一種自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝制造技術

本發明專利技術公開了一種自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝，包括微弧氧化陶瓷層工藝和電泳沉積涂層工藝；微弧氧化電解液的組分及濃度為：Na

Process for preparing self-lubricating ceramic matrix composite

The invention discloses a preparation process of a self-lubricating ceramic matrix composite, which comprises a micro arc oxidation ceramic layer process and an electrophoretic deposition coating process, wherein the component and the concentration of the micro arc oxidation electrolyte are: Na;

【技術實現步驟摘要】
一種自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝
本專利技術涉及鋁合金的表面處理
，具體涉及一種自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝。
技術介紹
在內燃機的設計制造中，確保缸套-活塞組件的可靠性和耐久性至關重要。在缸套-活塞組件中，活塞受高溫高壓燃氣的熱應力、機械沖刷、高溫腐蝕及與缸套、活塞環間的摩擦磨損等因素的作用，其可靠性與發動機的壽命和運行成本息息相關。高硅鑄造鋁合金常用于制備鋁合金活塞。然而，高硅鋁合金具有表面硬度低，耐磨和耐腐蝕性能較差的特點。所以，常采用表面強化方法提高活塞的可靠性來降低發動機的故障率。復合涂層可通過不同工藝獲得優異的機械、化學、耐磨損以及耐腐蝕性能，因此被廣泛應用于機械零件的表面強化和再制造。向復合涂層中加入微納米粒子，如石墨、碳化硅、Al2O3、Si3N4等，可以顯著降低摩擦系數和磨損率。然而，傳統的電泳沉積、電鍍、噴涂等方法得到的復合涂層與基體的結合方式一般是外延生長、化學鍵結合、分子鍵和機械結合等，這些結合方式的結合強度較低，很難獨立滿足活塞高溫高壓、應力復雜惡劣的工作條件要求。微弧氧化是包含電化學、等離子體化學等過程的一種表面處理技術。微弧氧化技術可在鋁、鎂鈦等閥金屬表面得到多孔結構的陶瓷層。該陶瓷層與基體的結合方式是金屬鍵結合，結合強度較高。前期研究中已經證實，微弧氧化陶瓷層具有優異的耐磨性能，截面平均顯微硬度在1200HV以上，并且從內部的致密層到外部的疏松層存在明顯的硬度梯度(1200HV～600HV)。然而，缸套表面硬度遠遠低于陶瓷層中致密層的硬度。盡管利用微弧氧化技術，我們可以提高由高硅鋁合金制備的活塞裙部表面的耐磨性能，但是必須采取相應的表面強化措施來提高缸套表面的耐磨性能，以使缸套-活塞組件配合良好。
技術實現思路
本專利技術針對以上問題的提出，而研究設計一種自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝。本專利技術采用的技術手段如下：一種自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝，包括微弧氧化陶瓷層工藝和電泳沉積涂層工藝；微弧氧化電解液的組分及濃度為：Na2SiO3為4g/l，Na2WO3為4g/l，KOH為2g/l，以及EDTA-2Na為2g/l，微弧氧化電解液溶劑為去離子水；微弧氧化的電參數為：正向電壓420v、負向電壓120v、電源頻率1500Hz、正向占空比60％；電泳沉積電解液的組分為：10％固體分的丙烯酸陽極電泳漆、粒徑為40nm的MoS2的納米粒子、聚乙二醇，所述MoS2的納米粒子的濃度為10g/l，電泳沉積電解液溶劑為去離子水，所述聚乙二醇與MoS2的重量比為1:2；電泳沉積的電參數為：正向電壓360v、負向電壓0v、電源頻率20Hz、正向占空比5％。進一步地，所述微弧氧化電解液的溫度為30℃。進一步地，所述電泳沉積電解液的溫度為25℃。進一步地，電泳沉積時間為1min，電泳沉積的電極工作距離為5cm。與現有技術比較，本專利技術所述的自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝采用先微弧氧化陶瓷層在電泳沉積涂層的工藝，微弧氧化陶瓷層的多孔結構則會顯著提高陶瓷基復合材料間的結合強度，并在摩擦磨損過程中一方面發揮減磨的作用，另一方面起到儲存固體潤滑劑的作用，進而提高陶瓷基復合材料的使用壽命和工作效果，而且本專利技術對MoS2在電解液中的濃度和分散性、電泳沉積工作電壓、電泳沉積時間以及電極間工作距離等參數進行了系統的優化，以提高固體潤滑劑MoS2在陶瓷基復合材料中的濃度，確保陶瓷基復合材料良好的結合狀態，制得具有減磨、自潤滑性能的陶瓷基復合材料。附圖說明圖1是本專利技術實施例的制備工藝流程圖。其中，圖1a為ZL109鋁合金基體的截面形貌圖，圖1b為ZL109鋁合金表面微弧氧化后的截面形貌圖，圖1c為ZL109鋁合金表面陶瓷基復合材料的截面形貌圖，圖中：1、ZL109鋁合金，2、微弧氧化陶瓷層，3、電泳沉積涂層，A處為MoS2。圖2是本專利技術實施例所述的微弧氧化陶瓷層的表面形貌圖。圖3是本專利技術實施例所述的陶瓷基復合材料的表面形貌圖。圖4是本專利技術實施例所述的陶瓷基復合材料的表面局部形貌圖。圖5是圖4的B處表面能譜分析結果圖。圖6是本專利技術實施例所述的微弧氧化陶瓷層和陶瓷基復合材料的表面XRD曲線圖；圖中，a為微弧氧化陶瓷層，b為陶瓷基復合材料。圖7是本專利技術實施例所述的陶瓷基復合材料和ZL109鋁合金基體的摩擦系數曲線圖；圖中，a為陶瓷基復合材料，b為ZL109鋁合金基體。圖8是本專利技術實施例所述的ZL109鋁合金基體磨損表面形貌圖。圖9是與ZL109鋁合金基體配合的缸套試樣磨損表面形貌圖。圖10是本專利技術實施例所述的陶瓷基復合材料磨損表面形貌圖。圖11是圖10的C處表面能譜分析結果圖。圖12是與陶瓷基復合材料配合的缸套試樣磨損表面形貌圖。具體實施方式如圖1a至圖1c所示，一種自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝，包括微弧氧化陶瓷層工藝和電泳沉積涂層工藝；微弧氧化電解液的組分及濃度為：Na2SiO3為4g/l，Na2WO3為4g/l，KOH為2g/l，以及EDTA-2Na為2g/l，微弧氧化電解液溶劑為去離子水，微弧氧化電解液的溫度為30℃，形成微弧氧化陶瓷層；微弧氧化的電參數為：正向電壓420v、負向電壓120v、電源頻率1500Hz、正向占空比60％；電泳沉積電解液的組分為：10％固體分的丙烯酸陽極電泳漆、粒徑為40nm的MoS2的納米粒子、聚乙二醇，所述MoS2的納米粒子的濃度為10g/l，電泳沉積電解液溶劑為去離子水，所述聚乙二醇與MoS2的重量比為1:2；電泳沉積電解液的溫度為25℃，形成電泳沉積涂層，于微弧氧化陶瓷層共同形成陶瓷基復合材料；電泳沉積的電參數為：正向電壓360v、負向電壓0v、電源頻率20Hz、正向占空比5％，電泳沉積時間1min、電極工作距離5cm。在微弧氧化和電泳沉積前，利用去離子水配制電解液，并使用磁力攪拌器攪拌30min(轉速150rpm)，隨后超聲振蕩60min，以確保電解液組分均勻分散。經微弧氧化15min和電泳沉積1min處理后的試樣放入烘干箱中170℃恒溫烘烤30min，隨后自然冷卻完成陶瓷基復合材料的制備。如圖1所示，陶瓷層厚度約為10μm，陶瓷基復合材料的厚度約為20μm。在電場的作用下，電泳沉積優先在孔和厚度較薄的陶瓷層區域形成電泳沉積層，所以在孔和薄層區域沉積著更多的被電泳漆包裹著的MoS2。利用掃描電鏡(SEM)分析陶瓷基復合材料表面和截面形貌特征；使用X射線衍射儀(XRD)和X射線能譜儀(EDXS)分析陶瓷基復合材料的相組成和化學組成；在干摩擦條件下，利用大連海事大學自制的往復式摩擦磨損試驗機研究陶瓷基復合材料的摩擦學性能。如圖2所示，微弧氧化陶瓷層表面呈現出高低起伏的多孔形貌。由如3至圖5也可見，在電場的作用下，電泳沉積優先在孔和厚度較薄的陶瓷層區域形成電泳沉積層，所以在孔和薄層區域沉積著更多的被電泳漆包裹著的MoS2。如圖6所示，由于微弧氧化陶瓷層膜層較薄，且為多孔結構，所以其主要相組成為Al和γ-Al2O3(曲線a)。同時可以看到，陶瓷基復合材料的XRD曲線中出現了一個顯著的新峰(2θ＝14.331°)(曲線b)。經與標準卡片比對，其為MoS2的典型衍射峰。XRD分析結果表明MoS2被引入到陶瓷基復合材料中，并且進一步說明陶瓷基復合材料的形成屬于機械組合，沒有生成新的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝，包括微弧氧化陶瓷層工藝和電泳沉積涂層工藝；微弧氧化電解液的組分及濃度為：Na

【技術特征摘要】
1.一種自潤滑陶瓷基復合材料的制備工藝，包括微弧氧化陶瓷層工藝和電泳沉積涂層工藝；微弧氧化電解液的組分及濃度為：Na2SiO3為4g/l，Na2WO3為4g/l，KOH為2g/l，以及EDTA-2Na為2g/l，微弧氧化電解液溶劑為去離子水；微弧氧化的電參數為：正向電壓420v、負向電壓120v、電源頻率1500Hz、正向占空比60％；電泳沉積電解液的組分為：10％固體分的丙烯酸陽極電泳漆、粒徑為40nm的MoS2的納米粒子、聚乙二醇，所述MoS2的納米粒子的濃度為10g/l，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬春生，程東，朱新河，嚴志軍，付景國，劉澤澤，鄭世斌，于光宇，
申請(專利權)人：大連海事大學，
類型：發明
國別省市：遼寧,21