鎂合金微弧氧化層表面的固體潤滑涂層制備及性能研究

尹雅楠，李冰濤，馬少雄，王少雄，梁 兵

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

鎂合金是工程應用中最輕的金屬材料，不僅密度低、比強度高、電磁屏蔽性和減震性好，而且具有優良的切削加工性能和拋光性能[1]，是有效解決航天器輕量化需求的輕質高強度結構的材料，必將廣泛應用于航天零部件[2]。

目前在鎂合金表面防護方面，采用微弧氧化技術可以實現鎂合金表面的微弧氧化陶瓷涂層制備，涂層厚度均勻，成分可控，耐磨性、硬度和耐蝕性等顯著提高。

鎂合金構件表面的微弧氧化層在與其他構件對接裝配時，配合面會受到擠壓和摩擦，導致微弧氧化層被構件磨損裸露出鎂合金基體，此時的鎂合金基體會發生化學腐蝕，如果與異種材料（如不銹鋼、鋁合金或鈦合金等）接觸還會產生電偶腐蝕，因此，提高鎂合金表面的防護涂層耐磨性能，使其具有較強的抗磨損能力，保證配合面在受到擠壓和摩擦時，微弧氧化層不被破壞，是航天用鎂合金材料需解決的問題之一。

在我國航天型號的低沖擊分離裝置關鍵產品中，為了保證順利分離的特殊要求，在其表面噴涂二硫化鉬固體潤滑涂層作為減摩涂層，以提高零件表面的耐磨性能。基于此，在鎂合金微弧氧化層表面噴涂低摩擦系數、耐磨損的涂層有助于保證鎂合金殼體配合面的防護。

本研究實施前航天型號低沖擊分離裝置產品表面的二硫化鉬減磨涂層厚度為固化溫度為200℃，靜摩擦系數小于0.3，動摩擦系數小于0.11。為了防止鎂合金的過時效傾向，減小涂層固化溫度對鎂合金基體強度和抗蠕變性能的影響，同時進一步提高涂層的減磨性能，設計人員對鎂合金微弧氧化層表面的二硫化鉬減磨涂層提出了新的技術指標，即固化溫度不大于150℃，靜摩擦系數小于0.2，動摩擦系數小于0.1，涂層厚度滿足8μm±3μm。本文介紹的二硫化鉬固體潤滑涂層可滿足上述技術指標。

1 實驗部分

1.1 試塊及原材料

試塊：基材為稀土鎂合金，其表面微弧氧化層厚度約為12μm；固體潤滑劑二硫化鉬；黏結劑：環氧樹脂；添加劑二甲基咪唑、三氧化二銻；稀釋劑環己醇、丙酮。

1.2 主要設備及儀器

噴槍，GP-2，日本扶桑精機有限公司；鼓風干燥箱，LC-233，上海埃斯佩克環境儀器有限公司；高速環塊磨損實驗機，MRH-3，濟南試金集團有限公司；掃描電鏡，S-3700N，日立公司。

1.3 涂層制備

1.3.1 噴涂液配制

稱取二硫化鉬2.5～4g，環氧樹脂2～3.5g，添加劑1～ 1.5g，稀釋劑10～20mL，按一定順序混合并充分攪拌均勻配制成噴涂液。

1.3.2 噴涂

噴槍與試塊距離10cm～12cm，氮氣壓力0.22MPa，均勻噴涂一遍后，自然晾干然后再噴涂第二遍。

1.3.3 固化

100℃±2℃保溫固化1h。

1.4 性能測試

1.4.1 涂層形貌

采用掃描電鏡觀察鎂合金表面微弧氧化陶瓷層、二硫化鉬潤滑涂層的表面形貌以及二者的結合形貌。

1.4.2 涂層厚度

采用杠桿千分尺通過測量試塊噴涂前后尺寸計算得到涂層厚度。

1.4.3 摩擦實驗

按GB12444.2—90實驗方法，采用涂層厚度為8μm± 3μm的試塊，摩擦實驗條件：在實驗機上施加總負荷500N，加載完成后按200r/min啟動實驗機，即先加載后轉動，根據下列公式來計算摩擦系數：

動摩擦系數：在檢測實驗中記錄啟動后60s、65s、70s、75s、80s、85s共6個時間點的摩擦力值，按式（1）計算動摩擦系數：

式（1）中：μ1n為記錄點動摩擦系數，n=1，2…6；f1n為記錄點摩擦力，n=1，2…6；N1為總載荷，其值為500N。

靜摩擦系數：在檢測實驗中記錄啟動后60s內摩擦力最大值，按式（2）計算

式（2）中：μ2為靜摩擦系數；f2為啟動后60s內摩擦力最大值；N2為總載荷，其值為500N。

1.4.4 劃格實驗

參照GB/T9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格實驗》，采用鋒銳的單面保險刀片劃透涂層，劃格數16個，畫線的間距為1mm。

2 結果及討論

2.1 涂層形貌

鎂合金微弧氧化陶瓷層表面形貌如圖1、鎂合金微弧氧化陶瓷層表面噴涂二硫化鉬固體潤滑涂層的表面形貌如圖2，可見鎂合金微弧氧化陶瓷層表面呈多孔疏松結構，孔徑2～3μm，固體潤滑涂層表面較為致密，孔隙約1μm左右；二硫化鉬涂層與鎂合金微弧氧化陶瓷層基體的結合情況如圖3，可見樹脂體系滲入基體孔隙中，二者結合良好。

圖1 微弧氧化陶瓷層表面形貌

圖2 微弧氧化陶瓷層表面噴涂二硫化鉬固體潤滑涂層形貌

圖3 微弧氧化陶瓷層與固體潤滑涂層的截面形貌

2.2 涂層厚度

試塊噴涂二硫化鉬固體潤滑涂層前后尺寸及計算出的涂層厚度見表1。

表1 試塊噴涂前后尺寸及涂層厚度

由表1可以看出，二硫化鉬固體潤滑涂層的厚度為8～11μm，同時結合圖4中標示出的涂層厚度進一步證明了二硫化鉬固體潤滑涂層的厚度滿足8μm±3μm技術指標。

2.3 摩擦實驗

按照2.4.3方法測試的摩擦力實驗數據及計算出的摩擦系數見表2，其中靜摩擦系數0.114～0.128，小于設計要求值0.2，動摩擦系數0.078～0.086，小于設計要求值0.1。

表2 涂層的摩擦實驗數據

采用掃描電鏡對摩擦實驗后的磨痕進行觀察，如圖4所示，可見磨痕清晰平整且未被磨穿，寬度范圍0.5～1mm。

圖4 摩擦實驗后磨痕的形貌

2.4 劃格實驗

按照1.4.4實驗方法對鎂合金微弧氧化層表面的二硫化鉬固體潤滑涂層進行劃格實驗，其表面狀態如圖5所示，可見劃痕邊緣清晰，所有方格內均無涂層脫落，參照GB/T9286—1998標準達到0級。

圖5 二硫化鉬涂層劃格實驗的表面外觀

3 結束語

采用噴涂法可在鎂合金微弧氧化層表面制備二硫化鉬固體潤滑涂層，厚度滿足8μm±3μm，靜摩擦系數小于0.2，動摩擦系數小于0.1，從微弧氧化層脫離的抗性為0級。

本涂層提高了產品的減磨及耐磨損性能，可應用于航天、航空、汽車等有減磨潤滑需求的零部件表面，或要求固化溫度120℃以下的基體表面，還可推廣應用于大型件表面的減磨潤滑層制備和修復。