石墨烯表面改性的耐磨鋼質油環及其制備方法與流程

本發明涉及到一種石墨烯表面改性的耐磨鋼質油環及其制備方法，屬于合金表面改性處理加工領域。

背景技術：

在內燃機的主要摩擦副中，油環-缸套摩擦副的摩擦狀況深刻影響內燃機的工作性能和使用壽命。油環-缸套摩擦副的摩擦狀況，不僅與其結構有關，更重要的跟油環的材質及表面狀態密切相關。對油環進行表面處理能夠有效改善摩擦副磨損性能，防止表面磨損失效。常見的油環表面處理方法有鍍絡、噴銀以及硬質鍍層，其他較為常見的表面處理工藝還有等離子注入法、表面潤化處理和表面復合處理等等。這些表面處理方法，其主要目的在于提高油環表面硬度，提高其耐磨性，從而提高其使用壽命。若在此基礎上，采用其他特殊的表面改性方法，降低油環表面摩擦系數，則有望進一步提高其使用壽命。

石墨烯是目前金屬材料表面改性的研究熱門。石墨烯具有使一個原子層厚度的石墨片層，具有許多優異的電子及機械性能，在電子、能源、傳感器等多個領域都有潛在應用。在金屬材料表面減磨改性研究領域，石墨烯也具有非常大的應用潛力。若能在油環表面獲得具有一定厚度的石墨烯薄膜，利用石墨烯的減磨特性降低油環摩擦系數，將有望大幅度提高油環使用壽命。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種摩擦系數低，使用壽命長的石墨烯表面改性的耐磨鋼質油環。

本發明采用的技術方案為：一種石墨烯表面改性的耐磨鋼質油環，在油環表面制備一層石墨烯薄膜，厚度為5～10um。

本發明還提供了上述石墨烯表面改性的耐磨鋼質油環的制備方法，其步驟包括：

a、以氧化石墨烯分散在水中獲得的氧化石墨烯溶液為電解質，在油環表面電沉積氧化石墨烯；

b、采用電化學還原方法將油環表面沉積的氧化石墨烯還原為石墨烯，在油環表面獲得石墨烯薄膜。

進一步的，所述步驟a之前還需對油環進行預處理，所述預處理為將油環表面打磨拋光，用去離子水清洗，然后置于無水乙醇中超聲清洗。

進一步的，所述步驟a中氧化石墨烯溶液的濃度為2g/l，以此氧化石墨烯溶液為電解液，以油環為負極，采用恒電位法在將氧化石墨烯片層沉積在油環表面，沉積電位為1.6v，沉積時間為15～20min，沉積完畢后，油環置于室溫干燥。

進一步的，所述步驟b中采用三電極系統進行電化學還原，其中工作電極為表面沉積氧化石墨烯的油環，飽和氯化鉀/甘汞電極為參比電極，輔助電極為不銹鋼絲網，電解質為pbs(k2hpo4/kh2po4)緩沖溶液，溶液濃度為0.15mol/l，ph值為5.0，電化學還原電位為-1.05v，通電時間為1500～2500s。

本發明采用電沉積法在鋼制油環表面沉積氧化石墨烯，隨后采用電化學還原方法將氧化石墨烯還原為石墨烯，從而在鋼制油環表面獲得牢固結合且厚度可控的石墨烯薄膜，利用石墨烯的減磨特性大幅降低油環摩擦系數，提高油環使用壽命。本發明其操作步驟及設備要求簡單，易于實現。

附圖說明

圖1為實施例1中氧化石墨烯薄膜掃描電鏡微觀形貌圖。

圖2為實施例1中油環摩擦系數曲線圖。

圖3為實施例2中石墨烯表面改性油環摩擦系數曲線圖。

圖4為實施例3中石墨烯表面改性油環摩擦系數曲線圖。

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。

具體實施方式

本發明所述的石墨烯表面改性的耐磨鋼制油環的制備方法不只局限于以下具體實例。實施例中所用鋼制油環其材質為4crmosiv，油環按常規預處理工藝處理以獲得清潔、干燥的表面。根據試樣表面實際狀況，預處理工藝可選擇以下步驟的不同組合，即：磨光、清洗、除油。以下實施例中均采用將油環表面打磨拋光，用去離子水清洗，然后置于無水乙醇中超聲清洗的預處理工藝。

實施例1

本石墨烯表面改性的耐磨鋼質油環的制備方法，其步驟包括：

a、配置濃度為2g/l氧化石墨烯電解質溶液，采用恒電位法在油環表面沉積氧化石墨烯薄膜，沉積電位為1.6v，沉積時間為17min，沉積結束后，取出油環，空氣中干燥。

b、采用三電極系統，在電解質為0.1mol/l,ph值為5.0的pbs緩沖溶液中對第一步獲得的氧化石墨烯進行還原，在油環表面獲得石墨烯薄膜。電化學還原電位為-1.05v，還原時間為2000s。還原結束后，取樣，空氣中干燥。

圖1所示為所獲得的油環表面石墨烯薄膜的掃描電子微觀形貌，膜層厚度約為5～10um，膜層致密，無明顯缺陷。圖2是石墨烯表面改性前后油環表面的摩擦系數曲線，石墨烯改性后其表面摩擦系數(0.2)約為原始表面(0.4)的一半，減磨效果顯著。

實施例2：

本石墨烯表面改性的耐磨鋼質油環的制備方法，其步驟包括：

a、配置濃度為2g/l氧化石墨烯電解質溶液，采用恒電位法在油環表面沉積氧化石墨烯薄膜，沉積電位為1.6v，沉積時間為15min，沉積結束后，取出油環，空氣中干燥。

b、采用三電極系統，在電解質為0.1mol/l,ph值為5.0的pbs緩沖溶液中對第一步獲得的氧化石墨烯進行還原，在油環表面獲得石墨烯薄膜。電化學還原電位為-1.05v，還原時間為1500s。還原結束后，取樣，空氣中干燥。圖3是實施例2中石墨烯表面改性前后油環表面的摩擦系數曲線，石墨烯改性后其表面摩擦系數為0.24。

實施例3：

本石墨烯表面改性的耐磨鋼質油環的制備方法，其步驟包括：

a、配置濃度為2g/l氧化石墨烯電解質溶液，采用恒電位法在油環表面沉積氧化石墨烯薄膜，沉積電位為1.6v，沉積時間為20min，沉積結束后，取出油環，空氣中干燥。

b、采用三電極系統，在電解質為0.1mol/l,ph值為5.0的pbs緩沖溶液中對第一步獲得的氧化石墨烯進行還原，在油環表面獲得石墨烯薄膜。電化學還原電位為-1.05v，還原時間為2500s。還原結束后，取樣，空氣中干燥。圖4是實施例3中石墨烯表面改性前后油環表面的摩擦系數曲線，石墨烯改性后其表面摩擦系數為0.24。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種石墨烯表面改性的耐磨鋼質油環，其表面制備一層石墨烯薄膜，厚度為5～10um。還公開了其制備方法，其步驟包括：以氧化石墨烯分散在水中獲得的氧化石墨烯溶液為電解質，在油環表面電沉積氧化石墨烯；采用電化學還原方法將油環表面沉積的氧化石墨烯還原為石墨烯，在油環表面獲得石墨烯薄膜。本發明采用電沉積法在鋼制油環表面沉積氧化石墨烯，隨后采用電化學還原方法將氧化石墨烯還原為石墨烯，從而在鋼制油環表面獲得牢固結合且厚度可控的石墨烯薄膜，利用石墨烯的減磨特性大幅降低油環摩擦系數，提高油環使用壽命。本發明其操作步驟及設備要求簡單，易于實現。

技術研發人員：陳玉元;莫東林;馬愛斌;宋丹;孫甲鵬
受保護的技術使用者：儀征天華活塞環有限公司;河海大學
技術研發日：2017.03.03
技術公布日：2017.07.18