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(zhǎng)使用壽命，須采用潤(rùn)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(yáng)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑涂層，采用CFT-1型多功能材料表面綜合性能測(cè)試儀測(cè)試了涂層的潤(rùn)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(duì)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(cè)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(duì)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(rùn)滑特性。

1.3 磷酸鹽潤(rùn)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(rùn)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(duì)潤(rùn)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(rùn)滑涂層摩擦曲線

表5 磷酸鹽潤(rùn)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(rùn)滑干膜涂層經(jīng)過高溫處理后測(cè)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(rùn)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(rùn)滑涂層中的固體潤(rùn)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(rùn)滑劑填料也并未產(chǎn)生脫落，說明該潤(rùn)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(rùn)滑涂層XRD譜圖

由圖3可知，經(jīng)過在270℃處理不同時(shí)長(zhǎng)的磷酸鹽固體潤(rùn)滑涂層仍存在具有潤(rùn)滑性質(zhì)的六邊形片層狀結(jié)構(gòu)，這也就證明了該潤(rùn)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(zhǎng)高溫處理磷酸鹽固體潤(rùn)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(duì)潤(rùn)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(duì)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(rùn)滑涂層出現(xiàn)磨破現(xiàn)象。所以磷酸鹽潤(rùn)滑涂層有較好的耐磨性和減磨性，并且其高溫潤(rùn)滑性和耐熱性也較好。

圖4 磷酸鹽固體潤(rùn)滑涂層摩擦磨損曲線

由表6可知，在270℃處理3h后，磷酸鹽潤(rùn)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(rùn)滑涂層具有良好的耐熱性與耐磨性。

表6 不同時(shí)長(zhǎng)處理磷酸鹽固體潤(rùn)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(rùn)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(duì)磷酸鹽固體潤(rùn)滑涂層的成分、結(jié)構(gòu)、耐磨性和潤(rùn)滑性影響不大，涂層表現(xiàn)出優(yōu)良的耐熱性及高溫潤(rùn)滑性能。