜表面及打磨處理后的致密層表面Fig.2 Morphology of film on LC4 aluminium alloy after MAO and polished

表2 LC4鋁合金微弧氧化膜打磨后的顯微硬度Table 2 Microhardness of polished MAO films on LC4 aluminum alloy

2.3 復(fù)合潤滑膜的摩擦系數(shù)與影響因素分析

2.3.1 表面硬度對摩擦系數(shù)的影響

表面硬度是影響摩擦副摩擦系數(shù)的重要因素之一,鋁合金經(jīng)過微弧氧化處理后其硬度主要受致密層的相組成和致密度的影響。相組成中的 α-Al2O3硬度高而且致密(即剛玉）[10],其含量由基材成分決定。微弧氧化膜表面打磨后可以顯著提高其致密度,進(jìn)而提高表面硬度,對摩擦性能將產(chǎn)生較大影響。圖5是MAO氧化膜表面分別經(jīng)240#和600#水磨砂紙打磨去除疏松層后,在40N和100N載荷條件的獲得的摩擦系數(shù)曲線。

圖5表明,疏松層對摩擦系數(shù)影響非常大。其原因是,當(dāng)表面微弧氧化膜含有大量的疏松Al2O3時(shí),在長時(shí)間摩擦或載荷較大時(shí),疏松層容易被磨削成為碎料,混在潤滑介質(zhì)中,阻礙了MoS2沿(001）面滑動(dòng),產(chǎn)生了如同磨料的作用,使復(fù)合潤滑膜很快失效,摩擦系數(shù)快速升高,如圖中240#水磨砂紙打磨后的40N和100N的摩擦系數(shù)曲線。當(dāng)表面打磨后,隨著表面致密度提高,摩擦過程中的致密層表面

圖3 微弧氧化膜表面打磨后的XRD衍射圖Fig.3 XRD patterns of polished MAO films on LC4 aluminium alloy

2.4 鋁合金基材性能分析

微弧氧化屬于電化學(xué)處理,在局部會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫,而且涂覆MoS2基固體潤滑層需要在150℃固化。因此,上述處理工藝可能會(huì)對鋁合金基材性能產(chǎn)生影響。表3是經(jīng)過MAO和涂覆固體潤滑膜后的拉伸性能。被磨削掉的Al2O3少,使得復(fù)合潤滑層的摩擦系數(shù)明顯降低,而且壽命延長。

2.3.2 載荷的影響

隨著載荷的提高,復(fù)合潤滑膜的摩擦系數(shù)明顯降低,在600N的穩(wěn)定態(tài)時(shí)可以達(dá)到0.05(圖6）。這是因?yàn)?在致密層的硬度和強(qiáng)度保障條件下,MoS2基固體潤滑劑的性能得到了充分發(fā)揮。二硫化鉬在外力作用下粉碎形成7種不同的破裂面,由于二硫化鉬顯著的力學(xué)各向異性與滑移面間的分子鍵特性,使它在外力作用下極易沿(001）面滑移。另外,在滑移過程中,二硫化鉬晶體摩擦?xí)r受切向推力作用而彎曲,并趨于受力一致的方向(即形成取向排列）,此時(shí)摩擦系數(shù)將下降[13]。而且隨著載荷加大、速率加快等都能加大二硫化鉬晶體的取向,使摩擦系數(shù)下降。這也是圖5中600 砂紙打磨的試樣在摩擦初期摩擦系數(shù)先升高再降低(即跑合）的原因。

結(jié)果表明,強(qiáng)度有輕微降低,塑性有所增加。其原因是,微弧氧化膜的生長包括相對于基體原始表面向外生長和向基體內(nèi)生長兩部分[10],當(dāng)生長時(shí)間在120min以內(nèi)時(shí),內(nèi)外的生長速率相近,即拉伸試樣表面被氧化侵蝕,所以拉伸性能出現(xiàn)變化。因此,在實(shí)際使用過程中,可以預(yù)留微弧氧化余量。另外,由于涂層固化溫度低于鋁合金基材的熱處理溫度,對基體性能基本無影響。

表3 LC4鋁合金經(jīng)微弧氧化和涂覆處理后的拉伸性能Table 3 Tensile properties of LC4 aluminum alloy treated by microarc oxidation and coating

3 結(jié)論

(1）通過打磨處理微弧氧化表面提高其表面硬度,顯著降低了固體復(fù)合潤滑膜的摩擦系數(shù),干摩擦系數(shù)穩(wěn)定范圍是0.05～0.08。

(2）微弧氧化膜的表面硬度(表面致密度和 α-Al2O3的含量）和載荷大小是影響固體復(fù)合潤滑膜摩擦系數(shù)的主要因素。

(3）采用的微弧氧化和涂覆MoS2基干膜潤滑層工藝,對鋁合金基材機(jī)械性能損傷小。

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Study on Property and Structure of Duplex Lubricating Film with Lower Friction Coefficient

YAN Lai-cheng, TAN Hua-yu, HAN Huan-qing, LUO Xi-yu
(Advanced Technology＆Materials Co,Ltd.,Beijing 100081,China）

Duplex lubricating films with lower friction coefficient were prepared on aluminum alloy by micro arc oxidation(MAO）and spraying MoS2-based lubricant material which was solidified about two hours at 150～200℃.The effect of structure and properties on the friction coefficients were studied.The results illustrate that the compact zone mainly containing γ-Al2O3was obtained by removing the surface loose zone of MAO film,its surface hardness was improved obviously and the friction coefficient of duplex lubricating film was decreased significantly.The surface hardness of compact zone and loading were main factors to the friction coefficients which were in the range of0.05～0.08 steadily,and the processing of duplex lubricating film has a little effect to tensile properties of the base aluminum alloy.

aluminium alloy;solid lubricant;micro arc oxidation;molybdenum disulfide;friction coefficient

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.5.011

TB333

A

1005-5053(2011）05-0058-04

2011-03-08;

2011-07-25

閆來成(1965—）,男,博士,高級工程師,主要從事表面改性、粉末冶金等方面工作,(E-mail）yanlaicheng@atmcn.com。