趙 薇 竇寶捷, 2 余柳絲, 2 詹興剛 林修洲, 2
(1.四川輕化工大學材料科學與工程學院,四川自貢,643000;2.材料腐蝕與防護四川省重點實驗室,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,高質量的發(fā)動機需求極為迫切[1,2]。小型車上使用的汽油發(fā)動機,鋁合金氣缸機的占比越來越高。為減少發(fā)動機工作過程中的磨損,延長使用壽命,須采用潤滑的形式?;钊鳛榘l(fā)動機的“心臟”[3],其結構可分為頂部、環(huán)槽區(qū)和裙部三部分,活塞所接受的熱量會有一大部分通過缸套散熱[5],通常環(huán)槽區(qū)的溫度應在180—220℃、裙部的溫度應在80—180℃、銷座處的溫度應在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內摩擦系數為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,但鍍層的摩擦系數較大。石墨和二硫化鎢[8-10]因其層狀晶體結構、低剪切強度常用作固體潤滑劑,粘結劑常為有機與無機,其中無機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。
試驗材料為Al-Si合金,牌號為ZL109,化學成分見表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吹干。堿洗后的試樣在已經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吹干,隨后置于電熱鼓風干燥箱中120℃干燥1h。將干燥好的試樣放置24h,以消除應力。
本實驗是在CFT-1型材料表面性能綜合測試儀上進行的,采用往復摩擦運行方式。上試樣為CCr鋼球(直徑5mm),下試樣為被試樣。實驗條件如下:振幅5mm,載荷0.1~10N,溫度為室溫,相對濕度45%—48%。摩擦系數由試驗機自動記錄。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。
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,恒溫攪拌至澄清透明液體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,而后在馬弗爐中進行固化。
在實驗過程中,選擇反應溫度、填料種類、填料與粘接劑的質量比和固化劑種類四個參數在三個水平上變化,探究其對潤滑涂層耐磨性能的影響。實驗中的參數設計如表2和表3所示。
表2 L9 (34)正交實驗參數
表3 L9 (34)正交實驗表
由表4可知,8#涂層的摩擦系數最小為0.217,但其在16分鐘時就被磨破(涂層的摩擦系數突然增大的時間點)。5#涂層的摩擦系數為0.23,在試驗時間內未出現磨破現象。綜合評價,5#配方的性能最為優(yōu)異。
表4 各組摩擦系數及涂層磨破時間
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
由于汽車發(fā)動機的活塞在運作時平均溫度為270℃,所以本實驗將模擬活塞的工作環(huán)境,將潤滑干膜涂層經過高溫處理后測試其性能。本實驗將正交實驗優(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個小時和6個小時。
由圖2可知,經過高溫固化后Al(H2PO4)3-CuO粘結物質發(fā)生固化反應生成了Cu4O(PO4)2、AlPO4以及AlPO4(H2O)2,當磷酸鹽干膜涂層在270℃下高溫處理6小時后,AlPO4(H2O)2中的結合水完全蒸發(fā),殘留下AlPO4和Cu4O(PO4)2。因為Cu4O(PO4)2為無機高分子物質,其化學鍵通過P-O-P鍵相互連接,所以Al(H2PO4)3-CuO粘結物質發(fā)生固化反應后生成了P-O-P鍵和Al-O-P-O-Al鍵交替的環(huán)狀無機高分子結構,粘結力由化學鍵提供[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,在經過3小時和6小時的高溫處理后,固體潤滑劑填料也并未產生脫落,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,經過在270℃處理不同時長的磷酸鹽固體潤滑涂層仍存在具有潤滑性質的六邊形片層狀結構,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270℃高溫處理不同時間對潤滑涂層的減磨性影響不大,摩擦系數均為0.3。高溫處理對涂層的耐磨性沒有影響,60min的摩擦磨損試驗也未使磷酸鹽潤滑涂層出現磨破現象。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 不同時長處理磷酸鹽固體潤滑涂層磨損量
(1)通過正交實驗優(yōu)選出的最佳配方與工藝條件為:反應溫度為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、結構、耐磨性和潤滑性影響不大,涂層表現出優(yōu)良的耐熱性及高溫潤滑性能。