鎂合金微弧氧化層表面的固體潤滑涂層制備及性能研究

尹雅楠，李冰濤，馬少雄，王少雄，梁 兵

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的金屬材料，不僅密度低、比強(qiáng)度高、電磁屏蔽性和減震性好，而且具有優(yōu)良的切削加工性能和拋光性能[1]，是有效解決航天器輕量化需求的輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的材料，必將廣泛應(yīng)用于航天零部件[2]。

目前在鎂合金表面防護(hù)方面，采用微弧氧化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鎂合金表面的微弧氧化陶瓷涂層制備，涂層厚度均勻，成分可控，耐磨性、硬度和耐蝕性等顯著提高。

鎂合金構(gòu)件表面的微弧氧化層在與其他構(gòu)件對接裝配時，配合面會受到擠壓和摩擦，導(dǎo)致微弧氧化層被構(gòu)件磨損裸露出鎂合金基體，此時的鎂合金基體會發(fā)生化學(xué)腐蝕，如果與異種材料（如不銹鋼、鋁合金或鈦合金等）接觸還會產(chǎn)生電偶腐蝕，因此，提高鎂合金表面的防護(hù)涂層耐磨性能，使其具有較強(qiáng)的抗磨損能力，保證配合面在受到擠壓和摩擦?xí)r，微弧氧化層不被破壞，是航天用鎂合金材料需解決的問題之一。

在我國航天型號的低沖擊分離裝置關(guān)鍵產(chǎn)品中，為了保證順利分離的特殊要求，在其表面噴涂二硫化鉬固體潤滑涂層作為減摩涂層，以提高零件表面的耐磨性能?；诖?，在鎂合金微弧氧化層表面噴涂低摩擦系數(shù)、耐磨損的涂層有助于保證鎂合金殼體配合面的防護(hù)。

本研究實(shí)施前航天型號低沖擊分離裝置產(chǎn)品表面的二硫化鉬減磨涂層厚度為固化溫度為200℃，靜摩擦系數(shù)小于0.3，動摩擦系數(shù)小于0.11。為了防止鎂合金的過時效傾向，減小涂層固化溫度對鎂合金基體強(qiáng)度和抗蠕變性能的影響，同時進(jìn)一步提高涂層的減磨性能，設(shè)計(jì)人員對鎂合金微弧氧化層表面的二硫化鉬減磨涂層提出了新的技術(shù)指標(biāo)，即固化溫度不大于150℃，靜摩擦系數(shù)小于0.2，動摩擦系數(shù)小于0.1，涂層厚度滿足8μm±3μm。本文介紹的二硫化鉬固體潤滑涂層可滿足上述技術(shù)指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試塊及原材料

試塊：基材為稀土鎂合金，其表面微弧氧化層厚度約為12μm；固體潤滑劑二硫化鉬；黏結(jié)劑：環(huán)氧樹脂；添加劑二甲基咪唑、三氧化二銻；稀釋劑環(huán)己醇、丙酮。

1.2 主要設(shè)備及儀器

噴槍，GP-2，日本扶桑精機(jī)有限公司；鼓風(fēng)干燥箱，LC-233，上海埃斯佩克環(huán)境儀器有限公司；高速環(huán)塊磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，MRH-3，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司；掃描電鏡，S-3700N，日立公司。

1.3 涂層制備

1.3.1 噴涂液配制

稱取二硫化鉬2.5～4g，環(huán)氧樹脂2～3.5g，添加劑1～ 1.5g，稀釋劑10～20mL，按一定順序混合并充分?jǐn)嚢杈鶆蚺渲瞥蓢娡恳骸?/p>

1.3.2 噴涂

噴槍與試塊距離10cm～12cm，氮?dú)鈮毫?.22MPa，均勻噴涂一遍后，自然晾干然后再噴涂第二遍。

1.3.3 固化

100℃±2℃保溫固化1h。

1.4 性能測試

1.4.1 涂層形貌

采用掃描電鏡觀察鎂合金表面微弧氧化陶瓷層、二硫化鉬潤滑涂層的表面形貌以及二者的結(jié)合形貌。

1.4.2 涂層厚度

采用杠桿千分尺通過測量試塊噴涂前后尺寸計(jì)算得到涂層厚度。

1.4.3 摩擦實(shí)驗(yàn)

按GB12444.2—90實(shí)驗(yàn)方法，采用涂層厚度為8μm± 3μm的試塊，摩擦實(shí)驗(yàn)條件：在實(shí)驗(yàn)機(jī)上施加總負(fù)荷500N，加載完成后按200r/min啟動實(shí)驗(yàn)機(jī)，即先加載后轉(zhuǎn)動，根據(jù)下列公式來計(jì)算摩擦系數(shù)：

動摩擦系數(shù)：在檢測實(shí)驗(yàn)中記錄啟動后60s、65s、70s、75s、80s、85s共6個時間點(diǎn)的摩擦力值，按式（1）計(jì)算動摩擦系數(shù)：

式（1）中：μ1n為記錄點(diǎn)動摩擦系數(shù)，n=1，2…6；f1n為記錄點(diǎn)摩擦力，n=1，2…6；N1為總載荷，其值為500N。

靜摩擦系數(shù)：在檢測實(shí)驗(yàn)中記錄啟動后60s內(nèi)摩擦力最大值，按式（2）計(jì)算

式（2）中：μ2為靜摩擦系數(shù)；f2為啟動后60s內(nèi)摩擦力最大值；N2為總載荷，其值為500N。

1.4.4 劃格實(shí)驗(yàn)

參照GB/T9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格實(shí)驗(yàn)》，采用鋒銳的單面保險刀片劃透涂層，劃格數(shù)16個，畫線的間距為1mm。

2 結(jié)果及討論

2.1 涂層形貌

鎂合金微弧氧化陶瓷層表面形貌如圖1、鎂合金微弧氧化陶瓷層表面噴涂二硫化鉬固體潤滑涂層的表面形貌如圖2，可見鎂合金微弧氧化陶瓷層表面呈多孔疏松結(jié)構(gòu)，孔徑2～3μm，固體潤滑涂層表面較為致密，孔隙約1μm左右；二硫化鉬涂層與鎂合金微弧氧化陶瓷層基體的結(jié)合情況如圖3，可見樹脂體系滲入基體孔隙中，二者結(jié)合良好。

圖1 微弧氧化陶瓷層表面形貌

圖2 微弧氧化陶瓷層表面噴涂二硫化鉬固體潤滑涂層形貌

圖3 微弧氧化陶瓷層與固體潤滑涂層的截面形貌

2.2 涂層厚度

試塊噴涂二硫化鉬固體潤滑涂層前后尺寸及計(jì)算出的涂層厚度見表1。

表1 試塊噴涂前后尺寸及涂層厚度

由表1可以看出，二硫化鉬固體潤滑涂層的厚度為8～11μm，同時結(jié)合圖4中標(biāo)示出的涂層厚度進(jìn)一步證明了二硫化鉬固體潤滑涂層的厚度滿足8μm±3μm技術(shù)指標(biāo)。

2.3 摩擦實(shí)驗(yàn)

按照2.4.3方法測試的摩擦力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算出的摩擦系數(shù)見表2，其中靜摩擦系數(shù)0.114～0.128，小于設(shè)計(jì)要求值0.2，動摩擦系數(shù)0.078～0.086，小于設(shè)計(jì)要求值0.1。

表2 涂層的摩擦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用掃描電鏡對摩擦實(shí)驗(yàn)后的磨痕進(jìn)行觀察，如圖4所示，可見磨痕清晰平整且未被磨穿，寬度范圍0.5～1mm。

圖4 摩擦實(shí)驗(yàn)后磨痕的形貌

2.4 劃格實(shí)驗(yàn)

按照1.4.4實(shí)驗(yàn)方法對鎂合金微弧氧化層表面的二硫化鉬固體潤滑涂層進(jìn)行劃格實(shí)驗(yàn)，其表面狀態(tài)如圖5所示，可見劃痕邊緣清晰，所有方格內(nèi)均無涂層脫落，參照GB/T9286—1998標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到0級。

圖5 二硫化鉬涂層劃格實(shí)驗(yàn)的表面外觀

3 結(jié)束語

采用噴涂法可在鎂合金微弧氧化層表面制備二硫化鉬固體潤滑涂層，厚度滿足8μm±3μm，靜摩擦系數(shù)小于0.2，動摩擦系數(shù)小于0.1，從微弧氧化層脫離的抗性為0級。

本涂層提高了產(chǎn)品的減磨及耐磨損性能，可應(yīng)用于航天、航空、汽車等有減磨潤滑需求的零部件表面，或要求固化溫度120℃以下的基體表面，還可推廣應(yīng)用于大型件表面的減磨潤滑層制備和修復(fù)。