鈦合金絲材潤(rùn)滑涂層涂覆方式的研究及探索

1、 前言

由于鈦合金具有高比強(qiáng)度、低密度、優(yōu)異的耐腐蝕性能以及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、石油化工和交通運(yùn)輸?shù)葒?guó)民生產(chǎn)支柱行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。其中，用于基體結(jié)構(gòu)連接、復(fù)合材料鉚接的鈦合金緊固件因其優(yōu)異的性能而導(dǎo)致需求量不斷增大，其生產(chǎn)方式也在發(fā)生著巨大的變化。傳統(tǒng)的單件熱墩制的生產(chǎn)方式已無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求，生產(chǎn)方式已逐漸被快速高效的連續(xù)冷、溫墩制所取代，首道墩制工序的生產(chǎn)效率由 4 ～ 6 件 /min 大幅提高至 80 ～ 120 件 /min。但由于鈦合金材料自身存在較差的耐磨性而導(dǎo)致其在緊固件墩制生產(chǎn)過(guò)程中存在材料易與模具之間發(fā)生黏連的問(wèn)題，造成產(chǎn)品脫模困難，從而影響了緊固件墩制生產(chǎn)的連續(xù)性及生產(chǎn)質(zhì)量。

經(jīng)研究表明，對(duì)鈦合金進(jìn)行表面處理并在其表面形成改性涂層能有效地提高鈦合金材料的摩擦學(xué)性能，改善材料在墩制過(guò)程中的潤(rùn)滑問(wèn)題，解決其墩制生產(chǎn)過(guò)程中的材料與模具之間的黏連問(wèn)題，促進(jìn)生產(chǎn)的連續(xù)性進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有針對(duì)鈦合金絲材相關(guān)的表面改性涂層涂覆生產(chǎn)設(shè)備的報(bào)道，而實(shí)際急需研究相應(yīng)的工業(yè)化連續(xù)性生產(chǎn)設(shè)備，以滿(mǎn)足當(dāng)前 的高效墩制生產(chǎn)需求。本文針對(duì)可盤(pán)圓的鈦合金線(xiàn)材（φ4 ～φ10mm），研究探索了相應(yīng)的涂層材料、涂覆方式，最終根據(jù)實(shí)際情況確定了相應(yīng)的工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)需求的涂覆設(shè)備。

2、 設(shè)計(jì)分析與研究

2.1 潤(rùn)滑涂層材料的選擇

目前，改性鈦合金表面涂層的方式主要有三種：（1）通過(guò)滲氮工藝在鈦合金表面形成高硬度耐磨涂層；（2）對(duì)鈦合金表面涂覆自潤(rùn)滑減摩涂層；（3）通過(guò)各類(lèi)手段在鈦合金表面形成耐磨復(fù)合涂層。對(duì)比以上三種表面改性方式，其中，在鈦合金表面涂覆自潤(rùn)滑減摩涂層的形式最適合于工業(yè)化的連續(xù)性生產(chǎn)。

二硫化鉬（MoS₂）被譽(yù)為“高級(jí)固體潤(rùn)滑油王”，被廣泛地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。其中，MoS₂ 特殊的六邊形薄層結(jié)構(gòu)及薄層間微弱的范德華力使 MoS₂ 層間具有低的剪切強(qiáng)度，從

而在摩擦件滑動(dòng)過(guò)程中易產(chǎn)生低的摩擦系數(shù)。MoS₂ 層內(nèi)的 S具有對(duì)金屬很強(qiáng)的粘附力，使 MoS₂ 能很好地附著在金屬表面，始終發(fā)揮著潤(rùn)滑功能。因此，本文選擇 MoS₂ 作為潤(rùn)滑涂層材料。但由于 MoS₂為固體黑色粉末，無(wú)法直接涂覆于鈦合金絲材表面，因此，我們以 MoS₂ 為基體、酚醛樹(shù)脂為粘結(jié)劑，同時(shí)，混合 MEK 稀釋劑來(lái)配比相應(yīng)的涂覆溶液，以此作為后續(xù)對(duì)鈦合金表面潤(rùn)滑涂層的涂覆溶液。

2.2 潤(rùn)滑涂層涂覆方式的對(duì)比及研究

目前，針對(duì)直條型棒材的表面潤(rùn)滑涂層的涂覆方式主要有膠輥涂覆和表面噴涂?jī)煞N方式，但未見(jiàn)其適用于鈦合金棒材及絲材的報(bào)道。圖 1 為膠輥涂覆形式的示意圖和表面噴涂形式的示意圖。試驗(yàn)證明，將這兩種形式應(yīng)用于鈦合金絲材的潤(rùn)滑涂層涂覆時(shí)，會(huì)存在諸多的問(wèn)題：

（1）絲材直徑較小，會(huì)存在漏涂問(wèn)題，影響后續(xù)墩制生產(chǎn)時(shí)的潤(rùn)滑效果；

（2）涂覆溶液具有較好的流動(dòng)性，其受重力作用下會(huì)在絲材下表面淤積，從而導(dǎo)致涂層厚度的均勻性不足，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致下表面出現(xiàn)結(jié)瘤現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層表面質(zhì)量較差；

（3）噴涂形式下，涂覆溶液的噴霧易在空間中彌散而導(dǎo)致生產(chǎn)環(huán)境惡劣，同時(shí)存在涂覆溶劑利用率較低、損耗量較大等問(wèn)題。

為了尋求更好的鈦合金絲材表面潤(rùn)滑涂層的涂覆方法，經(jīng)過(guò)大量的表面涂覆試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)鈦合金絲材自然浸潤(rùn)到具有一定配比關(guān)系的涂覆溶液后，豎直提拉取出并在豎直方向上進(jìn)行固化時(shí)的涂層具有較好的均勻性，如圖 2 所示。這是由于涂覆溶液在豎直方向上同時(shí)受重力、液體表面張力以及涂覆溶液中粘結(jié)劑對(duì)絲材表面具有一定的黏結(jié)依附的共同作用的結(jié)果，從而使涂覆溶液在絲材表面自然均勻分布，此時(shí)，固化后表面涂層較為均勻。其中，為了能對(duì)涂覆溶液進(jìn)行迅速固化，設(shè)計(jì)采用了高效節(jié)能的感應(yīng)固化形式，使其表面的涂覆溶液在 200℃左右迅速固化，有利于高效的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程。

其中，涂覆溶液的配比對(duì)鈦合金絲材表面潤(rùn)滑涂層的厚度具有較大的影響，不同的成分配比的情況下，所達(dá)到的鈦合金絲材表面潤(rùn)滑涂層的厚度也不盡相同。當(dāng) MoS2：酚醛樹(shù)

脂黏結(jié)劑：MEK 稀釋劑 =35:65:100 時(shí)，此時(shí)，潤(rùn)滑涂層厚度約 2 ～ 4um。涂覆后鈦合金絲材如圖 3 所示。

2.3折彎形式方案對(duì)比及研究

絲材的生產(chǎn)多為卷對(duì)卷的生產(chǎn)形式，因此，為保證鈦合金絲材表面潤(rùn)滑涂層涂覆生產(chǎn)的連續(xù)性，設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程為一端進(jìn)行放線(xiàn)，另一端進(jìn)行收線(xiàn)，中間進(jìn)行潤(rùn)滑涂層涂覆及烘干生產(chǎn)的形式。其中為配合浸潤(rùn)式涂覆形式的實(shí)施，需將鈦合金絲材進(jìn)行折彎后在折彎圓弧的豎直部位進(jìn)行浸潤(rùn)式涂覆。如圖 4 和圖 5 所示，當(dāng)折彎直徑為 1000mm 時(shí)，上折彎下收線(xiàn)的涂層涂覆后的收卷行程為：3/4 圓弧 + 展開(kāi)長(zhǎng)度≈ 4.1m。下折彎上收線(xiàn)的涂層涂覆后的收卷行程為：1/4 圓弧 + 展開(kāi)長(zhǎng)度≈ 2.1m。由于涂覆后的絲材表面涂層還較為脆弱，較短的行程有利于實(shí)現(xiàn)較高的產(chǎn)品質(zhì)量，因此，設(shè)計(jì)分析采用下折彎上收線(xiàn)的形式。

3 、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑涂層材料的選擇、涂覆方式及折彎形式的對(duì)比研究得到以下建議：

由 MoS₂ 為主體潤(rùn)滑劑的配比溶液可作為鈦合金絲材的表面改性涂層。

設(shè)計(jì)提出的浸潤(rùn)式涂覆形式有利于獲得較為均勻的表面涂層。

下折彎上收線(xiàn)形式有利于實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的潤(rùn)滑涂層涂覆的生產(chǎn)。

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