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表面處理工藝對緊固件摩擦系數(shù)的影響之鋅鋁涂層涂覆篇

前言

鋅鋁涂覆因其優(yōu)異防腐性能和無氫脆的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在汽車、電力、化工、海洋、鐵路、橋梁、隧道、造船、國防軍事等領(lǐng)域廣為應(yīng)用，圖1為鋅鋁涂層在緊固件上應(yīng)用圖片。

緊固件的摩擦系數(shù)是緊固件應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)，而影響摩擦系數(shù)最重要的工藝過程就是緊固件的表面保護(hù)工藝。

今天就帶領(lǐng)大家詳細(xì)了解鋅鋁涂層工藝過程對緊固件的摩擦系數(shù)的影響。

圖1

1 鋅鋁涂覆工藝解析

首先了解下鋅鋁涂覆的工藝過程吧。

鋅鋁涂覆工藝過程：前處理——第一次底涂層涂覆——烘烤燒結(jié)——第二次底涂層涂覆——烘烤燒結(jié)——第一次封閉劑涂層涂覆——烘烤固化——第二次封閉劑涂層涂覆——烘烤固化——后處理。

具體工藝參數(shù)：底涂層涂覆KL100/KL105（溫度：18～25℃，工作粘度：37～40s，離心速度，230轉(zhuǎn)/分，離心時(shí)間，80s），底涂層烘烤燒結(jié)（240℃±5℃*30min）。

封閉劑涂覆DELTA—SEALGZ/DELTA—SEALRZ（離心速度，200轉(zhuǎn)/分離心時(shí)間，40s），封閉劑固化（240℃±5℃*30min）。

摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)樣件：六角頭法蘭面螺栓，其規(guī)格為M10*1.5*65。材料為中碳合金鋼，機(jī)械性能為8.8級。其主要性能指標(biāo)要求如下：

(1)外觀形貌：直接目視觀察圖片

(2)微觀形貌：

從微觀形貌可以看出，鋅鋁涂層是一種將超細(xì)鋅鱗片和鋁鱗片疊合包裹在特殊粘結(jié)劑中的無機(jī)涂層。

一般尺寸為8-25微米的鱗片狀鋅、鋁、專用有機(jī)物的高分散混合層。該復(fù)合層在240℃左右高溫烘烤，并經(jīng)過約30min保溫后，形成覆蓋在基材表面非解鋅鋁高防腐涂層。

2 摩擦系數(shù)測試簡介

摩擦系數(shù)測試采用本案實(shí)驗(yàn)采用的是Shatz公司生產(chǎn)的多功能螺栓緊固分析系統(tǒng)，型號為5413-2777試驗(yàn)測試機(jī)。

以《ISO16047—緊固件的扭矩/夾緊力測試》為測試標(biāo)準(zhǔn)。該實(shí)驗(yàn)測試機(jī)可以通過測試分析系統(tǒng)軟件程序，可以求得總摩擦系數(shù)、螺紋之間的摩擦系數(shù)及支承表面摩擦系數(shù)。

3 測試結(jié)果分析

3.1 不同類型的涂覆結(jié)構(gòu)對總摩擦系數(shù)的影響：

根據(jù)德國DELTA-MK公司的關(guān)于此兩種涂層的技術(shù)參數(shù)，涂覆兩遍KL100和兩遍KL105的樣品（以下簡稱2*KL100和2*KL105，以下同），其總摩擦系數(shù)測試結(jié)果對比如下表：

初步結(jié)論：在相同的涂覆工藝條件，涂覆兩遍底涂層KL100樣品的總摩擦系數(shù)較涂覆兩遍底涂層KL105的總摩擦系數(shù)要高33.6%。且涂覆兩遍底涂層KL100樣品的總摩擦系數(shù)實(shí)測值散差較大，結(jié)果一致性差。

這也體現(xiàn)在德國DELTA-MK公司的涂料工藝說明中，KL100只能作為專用的底涂層，而不能作為面涂層的原因之一吧。

另外，KL105中含有專門的潤滑劑，也能起到減摩潤滑作用，致使總摩擦系數(shù)顯著地降低，同時(shí)也能保證結(jié)果的一致性。

由此可表明，總摩擦系數(shù)與底涂層種類和特性有密切關(guān)系；應(yīng)根據(jù)不同類型需求，綜合遴選出合適的底涂層滿足需要。

3.2 不同類型的封閉劑對總摩擦系數(shù)的影響：

此試驗(yàn)分別采用了兩種底涂層（KL100和KL105）以及兩種封閉劑（DELTA-SEALRZ和DELTA-SEALGZ），進(jìn)行交叉了的試驗(yàn)；其樣件總摩擦系數(shù)如下表：

初步結(jié)論：DELTA-SEALRZ因處理液成中含有特殊增摩劑，導(dǎo)致總摩擦系數(shù)顯著地增加。

DELTA-SEALGZ處理液中含有聚四氟乙烯顆粒的潤滑劑，也能起到減摩潤滑作用，致使總摩擦系數(shù)顯著地降低。

由此可表明，總摩擦系數(shù)與封閉劑種類和特性有密切關(guān)系；封閉劑是涂覆工藝方面影響總摩擦系數(shù)的最關(guān)鍵因素；實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)不同需求，選擇不同類型的封閉劑來達(dá)到所需求的總摩擦系數(shù)要求。

3.3 封閉劑在不同的烘烤溫度下對總摩擦系數(shù)的影響：

本組試驗(yàn)采用了先涂覆二遍底涂層KL100烘干后，再涂覆兩遍封閉劑（DELTA-SEALGZ），測試在不同溫度下烘烤DELTA-SEALGZ樣品的總摩擦系數(shù)，其具體實(shí)測值為下表：

其隨烘烤溫度的變化趨勢如下：

初步結(jié)論：隨著溫度遞增，總摩擦系數(shù)隨之增加，具體的測試結(jié)果見表。

200°烘烤

220°烘烤

240°烘烤

進(jìn)一步而言，DELTA-SEALGZ這種環(huán)氧樹脂型的封閉劑屬于烘烤固化型涂料。其樹脂中的各基團(tuán)，它們在常溫下足夠穩(wěn)定，但加熱到較高溫度時(shí)，基團(tuán)之間將快速地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使涂膜交聯(lián)固化。

溫度越高，反應(yīng)速度越快，交聯(lián)固化也越徹底，整個(gè)涂膜干硬更早，但要防止溫度過高，而導(dǎo)致涂膜黃變嚴(yán)重。

另外，溫度越高，體積小的溶劑分子越容易穿過樹脂分子間隙而擴(kuò)散到涂膜表面，溶劑保留率就要低，整個(gè)涂膜干硬更早。

3.4 封閉劑在不同的保溫時(shí)間對總摩擦系數(shù)的影響：

本次試驗(yàn)采用了先涂覆二遍底涂層KL100烘干后，再涂覆兩遍封閉劑（DELTA-SEALGZ），測試在同一烘烤溫度不同的保溫時(shí)間下，DELTA-SEALGZ樣品的總摩擦系數(shù)的變化情況，具體為下表：

初步結(jié)論：當(dāng)達(dá)到合適的烘干溫度后，保溫時(shí)間相差不大時(shí)，對總摩擦系數(shù)的影響不大。

在保溫階段，保溫時(shí)間通常由涂膜化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)所需的固化工藝時(shí)間所決定。此時(shí)，體積小的溶劑分子已穿過樹脂分子間隙而擴(kuò)散到涂膜表面，溶劑保留率將維持在一定的水平上，整個(gè)涂膜干硬度將基本不變。

3.5 封閉劑厚度對總摩擦系數(shù)的影響：

本次試驗(yàn)采用了先涂覆二遍底涂層KL100烘干后，再涂覆封閉劑（DELTA-SEALGZ），并固化烘干。比較涂覆一遍和兩遍封閉劑樣品的總摩擦系數(shù)，具體如下表：

根據(jù)有機(jī)厚度測量方法，可以得到在不同平均厚度膜的微觀圖片。如下圖：

根據(jù)固體摩擦理論，在金屬表面涂上軟的涂層可以起到潤滑作用，充當(dāng)潤滑膜的用。封閉劑（DELTA-SEALGZ）中含有聚四氟乙烯顆粒的潤滑劑，能起到減摩潤滑作用。

當(dāng)涂覆兩層有機(jī)涂層，鋅鋁涂層微觀表面的更加均勻和致密，表面包裹越發(fā)光滑，因此總摩擦系數(shù)自然隨之下降?？傊?，封閉劑涂層越厚，總摩擦系數(shù)就越低。

3.6 封閉劑粘度對總摩擦系數(shù)的影響：

對于涂料施工來說，涂料粘度過高會使施工困難，漆料霧化差、流平性差、表面不平滑等缺陷；涂料粘度過低，會造成流掛，形成不均勻涂膜，起不到涂膜應(yīng)有的保護(hù)作用。

因此，無論是具有減少摩擦系數(shù)的DELTA-SEALGZ，還是增加摩擦系數(shù)的DELTA-SEALRZ，都應(yīng)該其合適的施工粘度范圍，根據(jù)DELTA-MKS的介紹，其發(fā)貨粘度范圍在均在70±5秒（DIN53211粘度杯（3mm），20°C）。

但在實(shí)際操作中，封閉劑粘度受外界環(huán)境溫度影響較大；因此夏天與冬天的有較大的區(qū)別：如DELTA-SEALGZ，夏天工作粘度要求在36-40s（DIN53211粘度杯（3mm），20°C）.而在冬天，工作粘度則規(guī)定在40-44s（DIN53211粘度杯（3mm），20°C）.

同樣地，外界環(huán)境溫度同樣也會影響封閉劑溶劑的揮發(fā)；如在夏天，溶劑揮發(fā)太快：濃度很快升高，在同部位的固體份含量不一致，動會導(dǎo)致外觀時(shí)深時(shí)淺。這種現(xiàn)象尤其會體現(xiàn)在螺紋銳角和棱邊等部位。

根據(jù)目前的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在滿足DELTA-MKS的規(guī)定的粘度條件，涂覆的產(chǎn)品的摩擦系數(shù)不因封閉劑粘度變化而有較大的變化。

4 總結(jié)

通過多組實(shí)際的總摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合對比分析，得出鋅鋁涂層涂覆工藝與總摩擦系數(shù)的關(guān)系：

總摩擦系數(shù)與底涂層種類和特性有密切關(guān)系；
總摩擦系數(shù)與封閉劑種類和特性有最為密切的關(guān)系；封閉劑是表面處理方面影響摩擦系數(shù)的最關(guān)鍵因素；實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)不同需求，選擇不同類型的底涂層和封閉劑組合來達(dá)到所需求的摩擦系數(shù)要求；
在工藝范圍內(nèi)，隨著溫度的遞增，總摩擦系數(shù)將隨之增加；
當(dāng)達(dá)到合適的烘干溫度后，保溫時(shí)間相差不大時(shí)，對摩擦系數(shù)的影響不大；
封閉劑涂層越厚，總摩擦系數(shù)越低；
在規(guī)定的粘度條件，摩擦系數(shù)不因封閉劑粘度變化而有較大的變化。

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