一種低摩擦系數復合潤滑膜的結構與性能研究

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）

一種低摩擦系數復合潤滑膜的結構與性能研究

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的復合潤滑膜。研究了復合潤滑膜的結構與性能對摩擦系數的影響。結果表明,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,并且顯著降低復合潤滑膜的摩擦系數。微弧氧化層的硬度與載荷大小是影響摩擦系數的主要因素,摩擦系數穩定在0.05～0.08,復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

超硬鋁合金由于其輕質高強的特點,已經廣泛用于航空航天結構類部件。其中,在尾翼延展機構和滑動部件中,對于工作條件為一次性或微動摩擦,磨損量小且無儲油空間的摩擦部位,干摩擦系數將是影響部件工作指令順利完成的關鍵。目前,改善鋁合金干摩擦性能的研究包括:復合固體潤滑材料、鋁合金表面硬化處理和鋁基自潤滑材料等三類[1～6]。從復合固體潤滑材料的研究與應用成果看,一些低摩擦系數的固體潤滑材料已成功開發并使用,如采用微弧氧化(MAO）技術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構,沉積聚四氟乙烯(PTFE）或噴涂含 MoS2的潤滑介質等[7～11]。但是,在鋁合金復合潤滑膜的實際應用中,由于對復合膜層的結構、工藝參數和性能等系統研究不足[12],固體潤滑材料的優勢未能充分發揮,使得絕大多數復合潤滑膜的干摩擦系數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,以求獲得摩擦系數低于0.1而且穩定的干摩擦性能,為拓展固體潤滑材料的應用提供技術依據。

1 實驗材料及方法

實驗材料中,基材選用LC4鋁合金(化學成分見表1）,潤滑材料選用BJ-A型MoS2基固體潤滑劑。

表1 LC4鋁合金化學成分(質量分數/%）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基固體潤滑層構成的復合潤滑膜的圓盤試樣,復合潤滑膜結構如圖1。

圖1 復合潤滑膜的斷面結構示意圖Fig.1 Sketch of section structure of the duplex lubricating films on LC4 aluminium alloy

摩擦磨損試驗設備是SRV球-盤式摩擦磨損試驗機,在大氣環境下采用往復式滑動摩擦方式,測定不同工藝條件的復合潤滑膜的摩擦系數。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。試驗載荷分別為40N,100N,300 N,400N,500N,600N和800 N。往復滑動頻率是50Hz,沖程為1mm,摩擦時間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;使用常規萬能力學試驗機測試經過微弧氧化與涂覆處理后鋁合金的拉伸性能,試樣為 φ 5mm的標準拉伸試樣;使用HXS-1000AK型維式硬度計測試膜層硬度,載荷為200g。

2 實驗結果與分析

2.1 微弧氧化膜的結構與性能

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,還有大量的細小顆粒。這是因為微弧放電區瞬間溫度高達7000K,使氧化膜表面出現微區熔化。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后的表面構成物質復雜而且疏松(圖中白亮色物質）,其硬度較低需要去除。圖2b和c是表面經不同標號砂紙打磨后的致密層表面形貌,經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 復合潤滑膜的結構與性能

圖4是復合潤滑膜的斷面結構形貌與過渡區成分分布。打磨后的微弧氧化膜表面呈凹凸狀,使潤滑膜與其呈嵌合態結合(圖4a）,提高了潤滑層的表面附著力。依據HB7056.3標準檢測,膜層未露出金屬基體,即兩種試樣的潤滑膜附著力均達到國家標準(相當于GB/T9286—1998標準的1級）。另外,經能譜分析,在微弧氧化膜與基材結合界面區,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 復合潤滑膜的摩擦系數與影響因素分析

2.3.1 表面硬度對摩擦系數的影響

表面硬度是影響摩擦副摩擦系數的重要因素之一,鋁合金經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,進而提高表面硬度,對摩擦性能將產生較大影響。圖5是MAO氧化膜表面分別經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曲線。

圖5表明,疏松層對摩擦系數影響非常大。其原因是,當表面微弧氧化膜含有大量的疏松Al2O3時,在長時間摩擦或載荷較大時,疏松層容易被磨削成為碎料,混在潤滑介質中,阻礙了MoS2沿(001）面滑動,產生了如同磨料的作用,使復合潤滑膜很快失效,摩擦系數快速升高,如圖中240#水磨砂紙打磨后的40N和100N的摩擦系數曲線。當表面打磨后,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處理,在局部會產生瞬時高溫,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對鋁合金基材性能產生影響。表3是經過MAO和涂覆固體潤滑膜后的拉伸性能。被磨削掉的Al2O3少,使得復合潤滑層的摩擦系數明顯降低,而且壽命延長。

2.3.2 載荷的影響

隨著載荷的提高,復合潤滑膜的摩擦系數明顯降低,在600N的穩定態時可以達到0.05(圖6）。這是因為,在致密層的硬度和強度保障條件下,MoS2基固體潤滑劑的性能得到了充分發揮。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,二硫化鉬晶體摩擦時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）,此時摩擦系數將下降[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先升高再降低(即跑合）的原因。

結果表明,強度有輕微降低,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生長兩部分[10],當生長時間在120min以內時,內外的生長速率相近,即拉伸試樣表面被氧化侵蝕,所以拉伸性能出現變化。因此,在實際使用過程中,可以預留微弧氧化余量。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,顯著降低了固體復合潤滑膜的摩擦系數,干摩擦系數穩定范圍是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合潤滑膜摩擦系數的主要因素。

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

[1]袁洋,羅狀子,田軍.鋁合金表面微弧氧化耐磨潤滑涂層[J].材料保護,2002,35(5）:4～6.

[2]YEROKHIN A L,VOEVODIN A A,LYUBIMOV V V,et al.Plasma electrolytic fabrication of oxide ceramic surface layers for tribo technical purposes on aluminium alloys[J].Surf Coat Technol,1998,110:140-146.

[3]RAMA KRISHNA L,SOMARAJU K R C,SUNDARARAJAN G.The tribological performance of ultra-hard ceramic composite coatings obtained through microarc oxidation[J].Surf Coat Technol,2003,163～164:484-490.

[4]辛世剛,宋力聽,趙榮根,等.鋁基復合材料微弧氧化陶瓷膜的組成與性能[J].無機材料學報,2006,21(1）:223-228.

[5]XUEW,WANG C,TIANH,et al.Corrosion behaviors and galvanic studies of micro arc oxidation films on Al-Zn-Mg-Cu alloy[J].Surf Coat Technol,2007,201:8695-8701.

[6]熊仁章,盛磊,郭洪光.鋁合金微弧氧化陶瓷層的耐磨性能[J].兵器材料科學與工程,2000,23(3）:23-26.

[7]薛群基,陳建敏.鋁質材料的摩擦學表面改性[J].表面工程,1997,35(2）:7-13.

[8]郭清兵,袁海兵,李翠金,等.自潤滑型鋁合金硬質陽極氧化膜的摩擦磨損性能[J].表面技術,2010,39(2）:21-23.

[9]沈德久,王玉林,盧立紅,等.鋁合金表面微弧氧化自潤滑陶瓷覆層[J].材料保護,2000,33(5）:51-52.

[10]薛文斌,華銘,杜建成,等.LC4超硬鋁微弧氧化膜的生長及表征[J].航空材料學報,2008,28(2）:34-38.

[11]沈潔,陳潤齋,朱昌琳.固體膜潤滑劑在飛船機構中的應用研究[J].航空材料學報,2006,26(3）:192-195.

[12]SIMMONDS M C,SAVAN A,PFLü GER E,et al.Mechanical and tribological performance of MoS2co-sputtered composites[J].Surf Coat Technol,2000,126:15-24.

[13]林春元.二硫化鉬的潤滑機理[J].中國鉬業,1993,45(2）:40-45.

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。