專利名稱：多孔陽極氧化鋁膜的自潤滑處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁表面多孔陽極氧化鋁膜的自潤滑處理方法。
背景技術(shù)：
鋁質(zhì)材料是一類僅次于鋼鐵而被機(jī)械工業(yè)等廣泛采用的金屬材料。由于其高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐蝕性使得鋁質(zhì)材料在諸如汽車、航空航天工業(yè)和其它高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。然而，作為摩擦學(xué)材料，鋁質(zhì)材料的嚴(yán)重弱點(diǎn)是質(zhì)軟、摩擦系數(shù)高、磨損大、容易拉傷且難以潤滑，限制了其在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
眾多的學(xué)者進(jìn)行了鋁的摩擦學(xué)表面改性的研究。諸多的新的表面改性方法，如PVD，CVD，三束改性，熱噴涂等通過提高表面硬度，改變表面化學(xué)狀態(tài)以及引入潤滑性物質(zhì)來減少磨粒磨損和粘著磨損并降低摩擦系數(shù)，并取得了良好的效果，但是其設(shè)備卻十分昂貴。
陽極氧化是最為傳統(tǒng)而有效的鋁的表面改性方法，它能極大地提高鋁制品表面的硬度，提高其化學(xué)穩(wěn)定性，從而極大地提高了其抗磨抗擦傷和耐蝕能力，但是，陽極氧化膜是脆性的陶瓷膜，且其摩擦系數(shù)很高，在較高的速、負(fù)荷及帶沖擊的工況條件下則迅速失效。利用陽極氧化層的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，借助于化學(xué)、物理、或電化學(xué)的方法在多孔質(zhì)陽極氧化鋁微孔中沉積潤滑性物質(zhì)既可保持陽極氧化膜的高硬度和耐磨性，同時(shí)又賦予材料的潤滑性，這項(xiàng)技術(shù)近來倍受人們的重視。日本的石禾和夫等人[潤滑アルマイトの開發(fā).藤倉電線技報(bào)，昭和58年，6549-54]發(fā)明的用化學(xué)和電化學(xué)的方法在陽極氧化鋁中沉積二硫化鉬的工作曾被譽(yù)為鋁質(zhì)材料表面改性的一場革命，但不足之處是微孔中二硫化鉬的填充量不足及MoS2的轉(zhuǎn)化需較高溫度。改進(jìn)的方法之一是利用陽極氧化鋁氧化層中納米孔道內(nèi)壁富含羥基的特點(diǎn)，使聚合物陽離子吸附到孔道內(nèi)壁可以增加微孔中潤滑性物質(zhì)的含量。同時(shí)，隨著填充的潤滑性物質(zhì)含量的增加，陽極氧化層的脆性也得以改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多孔陽極氧化鋁膜的自潤滑處理方法，解決了硬質(zhì)陽極氧化鋁膜摩擦系數(shù)很高及脆性問題。
本發(fā)明的自潤滑處理方法依次包括A和B兩個(gè)步驟A.多孔硬質(zhì)陽極氧化鋁膜的制備首先，將鋁片試樣表面經(jīng)清洗除污，堿除氧化層，電化學(xué)拋光處理后，在0.2-0.4mol/L草酸溶液中進(jìn)行二次硬質(zhì)陽極氧化，使其表面形成多孔的硬質(zhì)陽極氧化膜；之后將多孔氧化層在3-5％磷酸溶液中進(jìn)行擴(kuò)孔處理。
B.自潤滑陽極氧化鋁膜的制備將擴(kuò)孔處理后的多孔氧化鋁膜浸入1.0-1.4mol/L的丙烯腈單體溶液中，在引發(fā)劑過硫酸銨的存在下進(jìn)行引發(fā)聚合得到氧化層孔道中含有聚合物納米纖維的復(fù)合膜，之后分別在240-260℃空氣氣氛下及500-700℃氬氣氣氛下分步進(jìn)行熱處理，得到孔道中填充有碳納米纖維的自潤滑陽極氧化鋁復(fù)合膜。
本發(fā)明的多孔陽極氧化鋁膜是由表面均勻分布著直徑約80納米的多孔層構(gòu)成，其中多孔層內(nèi)的納米孔洞彼此平行且垂直于氧化膜表面，按近乎精確的六方緊密結(jié)構(gòu)排列，膜的孔隙率達(dá)到1×1010以上，其厚度在5～100微米間，優(yōu)選10～50微米。經(jīng)過自潤滑處理后，表面形成的復(fù)合層是由硬質(zhì)多孔陽極氧化膜與填充于其中的固體潤滑劑構(gòu)成，固體潤滑劑為碳納米纖維，這種表面改性層厚度可控制在5～100微米之間，并同時(shí)具高硬度、耐磨、耐蝕和低摩擦的特點(diǎn)。所以，本法可對各種鋁質(zhì)工件進(jìn)行摩擦學(xué)表面改性，解決了硬質(zhì)陽極氧化鋁膜摩擦系數(shù)很高的問題，在鋁制材料表面改性中具有重要的意義。
摩擦磨損試驗(yàn)在日本協(xié)和株式會(huì)社生產(chǎn)的動(dòng)靜摩擦系數(shù)測定儀上進(jìn)行。滑動(dòng)速度90mm.min-1，單向滑動(dòng)行程為5mm，法向負(fù)荷為3N。偶件選用φ3的GCr15鋼球。在室溫及相對濕度RH＝40％～45％條件下進(jìn)行測定。摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，GCr15鋼球與純硬質(zhì)陽極氧化鋁表面對摩時(shí)摩擦系數(shù)高，其值為為0.88，氧化鋁表面上的磨擦軌跡粗糙，且可見嚴(yán)重?cái)嗔鸭皠兟溘E象。經(jīng)過自潤滑處理后摩擦系數(shù)降低為0.23，自潤滑氧化鋁表面上的磨擦軌跡平滑，且磨屑少。隨著滑動(dòng)次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。
以上摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明所涉及的自潤滑陽極氧化鋁膜具有明顯的減摩和抗磨性能，并對摩擦對偶有一定的保護(hù)作用。本法可對各種鋁質(zhì)工件進(jìn)行摩擦學(xué)表面改性。
具體實(shí)施例方式
為了更好的理解本發(fā)明，通過實(shí)例進(jìn)行說明實(shí)施例1將純鋁片經(jīng)過清洗除污，堿除氧化層，電化學(xué)拋光后在0℃，0.3mol/L草酸溶液中60V直流電壓條件下恒壓陽極氧化3h，然后以磷酸-鉻酸混合液除去氧化層后相同條件下陽極氧化5小時(shí)。以5％磷酸溶液進(jìn)行擴(kuò)孔后仔細(xì)清洗備用。所得的陽極氧化膜的厚度約為40μm，表面微孔孔徑80納米左右。
將陽極氧化后鋁片浸入26mL1.3mol/L的丙烯腈溶液中，然后加入13ml20mM的NaHSO3溶液，12ml15mM(NH4)2S2O8溶液及一滴0.5mol/L H2SO4，40℃恒溫2小時(shí)后即得到納米孔道中填充有聚丙烯腈納米纖維的復(fù)合膜，經(jīng)250℃空氣氣氛下熱處理一小時(shí)后再在600℃氬氣氣氛下熱處理一小時(shí)，得到自潤滑陽極氧化鋁復(fù)合膜。
實(shí)施例2將純鋁片經(jīng)過清洗除污，堿除氧化層，電化學(xué)拋光后在0℃，0.3mol/L草酸溶液中60V直流電壓條件下恒壓陽極氧化3h，以磷酸-鉻酸混合液除去氧化層后相同條件下陽極氧化6小時(shí)。以5％磷酸溶液進(jìn)行擴(kuò)孔后仔細(xì)清洗備用。所得的陽極氧化膜的厚度約為50μm，表面微孔孔徑80納米左右。
將陽極氧化后鋁片浸入26mL1.3mol/L的丙烯腈溶液中，然后加入13ml20mM NaHSO3溶液，12ml15mM(NH4)2S2O8溶液及一滴0.5mol/LH2SO4，40℃恒溫2小時(shí)后即得到納米孔道中填充有聚丙烯腈納米纖維的復(fù)合膜，經(jīng)250℃空氣氣氛下熱處理一小時(shí)后再在700℃氬氣氣氛下熱處理一小時(shí)，得到自潤滑陽極氧化鋁復(fù)合膜。
權(quán)利要求
1.一種鋁表面多孔陽極氧化鋁膜的自潤滑處理方法，其特征在該方法依次包括以下步驟A.多孔硬質(zhì)陽極氧化鋁膜的制備首先，將鋁片試樣表面經(jīng)清洗除污，堿除氧化層，電化學(xué)拋光處理后，在0.2-0.4mol/L草酸溶液中進(jìn)行二次硬質(zhì)陽極氧化，使其表面形成多孔的硬質(zhì)陽極氧化膜；之后將多孔氧化層在3-5％磷酸溶液中進(jìn)行擴(kuò)孔處理。B.自潤滑陽極氧化鋁膜的制備將擴(kuò)孔處理后的多孔氧化鋁膜浸入1.0-1.4mol/L的丙烯腈單體溶液中，在引發(fā)劑過硫酸銨的存在下進(jìn)行引發(fā)聚合得到氧化層孔道中含有聚合物納米纖維的復(fù)合膜，之后分別在240-260℃空氣氣氛下及500-700℃氬氣氣氛下分步進(jìn)行熱處理，得到孔道中填充有碳納米纖維的自潤滑陽極氧化鋁復(fù)合膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多孔陽極氧化鋁膜的自潤滑處理方法。該方法首先是將處理后的鋁片在草酸的電解液中進(jìn)行二次陽極氧化，得到表面均勻分布著直徑相等的納米孔洞的陽極氧化鋁/鋁復(fù)合膜，利用化學(xué)聚合法在陽極氧化層的納米孔道中合成聚合物納米纖維，在一定的溫度下進(jìn)行熱處理得到填充有碳纖維的自潤滑陽極氧化鋁。其特點(diǎn)是氧化鋁膜均勻性好，膜厚易于控制；制備工藝簡單、易操作；自潤滑氧化鋁膜的抗磨及減磨性能好。摩擦、磨損試驗(yàn)表明該自潤滑陽極氧化鋁膜具有良好的減摩、抗磨性能，解決了硬質(zhì)陽極氧化鋁膜摩擦系數(shù)很高及脆性問題，有望成為鋁制材料表面改性中的有效手段。
文檔編號C25D11/24GK1624209SQ20031011932
公開日2005年6月8日 申請日期2003年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者陳淼, 趙彥春, 劉維民, 劉相 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所