專利名稱:一種鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層及其制備方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種復合固體潤滑涂層,具體地說是一種鎳基氧化鋁及銦(II-Al2O3/ Ni) In復合固體潤滑涂層及其制備方法。
背景技術:
相關研究結果和工程應用經(jīng)驗表明,固體潤滑材料可在高溫、高負荷、超低溫、超 高真空、強氧化或還原、強輻射等環(huán)境下有效地潤滑而成為解決空間摩擦、磨損和潤滑難題 的首選材料。而目前我國已有的固體潤滑材料尚不能滿足未來更加復雜的航天任務的需 要。因此,開發(fā)新型固體潤滑材料或通過先進工藝技術來改善已有固體潤滑材料的性能是 空間摩擦學研究領域的重要方向。軟金屬銦是現(xiàn)代高技術武器裝備不可缺少的重要基礎材料之一,銦易于在金屬表 面形成牢固的涂層,且有良好的潤滑性和抗腐蝕性能。金屬銦在工業(yè)上最初的應用領域是制造工業(yè)軸承,并一直延續(xù)至今。純銦具有熔 點低(156. 61°C )、沸點高(20800C )、傳導性和延展性好的特點。但是金屬銦很軟,比鉛還 軟,能用指甲刻痕,如何利用銦良好延展性使其成為性能良好的潤滑涂層,同時提高銦鍍層 的硬度和耐磨性是本領域研究的熱點。
發(fā)明內容
為了彌補現(xiàn)有技術的缺陷,本發(fā)明的目的在于提出一種具有良好的硬度及抗腐蝕 性能,尤其是在真空原子氧輻照及真空紫外線輻照環(huán)境下,結構穩(wěn)定,仍保持很高的耐磨性 能的鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層。本發(fā)明的另一目的在于提出一種上述涂層的制備方法,該方法可以得到結構穩(wěn)定 性能良好的鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的,本發(fā)明的發(fā)明思路為隨著航天技術的不斷發(fā)展,新的潤滑涂層的研制或利用新的方法制備潤滑涂層是 提高航天器潤滑技術的關鍵。申請人前期想利用試驗室的傳統(tǒng)制備涂層技術,研制一種新 型涂層,這種涂層可以在空間環(huán)境(大氣,真空,原子氧及紫外線輻照)仍可適用。軟金屬 銦作為一種新興材料,逐漸被人們在各個領域應用。而電刷鍍是一項較為成熟的技術,操作 簡便,涂層厚度易于控制,因此,選電刷鍍方法制備銦潤滑層并考察其可行性。銦較軟,必須 提高基體硬度,給潤滑層做強有力的支撐,才能達到更好的潤滑效果。基體45鋼淬火后硬 度55HRC,為了提高硬度,申請人選擇在45鋼表面刷度鎳基氧化鋁(n-Al203/Ni)作為工作 層(65HRC),從而完成了本發(fā)明。本發(fā)明采用的具體技術方案為一種鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層,首先在基體表面利用電刷鍍制備鎳基氧 化鋁涂層,然后利用電刷鍍在該涂層上制備銦涂層,最終得到鎳基氧化鋁及銦復合涂層。上述的鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層,其中,在刷鍍制備鎳基氧化鋁涂層前刷鍍鎳打底層。上述的鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層,在銦涂層表面反復刷鍍鎳基氧化鋁涂 層及銦涂層,制備成多層鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層。一種制備上述的鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層的方法,所述方法步驟如下(1)電凈用電凈液除基體被鍍表面的油和銹,直至水膜能在被鍍表面上均勻分 布開,電凈后用去離子水沖洗至沖洗后的表面無干斑或無掛水珠現(xiàn)象;(2)強活化;(3)弱活化;然后用去離子水徹底沖洗至無掛水珠現(xiàn)象;(4)鍍打底層在不通電情況下在已活化好的基體表面刷鍍鎳液;(5)刷鍍鎳基氧化鋁涂層,利用鎳基氧化鋁鍍液在打底層上刷鍍;(6)刷鍍銦涂層先無電擦拭堿銦鍍液5 10S,然后+3V起鍍,刷鍍2 3分鐘慢 慢上升至+4 12V。在步驟(1)之前先進行前期處理去除被鍍基體表面銹斑和氧化皮,將工件浸入 有機溶劑中在超聲波中進行物理化學除油清洗。 所述有機溶劑為丙酮或酒精。所述步驟(6)前再次重復一遍步驟(2)和步驟(3)。在所述步驟(6)后重復所述步驟(5)和步驟(6),制備成多層鎳基氧化鋁及銦復合 涂層。所述基體為45#鋼淬火,硬度為55HRC,表面粗糙度為0. 8 μ m。所述鎳基氧化鋁鍍液成分為硫酸鎳100 150g/L、檸檬酸銨30 35g/L、乙二胺 15 20ml/L、三乙醇胺30 35ml/L、納米級Al2O3粉末10 30g/L。本發(fā)明涂層的具體用途推薦為本發(fā)明在常態(tài)下具有良好的化學穩(wěn)定性,耐蝕性及固體潤滑性。受原子氧和真空 紫外線輻照的影響也較小。本發(fā)明利用納米電刷鍍技術制備的潤滑涂層在高真空環(huán)境中, 以及在未來空間器械和裝備上有較好的應用前景。本發(fā)明的優(yōu)點與效益(1)本發(fā)明利用兩步法制備得到鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層,其制備方法 簡便,原材料獲取方便,成本低廉。此復合涂層的主要特點為在潤滑層軟金屬In鍍層與 基體45鋼之間增加了一層鎳基氧化鋁涂層作為工作層,發(fā)明人自行研制的鎳基氧化鋁鍍 液中含有納米級的氧化鋁顆粒,此工作層解決了現(xiàn)有技術中銦層過軟的問題,大幅度提高 了潤滑涂層的硬度,給潤滑層以更好的支撐作用,使?jié)櫥Ч鼉?yōu)越。鎳基氧化鋁涂層硬度 高,表面相對比較致密,在此涂層上進行刷鍍所得的銦涂層,晶粒細小,表面致密性大幅度 增強,從微觀結構上對銦涂層進行了改善。(2)本發(fā)明鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層抗氧化性能強,在真空原子氧輻照 環(huán)境下,結構穩(wěn)定,成分變化小,耐磨性能優(yōu)異,受環(huán)境影響小。(3)紫外線輻射對本發(fā)明涂層作用較小,因本發(fā)明涂層內部主要是以鍵能較大的 金屬鍵結合,光子能量對銦涂層性能影響較小。
下面結合附圖詳細描述本發(fā)明的實施方式圖1是本發(fā)明制備的(n-Al203/Ni)In復合涂層在干摩擦條件下在大氣環(huán)境中的微 觀照片;圖2是本發(fā)明制備的(n_Al203/Ni) In復合涂層在干摩擦條件下在真空環(huán)境中的微 觀照片;圖3是本發(fā)明制備的(n_Al203/Ni) In復合涂層在干摩擦條件下在真空原子氧輻照 環(huán)境中的微觀照片;圖4是本發(fā)明制備的(n_Al203/Ni) In復合涂層在干摩擦條件下在真空紫外線輻照 環(huán)境中的微觀照片;圖5A是本發(fā)明制備的(n_Al203/Ni) In復合涂層在干摩擦條件下在大氣環(huán)境中摩 擦學性能曲線圖;圖5B是本發(fā)明制備的(n_Al203/Ni) In復合涂層在干摩擦條件下在真空環(huán)境中摩 擦學性能曲線圖;圖5C是本發(fā)明制備的(n_Al203/Ni) In復合涂層在干摩擦條件下在真空原子氧輻 照環(huán)境中摩擦學性能曲線圖;圖5D是本發(fā)明制備的(n_Al203/Ni) In復合涂層在干摩擦條件下在真空紫外線輻 照環(huán)境中摩擦學性能曲線圖;圖6是大氣環(huán)境本發(fā)明In鍍層表面區(qū)域能譜;圖7是真空環(huán)境本發(fā)明In鍍層表面區(qū)域能譜;圖8是原子氧環(huán)境本發(fā)明In鍍層表面區(qū)域能譜;圖9是本發(fā)明In鍍層紫外線輻照環(huán)境表面區(qū)域能譜。
具體實施例方式實施例1本發(fā)明(n-Al203/Ni) In復合涂層的制備本實施例中的被鍍工件為45#鋼淬火,淬火溫度為860°C,保溫10分鐘,水淬。硬 度為55HRC,表面粗糙度為0. 8 μ m。1、前期處理用砂紙去除被鍍工件表面銹斑和氧化皮,將工件浸入丙酮(也可以 用酒精等有機溶劑)中在超聲波中進行物理化學除油清洗。2、電凈用電化學的方法去除被鍍工件表面油膜和氧化膜,即用電凈液除油除銹, 直至水膜能在被鍍表面上均勻分布開,電凈后必須用去離子水徹底沖洗,沖洗后的表面對 水潤濕良好、無干斑或無掛水珠現(xiàn)象。電極正接(工件接陰極,鍍筆接陽極),電壓12V。所述電凈液成分為氫氧化鈉NaOH 25. Og/L、無水碳酸鈉Na2C0321. 7g/L、磷酸三 鈉 Na3P04 · 12H20 50. Og/L、氯化鈉 NaCl 2. 4g/L。3、強活化(2#活化液):2#活化液具有很好的去除金屬表面氧化膜的能力,2#活 化液活化處理以后,金屬表面為均勻的黑灰色。2#活化液成分鹽酸HCl (36%含量)25g/l、氯化鈉NaCl 140g/L ;電極反接(工件接陽極,鍍筆接陰極),電壓12V。
4、弱活化(3#活化液):3#活化液能有效的去除2#活化液處理后金屬表面顯露出 來的電化學產(chǎn)物、碳和滲碳體等。3#活化液處理后金屬表面由黑灰色變?yōu)榫鶆虻你y灰色,用 去離子水徹底沖洗以后無掛水珠現(xiàn)象。3# 活化液成分檸檬酸三鈉 Na3C6H507 · 2H20 140g/L、檸檬酸 H3C6H507 · H20 94g/L、氯化鎳 NiC12 · 6H20 3g/L ;電極反接(工件接陽極,鍍筆接陰極),電壓20V。5、鍍打底層為了提高基體與鍍層的結合強度,同時防止有腐蝕作用的鍍液對基 體金屬的腐蝕,在刷鍍工作鍍層以前要預鍍打底層。根據(jù)試驗要求和試樣材料,試驗中選用 鎳做打底層。刷鍍底層時,要先在不通電情況下用鍍筆蘸著鎳液(本領域公知刷鍍液)將 已活化好的金屬表面迅速擦拭一遍,目的是在被鍍表面預先布置金屬離子,增加潤濕性,同 時隔離空氣,防止新鮮表面再被氧化。然后,電極正接,電壓18-12V下再次刷鍍鎳液,刷鍍時間可根據(jù)實際情況確定, 5-10s即可。6、刷鍍鎳基氧化鋁(n-Al203/Ni)涂層(n_A1203/Ni)鍍液基本淡綠色,鍍層硬度 較高,溶液沉積速度快,沉積厚度為50 μ。電極正接,電壓12V。鎳基氧化鋁(n-Al203/Ni)鍍液為中國人民解放軍裝甲兵工程學院研制的。成分 為硫酸鎳134g/L、檸檬酸銨30g/L、乙二胺(濃度50% ) 15 20ml/L、三乙醇胺(濃度 50% )30 35ml/L,溶液選用蒸餾水。在上述成分混勻制成基礎鍍液,然后向其中加入納 米級Al2O3粉末(20g/L)組成n-Al203/Ni復合鍍液。其中Al2O3粉末的粒度在30nm 60nm 之間,純度為99. 9%,并采用機械研磨分散法對Ii-Al2O3Oi代表Al2O3是納米級顆粒)粉末 進行分散。7、重復強活化和弱活化一遍;8、刷鍍堿銦鍍液(堿銦鍍液為武漢材料保護研究所研制,銦鹽(In3+)含量66g/L、 絡合劑1、11、調節(jié)劑I、II適量。)先無電擦拭5 10S,+3V起鍍,刷鍍2 3分鐘慢慢上 升至+4 12V,以鍍層不發(fā)黑為宜,刷鍍至厚度100 μ。如需制備多層復合涂層還可以在銦層表面繼續(xù)刷鍍鎳基氧化鋁和銦鍍層,如此反 復則制備成多層(n-Al203/Ni)In復合涂層。實施例2本發(fā)明實施例1制備的涂層性能測定本發(fā)明的(n-Al203/Ni) In復合涂層干摩擦條件下在大氣、真空、真空原子氧及真 空紫外線環(huán)境中的微觀照片如圖1、圖2、圖3、圖4所示,摩擦學性能如圖5所示,在大氣環(huán) 境、高真空環(huán)境、原子氧和紫外輻照后的表面形貌照片和同視場能譜,如圖6至圖9所示。測試方法利用掃描電子顯微鏡觀察和分析了實施例1制備的涂層在大氣、真空、原子氧輻照、 紫外線輻照后的表面,截面及磨痕形貌。利用能譜儀分析了輻照后涂層表面的元素組成。由CZM型真空球盤摩擦磨損試驗機分別完成干摩擦條件下大氣、真空、原子氧輻 照及紫外線輻照四種環(huán)境的摩擦磨損性能測試。上試樣為淬火9Crl8鋼珠,直徑為3mm,硬 度為HV770。下試樣為鍍有(n-Al203/Ni/In)涂層的45鋼圓盤,直徑為45mm,厚度為8mm。 試驗時上試樣固定,下試樣圓盤旋轉。試驗條件大氣環(huán)境室溫21°C,相對濕度14%,轉速 100r/min,載荷為3N,摩擦實驗600秒,真空度為3. 6 X 10_5Pa,原子氧輻照5小時,紫外線輻照10小時,氧氣流量為2. 4X10_5m7min,原子氧束流密度3 X 1015atom/Cm2,紫外線光子能 量高于 376. 6kJ/moL·測試結果圖1 4為In鍍層在大氣、真空、原子氧輻照5小時及紫外線輻照10 小時后的SEM照片。由圖1大氣環(huán)境中照片可見,In鍍層的表面形貌呈典型的細小菜花頭 狀,一個菜花頭即為一個單元,每個單元由多個細小的部分組成。鍍層表面形貌均勻致密, 晶粒細小,無明顯裂紋與空洞。圖2、3和4分別是In涂層在真空,原子氧輻照5小時,紫外 線輻照10小時后的微觀形貌照片,涂層在這三種環(huán)境下有著相似的形貌涂層表面隨機地 分布著大小不一的“針孔”。個別試樣表面一些相對較大的“針孔”內還存在顆粒狀物質,這 可能與刷鍍層在高真空條件下放氣有著密切關系。分析認為,因工藝特點所致,刷鍍過程中,晶粒呈柱狀,且氫的析出速度快、數(shù)量 多,在鍍層上形成針孔,快速形成的柱狀晶體無法堵住針孔,在針孔內的Η2、Η20、和NH3等分 子在較大電流密度和較高溫度下以氣態(tài)急劇析出不易封合,隨后形成孔隙。電刷鍍層孔隙 較多,孔徑較小,呈區(qū)域性分布。鎳基鍍層的孔隙多為貫通性的,即由基體金屬表層直接貫 通到鍍層表面,隨著鍍層厚度增加,孔隙率不會明顯降低,較大的內應力也是導致孔隙的原 因之一。實驗過程中,在基體上刷鍍(n-Al203/Ni)工作層時,該復合鍍層中含有大量的氣 體及孔隙,工作層上刷鍍In涂層,雖相對比較致密,但仍含有氣體及微小孔隙,這種情況, 在真空度為3. 6X ICT5Pa這樣的高真空狀態(tài)下,會加劇工作層及In鍍層中殘留氣體的析出, 銦鍍層很軟,隨著真空度越來越高,析出的氣體增多,孔隙也會越來越大,當相鄰的小孔隙 慢慢增大到一定程度會合并成為一個大的空洞,那么這些孔隙之間的鍍層部分就成為了這 些空洞中的顆粒狀物質。圖5為(n-Al203/Ni) In鍍層在大氣、真空、原子氧輻照及紫外線輻照四種環(huán)境中的 摩擦系數(shù)隨時間變化曲線。從圖中可以看出,圖5A大氣環(huán)境中的摩擦系數(shù)相對較高,在0. 4 左右,其他三種環(huán)境(圖5B、圖5C和圖5D)中的摩擦系數(shù)基本維持在0. 28 0. 30左右。由 圖可看出,在真空,真空原子氧輻照,真空紫外線輻照環(huán)境中的初始摩擦系數(shù)都很高,很短 時間摩擦系數(shù)就會突然降低至0. 28左右然后趨于平穩(wěn)。銦從常溫到其熔點(156. 61°C )之 間與空氣中的氧作用緩慢,可在表面形成極薄的氧化膜,所以,在大氣環(huán)境中的摩擦試驗, 氧化膜破壞的同時暴露的銦與大氣中的氧作用,又生成新的氧化膜,所以,大氣環(huán)境中的摩 擦系數(shù)相對較高。而其他三種環(huán)境摩擦試驗都在高真空下進行,鍍層表面的氧化膜破壞之 后,進行潤滑作用的是In涂層,所以由圖可看出,在真空,真空原子氧輻照,真空紫外線輻 照環(huán)境中的初始摩擦系數(shù)都很高,很短時間摩擦系數(shù)就會突然降低至0. 28左右然后趨于 平穩(wěn)。圖6至9為鍍層在大氣環(huán)境、高真空環(huán)境、原子氧和紫外輻照后的表面形貌照片和 同視場能譜。由圖6可以看出,刷鍍In涂層由粒徑5um左右的顆粒相互嵌套堆疊而成,表面比 較光滑均勻,組織結構致密,區(qū)域能譜顯示,金屬銦含量在97. 31%左右,其余為鐵元素?;?體元素Fe的出現(xiàn),說明刷鍍層由于工藝特點限制,不可避免地有孔隙存在。圖7為真空環(huán)境中In鍍層表面區(qū)域能譜,In元素含量96. 98%,其余為鐵元素含 量。相比大氣環(huán)境,鍍層經(jīng)歷高真空環(huán)境后,由于壓力差的存在,鍍層內部殘留的氣體順著空隙放出,在氣流的沖擊下,涂層表面明顯出現(xiàn)很多的微孔,鍍層表面光潔度明顯降低,在 鍍層表面的局部區(qū)域甚至出現(xiàn)了將近IOum的空洞,空洞內還殘留有白色顆粒狀物質。分析 認為,在經(jīng)歷高速抽氣達到高真空過程中,涂層內部的殘留氣體爭先恐后的由微孔放出,個 別區(qū)域因殘留氣體較多,不斷沖刷微孔,導致空隙越來越大,而相鄰空隙之間的實體間隔越 來越狹窄,最終鍍層局部區(qū)域塌陷,而“間隔”便掉入大的空洞中。圖8為In鍍層經(jīng)歷原子氧輻照后的表面形貌和區(qū)域能譜。對比發(fā)現(xiàn),鍍層經(jīng)歷原 子氧輻照后,表面顏色變得暗淡,成份分析表明O元素含量0. 35%,說明鍍層經(jīng)歷原子氧輻 照后,表面形成了氧化膜,但氧化效應不是很嚴重。這與大多數(shù)金屬與原子氧相互作用后生 成氧化物并隨即脫落,露出的新鮮表面則又將被原子氧繼續(xù)剝蝕,結果造成較嚴重的質損 不同。說明銦具有較強的抵抗原子氧侵蝕的能力。圖9為紫外線輻照10小時后In鍍層表面區(qū)域能譜,含In元素97. 79%, Fe元素 2.21%。和圖7、圖8比較可知,無論是元素成分和鍍層表面形貌變化都不大。從摩擦系數(shù) 看,鍍層的潤滑性能也基本沒發(fā)生改變,所以可以認為紫外線輻照對銦鍍層化學成份、結構 和潤滑性能都基本沒有影響。
權利要求
一種鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層,其特征在于,首先在基體表面利用電刷鍍制備鎳基氧化鋁涂層,然后利用電刷鍍在該涂層上制備銦涂層,最終得到鎳基氧化鋁及銦復合涂層。
2.根據(jù)權利要求1所述的鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層,其特征在于,在刷鍍制 備鎳基氧化鋁涂層前刷鍍鎳打底層。
3.根據(jù)權利要求2所述的鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層,其特征在于,在銦涂層 表面反復刷鍍鎳基氧化鋁涂層及銦涂層,制備成多層鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層。
4.一種制備權利要求1所述的鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層的方法,其特征在 于,所述方法步驟如下(1)電凈用電凈液除基體被鍍表面的油和銹,直至水膜能在被鍍表面上均勻分布開, 電凈后用去離子水沖洗至沖洗后的表面無干斑或無掛水珠現(xiàn)象;(2)強活化;(3)弱活化;然后用去離子水徹底沖洗至無掛水珠現(xiàn)象;(4)鍍打底層在不通電情況下在已活化好的基體表面刷鍍鎳液;(5)刷鍍鎳基氧化鋁涂層,利用鎳基氧化鋁鍍液在打底層上刷鍍;(6)刷鍍銦涂層先無電擦拭堿銦鍍液5 10S,然后+3V起鍍,刷鍍2 3分鐘慢慢上 升至+4 12V。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法,其特征在于,在步驟(1)之前先進行前期處理去除被 鍍基體表面銹斑和氧化皮,將工件浸入有機溶劑中在超聲波中進行物理化學除油清洗。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法,其特征在于,所述有機溶劑為丙酮或酒精。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法,其特征在于,所述步驟(6)前再次重復一遍步驟(2)和 步驟(3)。
8.根據(jù)權利要求4所述的方法,其特征在于,在所述步驟(6)后重復所述步驟(5)和步 驟(6),制備成多層鎳基氧化鋁及銦復合涂層。
9.根據(jù)權利要求4至8中任意一項所述的方法,其特征在于,所述基體為45#鋼淬火, 硬度為55HRC,表面粗糙度為0. 8 μ m。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法,其特征在于,所述鎳基氧化鋁鍍液成分為硫酸鎳 100 150g/L、檸檬酸銨30 35g/L、乙二胺15 20ml/L、三乙醇胺30 35ml/L、納米級 Al2O3 粉末 10 30g/L。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層,所述復合固體潤滑涂層,首先利用納米電刷鍍在基體表面制備鎳基氧化鋁涂層,然后利用納米電刷鍍在該涂層上制備銦涂層,最終得到鎳基氧化鋁及銦復合涂層。本發(fā)明利用兩步法制備得到鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層,其制備方法簡便,原材料獲取方便,成本低廉。本發(fā)明鎳基氧化鋁及銦復合固體潤滑涂層抗氧化性能強,在真空原子氧輻照環(huán)境下,結構穩(wěn)定,成分變化小,耐磨性能優(yōu)異,受環(huán)境影響小。
文檔編號C25D5/06GK101886279SQ20101022380
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權日2010年7月1日
發(fā)明者司洪娟, 徐濱士, 王海斗, 馬國政 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院