利用镓基液态金属在铜基金属材料曲面制备CuGa2薄膜的方法

摘要

利用镓基液态金属在铜基金属材料曲面制备CuGa2薄膜的方法，将金属镓、金属铟和金属锡按照一定质量比加入坩埚中，加热并搅拌制得熔点为5‑20℃的镓基液态金属，将镓基液态金属加入碱溶液中去掉表面的氧化物，随后将铜基金属工件放入碱溶液中与镓基液态金属接触，利用铝箔接触铜基金属表面发生电化学反应，产生电压，诱导镓基液态金属在铜基金属工件表面快速铺展，最终得到CuGa2薄膜；本发明实现了在铜基金属曲面快速镀膜的方法，制备过程绿色不产生排放污染物，所制备的CuGa2薄膜厚度均匀，在干摩擦条件下，具有良好的减摩耐磨效果。

权利要求

1.利用镓基液态金属在铜基金属材料曲面制备CuGa2薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将金属镓、金属铟和金属锡按照质量比加入到石墨或陶瓷坩埚中，加热至160‑240℃并搅拌均匀，获得镓基液态金属；

（2）配置物质的量浓度为0.5mol/L‑1 mol/L的NaOH溶液；

（3）将2克镓基液态金属加入20‑50mL的NaOH碱溶液中；

（4）将不同类型的曲面铜基金属工件放入步骤（3）的溶液中，并使其与镓基液态金属接触，然后利用铝箔接触铜基金属表面，形成CuGa2薄膜后立即取出工件，用蒸馏水超声清洗表面；

所用的铜基金属工件包括紫铜T1，黄铜H68或铝青铜QAL9‑4，工件的形状包括球状或管状；

金属镓、金属铟和金属锡加入的质量比分别为62：25：13、76：24：0和92：0：8，所获得的液态金属分别为Ga62In25Sn13、Ga76In24和Ga92Sn8。

说明书

利用镓基液态金属在铜基金属材料曲面制备CuGa2薄膜的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及在铜基金属材料曲面快速镀膜的方法，特别涉及一种利用镓基液态金属在铜基金属材料曲面制备CuGa2薄膜的方法。

背景技术

[0002] 铜基金属广泛应用于水基滑动轴承和蜗轮蜗杆传动装置等各种机械零部件中。在机器起步、停车或者超载情况下，润滑失效，铜基金属工件将会产生磨损因而引起早期失
效，因此急需开发针对铜基金属工件的减摩耐磨表面改性技术。

[0003] 传统的金属表面改性技术包括热化学气相沉积(H‑CVD)法、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法、真空蒸镀法、磁控溅射镀膜法和离子束(激光束) 溅射镀膜法。在轴承等
工业应用中存在大量的曲面金属工件，这些传统的镀膜方法虽然可以实现铜基金属的曲面
镀膜，但是都存在一定的缺陷。化学气相沉积和真空蒸镀法对于设备的要求较高且耗能严
重，而且等离子体在传输的过程中将会产生大量的损失和大颗粒污染。溅射镀膜法则面临
着柱状靶材制备困难和膜基结合力不足的问题。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用镓基液态金属在铜基金属材料曲面制备具有减摩耐磨功能的CuGa2薄膜的方法，可以大规模制造，且耗能较
低。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 利用镓基液态金属在铜基金属材料曲面制备CuGa2薄膜的方法，包括以下步骤：

[0007] (1)将金属镓、金属铟和金属锡按照质量比分别为(62‑92)：(0‑25)： (0‑13)加入到石墨或陶瓷坩埚中，加热至160‑240℃并搅拌均匀，获得镓基液态金属；

[0008] (2)配置物质的量浓度为0.5mol/L‑1mol/L的NaOH溶液；

[0009] (3)将2克镓基液态金属加入20‑50ml的NaOH碱溶液中；

[0010] (4)将不同类型的曲面铜基金属工件放入步骤(3)的溶液中，并使其与镓基液态金属接触，然后利用铝箔接触铜基金属表面，形成CuGa2薄膜后立即取出工件，用蒸馏水超声
清洗表面。

[0011] 金属镓、金属铟和金属锡加入的质量比分别为62：25：13、76：24：0和 92：0：8，所获得的液态金属分别为Ga62In25Sn13、Ga76In24和Ga92Sn8。

[0012] 所用的铜基金属工件包括紫铜(T1)，黄铜(H68)或铝青铜(QAL9‑4)，工件的形状包括球状或管状。

[0013] 本发明的优点：

[0014] 1、本发明所制备的CuGa2薄膜，厚度均匀为15‑20微米。在干摩擦条件下，比压为‑
432‑985MPa，滑动速度为6‑36mm/s下，其摩擦系数为0.34‑ 0.38，磨损率为0.49‑0.61/10
5 3 . ‑1
mm(Nm) ，具有减摩耐磨效果。

[0015] 2、本发明过程中利用铝箔与铜基金属表面接触，诱发电化学反应，产生电压，使金属镓原子快速地进入铜基金属工件表面。更进一步的，由于表面张力的作用，镓基液态金属
可以在复杂的曲面工件上主动铺展，形成均匀的 CuGa2薄膜。

[0016] 3、本发明不需要通电和任何的外部设备即可形成减摩耐磨的保护层，是一种绿色节能的镀膜方法。

附图说明

[0017] 图1为实施例1的铜基金属曲面镀膜效果图。

[0018] 图2为实施例2的铜基金属曲面镀膜效果图。

[0019] 图3为实施例2的铜基金属镀膜后截面的扫面电镜图。

[0020] 图4为实施例2中干摩条件下摩擦系数对比图。

[0021] 图5为实施例2中干摩条件下磨损率对比图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细叙述。

[0023] 实施例1

[0024] 将6.2g金属镓、2.5g金属铟和1.3g金属锡加入石墨坩埚，将坩埚放入真空干燥箱中加热至240℃中，保持20分钟。取出石墨坩埚，将所得的镓基液态金属Ga62In25Sn13搅拌均
匀，取2gGa62In25Sn13液态金属加入到20ml配制好的0.5mol/L的NaOH碱溶液中。将球形紫铜
工件(T1)放入碱溶液中与液态金属接触，利用铝箔接触铜基金属表面，形成CuGa2薄膜后立
即取出工件，用蒸馏水超声清洗表面。

[0025] 参照图1，从图中可以看出所制备的CuGa2薄膜均匀地分布在球形紫铜表面，CuGa2薄膜厚度为17微米左右。参照图2和图3，在干摩擦条件下，采用45钢作为配副，进行球盘往
复摩擦学实验，在比压为587MPa，滑动速度为12mm/s条件下，其摩擦系数为0.36，磨损率为
‑5 3 . ‑1
0.49/10 mm (Nm) 。对照实验采用45钢和铜基材料基体配副，在相同的实验条件下，其摩
‑5 3 . ‑1
擦系数为0.60，磨损率为1.78/10 mm (Nm) 。实验结果表明所制备的CuGa2薄膜在干摩擦
条件下能够将摩擦系数降低37％左右，磨损率降低72％左右，具有良好的减摩耐磨性能。

[0026] 实施例2

[0027] 将7.6g的金属镓和2.4g的金属铟加入石墨坩埚，将坩埚放入真空干燥箱中加热至160℃中，保持20分钟。取出石墨坩埚，将镓基液态金属搅拌均匀得到Ga76In24。取2gGa76In24
液态金属加入到30ml配制好的0.8mol/L的NaOH碱溶液中。将管状紫铜工件(T1)放入碱溶液
中与液态金属接触，利用铝箔接触铜基金属表面，形成CuGa2薄膜后立即取出工件，用蒸馏
水超声清洗表面。

[0028] 参照图4和图5，从图中可以看出，本实施例所制备的CuGa2薄膜，厚度均匀，为15微米左右。

[0029] 实施例3

[0030] 将9.2g的金属镓和0.8g的金属锡加入氧化锆陶瓷坩埚，将坩埚放入真空干燥箱中加热至230℃中，保持20分钟。取出氧化锆陶瓷坩埚，将液态金属搅拌均匀。取2gGa92Sn8液态
金属加入40ml配制好的1mol/L的NaOH碱溶液中。将球状黄铜工件(H68)放入碱溶液中与液
态金属接触，利用铝箔接触铜基金属表面，形成CuGa2薄膜后立即取出工件，用蒸馏水超声
清洗表面。

[0031] 本实施例所制备的CuGa2薄膜，厚度均匀，为19微米左右，在干摩擦条件下，采用45钢作为配副，进行球盘往复摩擦学实验，在比压为985MPa，滑动速度为36mm/s条件下，其摩
‑5 3 . ‑1
擦系数为0.38，磨损率为0.61/10 mm (Nm) 。

[0032] 实施例4

[0033] 将7.6g的金属镓和2.4g的金属铟加入氧化锆陶瓷坩埚，将坩埚放入真空干燥箱中加热至160℃中，保持20分钟。取出氧化锆陶瓷坩埚，将液态金属搅拌均匀。取2gGa76In24液
态金属加入50ml配制好的1mol/L的NaOH碱溶液中。将球状铝青铜工件(QAL9‑4)放入碱溶液
中与液态金属接触，利用铝箔接触铜基金属表面，形成CuGa2薄膜后立即取出工件，用蒸馏
水超声清洗表面。

[0034] 本实施例制备的CuGa2薄膜，厚度均匀，为20微米左右。干摩擦条件下，采用45钢作为配副，进行球盘往复摩擦学实验，在比压为432MPa，滑动速度为6mm/s条件下，其摩擦系数
‑5 3 . ‑1
为0.34，磨损率为0.54/10 mm(Nm) 。

[0035] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、简化，均应为等
效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。