ZL109鋁合金表面磷酸鹽潤滑涂層的制備及性能研究

趙 薇 竇寶捷, 2 余柳絲, 2 詹興剛 林修洲, 2

(1.四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川自貢，643000；2.材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢，643000；3.貴州航天精工制造有限公司，貴州遵義，563099)

隨著汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展，高質(zhì)量的發(fā)動(dòng)機(jī)需求極為迫切[1,2]。小型車上使用的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，鋁合金氣缸機(jī)的占比越來越高。為減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的磨損，延長使用壽命，須采用潤滑的形式?；钊鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”[3]，其結(jié)構(gòu)可分為頂部、環(huán)槽區(qū)和裙部三部分，活塞所接受的熱量會(huì)有一大部分通過缸套散熱[5]，通常環(huán)槽區(qū)的溫度應(yīng)在180—220℃、裙部的溫度應(yīng)在80—180℃、銷座處的溫度應(yīng)在260—270℃[4]。目前，張良平等[6]采用陽極氧化工藝在硅-鋁合金表面制備了耐磨層，其在80s內(nèi)摩擦系數(shù)為0.45，但在80s后涂層被磨破，失去耐磨性。H. Torres等[7]在硅-鋁合金表面采用激光熔覆技術(shù)制備了MoS2鍍層，極大地提高了基體的耐磨性，但鍍層的摩擦系數(shù)較大。石墨和二硫化鎢[8-10]因其層狀晶體結(jié)構(gòu)、低剪切強(qiáng)度常用作固體潤滑劑，粘結(jié)劑常為有機(jī)與無機(jī)，其中無機(jī)粘接劑為磷酸鹽與硅酸鹽[11,12]，與硅酸鹽相比，磷酸鹽因其具有高的熱穩(wěn)定性、固化溫度低，是一種理想的耐高溫潤滑涂層的載體[13-16]。

本文以磷酸和氫氧化鋁為原料制備粘結(jié)劑，加入石墨和二硫化鎢制備固體潤滑涂層，采用CFT-1型多功能材料表面綜合性能測試儀測試了涂層的潤滑特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和處理

試驗(yàn)材料為Al-Si合金，牌號(hào)為ZL109，化學(xué)成分見表1。

表1 ZL109鋁合金主要成分

試樣為40mm×30mm×5mm的矩形，在窄邊中軸線距邊緣2mm左右處開孔，半徑為1mm。然后依次用120#、180#、270#、600#、800#、1000#砂紙對板材進(jìn)行打磨，打磨好的試樣用去離子水沖洗干凈后吹干裝袋備用。

將試樣放入60℃的堿洗液中超聲10min，用自來水沖洗以除去表面殘留的堿洗液，再用去離子水沖洗干凈后冷風(fēng)吹干。堿洗后的試樣在已經(jīng)水解好的硅烷溶液中水解2min后緩慢取出，后用乙醇輕輕沖洗并冷風(fēng)吹干，隨后置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中120℃干燥1h。將干燥好的試樣放置24h，以消除應(yīng)力。

1.2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)是在CFT-1型材料表面性能綜合測試儀上進(jìn)行的，采用往復(fù)摩擦運(yùn)行方式。上試樣為CCr鋼球(直徑5mm)，下試樣為被試樣。實(shí)驗(yàn)條件如下：振幅5mm，載荷0.1～10N，溫度為室溫，相對濕度45%—48%。摩擦系數(shù)由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄。通過掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌，分析其高溫潤滑特性。

1.3 磷酸鹽潤滑涂層的制備

將磷酸稀釋至60%，加熱至一定溫度后加入一定量的氫氧化鋁，恒溫?cái)嚢柚脸吻逋该饕后w后加入一定量的固化劑(CuO、CrO3)，繼續(xù)攪拌15min，在冷卻至室溫后，加入固體潤滑劑。在基體表面采用刷涂的方式制備涂層，在室溫將水分揮發(fā)完全，而后在馬弗爐中進(jìn)行固化。

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇反應(yīng)溫度、填料種類、填料與粘接劑的質(zhì)量比和固化劑種類四個(gè)參數(shù)在三個(gè)水平上變化，探究其對潤滑涂層耐磨性能的影響。實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)計(jì)如表2和表3所示。

表2 L9 (34)正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表3 L9 (34)正交實(shí)驗(yàn)表

2 結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由表4可知，8#涂層的摩擦系數(shù)最小為0.217，但其在16分鐘時(shí)就被磨破(涂層的摩擦系數(shù)突然增大的時(shí)間點(diǎn))。5#涂層的摩擦系數(shù)為0.23，在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)磨破現(xiàn)象。綜合評(píng)價(jià)，5#配方的性能最為優(yōu)異。

表4 各組摩擦系數(shù)及涂層磨破時(shí)間

圖1 磷酸鹽固體潤滑涂層摩擦曲線

表5 磷酸鹽潤滑涂層耐磨性及減摩性極差分析

2.2 最優(yōu)工藝磷酸鹽涂層摩擦學(xué)性能

由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞在運(yùn)作時(shí)平均溫度為270℃，所以本實(shí)驗(yàn)將模擬活塞的工作環(huán)境，將潤滑干膜涂層經(jīng)過高溫處理后測試其性能。本實(shí)驗(yàn)將正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)先出來的最佳配方及工藝制成的磷酸鹽潤滑涂層放入陶瓷纖維馬弗爐中分別于270℃高溫下處理3個(gè)小時(shí)和6個(gè)小時(shí)。

由圖2可知，經(jīng)過高溫固化后Al(H2PO4)3-CuO粘結(jié)物質(zhì)發(fā)生固化反應(yīng)生成了Cu4O(PO4)2、AlPO4以及AlPO4(H2O)2，當(dāng)磷酸鹽干膜涂層在270℃下高溫處理6小時(shí)后，AlPO4(H2O)2中的結(jié)合水完全蒸發(fā)，殘留下AlPO4和Cu4O(PO4)2。因?yàn)镃u4O(PO4)2為無機(jī)高分子物質(zhì)，其化學(xué)鍵通過P-O-P鍵相互連接，所以Al(H2PO4)3-CuO粘結(jié)物質(zhì)發(fā)生固化反應(yīng)后生成了P-O-P鍵和Al-O-P-O-Al鍵交替的環(huán)狀無機(jī)高分子結(jié)構(gòu)，粘結(jié)力由化學(xué)鍵提供[17]。此外，從圖2中可以看出磷酸鹽潤滑涂層中的固體潤滑劑填料為二硫化鎢和石墨粉末的混合填料，填料的分散效果比較好，在經(jīng)過3小時(shí)和6小時(shí)的高溫處理后，固體潤滑劑填料也并未產(chǎn)生脫落，說明該潤滑干膜在270℃環(huán)境下能穩(wěn)定存在，具有較好的耐熱性和熱穩(wěn)定性。

圖2 磷酸鹽固體潤滑涂層XRD譜圖

由圖3可知，經(jīng)過在270℃處理不同時(shí)長的磷酸鹽固體潤滑涂層仍存在具有潤滑性質(zhì)的六邊形片層狀結(jié)構(gòu)，這也就證明了該潤滑膜在270℃能夠穩(wěn)定存在，具有較好的耐熱性和熱穩(wěn)定性。

圖3 不同時(shí)長高溫處理磷酸鹽固體潤滑涂層微觀形貌(a:0h, b:3h, c:6h)

由圖4可知，經(jīng)270℃高溫處理不同時(shí)間對潤滑涂層的減磨性影響不大，摩擦系數(shù)均為0.3。高溫處理對涂層的耐磨性沒有影響，60min的摩擦磨損試驗(yàn)也未使磷酸鹽潤滑涂層出現(xiàn)磨破現(xiàn)象。所以磷酸鹽潤滑涂層有較好的耐磨性和減磨性，并且其高溫潤滑性和耐熱性也較好。

圖4 磷酸鹽固體潤滑涂層摩擦磨損曲線

由表6可知，在270℃處理3h后，磷酸鹽潤滑涂層的磨損量變化不大，經(jīng)過6h的高溫處理后，磨損量增大了4.464×10-2mm3。由此可說明，該配方制備的磷酸鹽固體潤滑涂層具有良好的耐熱性與耐磨性。

表6 不同時(shí)長處理磷酸鹽固體潤滑涂層磨損量

3 結(jié)論

(1)通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出的最佳配方與工藝條件為：反應(yīng)溫度為105℃、固化劑為CuO、填料選用WS2與石墨的混合填料、填料與膠粘劑的質(zhì)量比為1:3。

(2)最優(yōu)工藝制備的磷酸鹽潤滑涂層具有較小的摩擦系數(shù)與良好的耐磨性；高溫處理對磷酸鹽固體潤滑涂層的成分、結(jié)構(gòu)、耐磨性和潤滑性影響不大，涂層表現(xiàn)出優(yōu)良的耐熱性及高溫潤滑性能。