钛(tai)合金丝(si)材(cai)润(run)滑涂(tu)层(ceng)涂(tu)覆方(fang)式的(de)研(yan)究及探索

1、 前(qian)言(yan)

由(you)于钛(tai)合金具有高比强度、低密度、优(you)异(yi)的(de)耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性(xing)能以(yi)及生(sheng)物相(xiang)容(rong)性(xing)好(hao)等优(you)点，近(jin)年来(lai)，在航空航天(tian)、生(sheng)物(wu)医(yi)学、石油(you)化工(gong)和(he)交(jiao)通运(yun)输(shu)等(deng)国民生(sheng)产(chan)支柱行业得到(dao)了广泛的(de)应用。其中，用(yong)于(yu)基体结构连(lian)接、复合(he)材(cai)料(liao)铆接的(de)钛(tai)合金紧(jin)固件(jian)因(yin)其(qi)优异(yi)的(de)性(xing)能而导致(zhi)需求量不断(duan)增大，其生(sheng)产方(fang)式(shi)也(ye)在发(fa)生(sheng)着巨大(da)的变(bian)化(hua)。传(chuan)统(tong)的(de)单(dan)件热(re)墩(dun)制的生产方式已(yi)无(wu)法(fa)满足(zu)生产(chan)的(de)需(xu)求，生(sheng)产方(fang)式已逐渐(jian)被快(kuai)速(su)高效的连(lian)续(xu)冷、温墩(dun)制所取代(dai)，首道墩制(zhi)工(gong)序(xu)的(de)生(sheng)产(chan)效率(lv)由 4 ～ 6 件(jian) /min 大(da)幅提高至 80 ～ 120 件(jian) /min。但由于(yu)钛合金(jin)材(cai)料自(zi)身存在(zai)较差(cha)的(de)耐磨性而(er)导致(zhi)其(qi)在紧固件墩(dun)制生产(chan)过(guo)程(cheng)中存(cun)在材(cai)料易(yi)与模(mo)具之(zhi)间发(fa)生(sheng)黏(nian)连的问(wen)题，造成产(chan)品脱模困难(nan)，从而(er)影响(xiang)了(le)紧(jin)固(gu)件墩制生产的连续(xu)性及(ji)生(sheng)产质量(liang)。

经研(yan)究表(biao)明(ming)，对钛合金进(jin)行(xing)表(biao)面(mian)处理并(bing)在(zai)其表面(mian)形(xing)成(cheng)改性涂层(ceng)能有(you)效地(di)提(ti)高钛合金材(cai)料的(de)摩(mo)擦(ca)学(xue)性能，改善(shan)材(cai)料在墩(dun)制过(guo)程中的(de)润(run)滑(hua)问题，解决其墩(dun)制(zhi)生(sheng)产(chan)过程(cheng)中的(de)材(cai)料与(yu)模具之间(jian)的(de)黏(nian)连问(wen)题(ti)，促进生(sheng)产的连续(xu)性(xing)进行。目前国(guo)内(nei)还没有针对(dui)钛合金(jin)丝材相(xiang)关的表面改性涂层(ceng)涂覆(fu)生产设(she)备(bei)的报(bao)道(dao)，而实(shi)际(ji)急(ji)需(xu)研究(jiu)相应的(de)工业(ye)化(hua)连(lian)续性(xing)生产设备，以(yi)满(man)足(zu)当(dang)前(qian) 的高(gao)效墩(dun)制生(sheng)产需求(qiu)。本文针对可盘圆(yuan)的(de)钛合金线(xian)材（φ4 ～φ10mm），研究(jiu)探索(suo)了相(xiang)应的涂层材(cai)料(liao)、涂(tu)覆方式(shi)，最(zui)终(zhong)根据(ju)实际情况(kuang)确定了相(xiang)应(ying)的工业连续化(hua)生产(chan)需(xu)求的涂(tu)覆设备(bei)。

2、 设(she)计分析与研(yan)究(jiu)

2.1 润(run)滑(hua)涂(tu)层材(cai)料的选(xuan)择(ze)

目(mu)前，改(gai)性(xing)钛(tai)合(he)金表面涂(tu)层(ceng)的方(fang)式(shi)主要有三种(zhong)：（1）通过(guo)渗氮工(gong)艺(yi)在(zai)钛合金(jin)表(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)高硬(ying)度耐磨涂(tu)层(ceng)；（2）对钛合金表(biao)面涂(tu)覆自润滑(hua)减摩涂(tu)层(ceng)；（3）通(tong)过(guo)各(ge)类手(shou)段在钛(tai)合金(jin)表面形(xing)成(cheng)耐磨复(fu)合涂(tu)层(ceng)。对比以上三(san)种表面改(gai)性方(fang)式，其中，在钛合金表(biao)面(mian)涂覆自(zi)润滑(hua)减(jian)摩涂层(ceng)的(de)形式最适(shi)合于(yu)工(gong)业(ye)化(hua)的(de)连续性(xing)生(sheng)产(chan)。

二(er)硫化(hua)钼(mu)（MoS₂）被誉为“高(gao)级(ji)固体(ti)润滑油(you)王(wang)”，被(bei)广泛地应(ying)用于(yu)航天领域(yu)。其中，MoS₂ 特(te)殊(shu)的(de)六边形(xing)薄(bao)层(ceng)结构及薄层间(jian)微弱(ruo)的范(fan)德华(hua)力使(shi) MoS₂ 层(ceng)间具有低(di)的剪切(qie)强度(du)，从(cong)

而在(zai)摩擦件滑动(dong)过程(cheng)中易(yi)产生(sheng)低(di)的(de)摩擦(ca)系数(shu)。MoS₂ 层内的 S具有(you)对金(jin)属(shu)很强的粘附(fu)力(li)，使 MoS₂ 能很好(hao)地(di)附(fu)着在金属(shu)表(biao)面(mian)，始终(zhong)发(fa)挥着润滑功(gong)能(neng)。因此，本(ben)文(wen)选择(ze) MoS₂ 作为(wei)润(run)滑涂(tu)层(ceng)材(cai)料。但(dan)由(you)于(yu) MoS₂为(wei)固体(ti)黑色(se)粉(fen)末，无法直(zhi)接(jie)涂覆(fu)于钛(tai)合(he)金丝(si)材(cai)表(biao)面(mian)，因此(ci)，我们(men)以 MoS₂ 为(wei)基体(ti)、酚醛树脂(zhi)为(wei)粘(zhan)结剂(ji)，同时(shi)，混合 MEK 稀释剂(ji)来(lai)配(pei)比相应的(de)涂覆(fu)溶(rong)液(ye)，以(yi)此(ci)作为(wei)后(hou)续对钛合金(jin)表面(mian)润滑(hua)涂(tu)层(ceng)的涂(tu)覆(fu)溶液(ye)。

2.2 润滑(hua)涂层(ceng)涂覆方(fang)式的对(dui)比(bi)及研究

目(mu)前(qian)，针(zhen)对(dui)直条型棒(bang)材的(de)表(biao)面(mian)润滑涂层的涂覆(fu)方(fang)式(shi)主要有(you)胶辊(gun)涂覆(fu)和(he)表面喷涂两种方式，但(dan)未见(jian)其(qi)适(shi)用(yong)于钛合金棒(bang)材及(ji)丝材的报(bao)道。图(tu) 1 为(wei)胶辊涂覆(fu)形(xing)式的示(shi)意(yi)图(tu)和(he)表面喷涂形式(shi)的示(shi)意图(tu)。试验证(zheng)明，将(jiang)这两种(zhong)形式(shi)应用于(yu)钛(tai)合金(jin)丝(si)材(cai)的(de)润(run)滑(hua)涂层涂覆(fu)时(shi)，会(hui)存在(zai)诸多(duo)的问(wen)题(ti)：

（1）丝(si)材(cai)直径较(jiao)小(xiao)，会存在(zai)漏涂问(wen)题，影(ying)响(xiang)后(hou)续墩制(zhi)生(sheng)产(chan)时的润(run)滑效果(guo)；

（2）涂覆溶(rong)液具有(you)较(jiao)好(hao)的流(liu)动(dong)性(xing)，其受重(zhong)力(li)作(zuo)用(yong)下会(hui)在丝材下(xia)表(biao)面(mian)淤(yu)积(ji)，从(cong)而导(dao)致(zhi)涂(tu)层厚(hou)度(du)的均(jun)匀性(xing)不足，严重(zhong)时(shi)导(dao)致(zhi)下(xia)表面(mian)出现结(jie)瘤现(xian)象(xiang)，导致涂层(ceng)表面(mian)质(zhi)量较差(cha)；

（3）喷涂(tu)形式下(xia)，涂覆溶(rong)液的喷(pen)雾(wu)易(yi)在(zai)空(kong)间(jian)中弥散(san)而导(dao)致生产(chan)环(huan)境(jing)恶(e)劣(lie)，同(tong)时(shi)存在(zai)涂(tu)覆(fu)溶剂(ji)利(li)用(yong)率较低(di)、损耗(hao)量(liang)较大等(deng)问(wen)题。

为(wei)了(le)寻求(qiu)更(geng)好的钛(tai)合(he)金丝(si)材(cai)表面润滑(hua)涂(tu)层的涂覆方法(fa)，经(jing)过(guo)大量(liang)的(de)表面(mian)涂覆试(shi)验，最终发(fa)现(xian)钛(tai)合(he)金(jin)丝材(cai)自(zi)然(ran)浸润到具(ju)有一定配(pei)比关(guan)系的涂覆(fu)溶(rong)液(ye)后(hou)，竖(shu)直提(ti)拉取(qu)出并(bing)在竖直方(fang)向(xiang)上进行(xing)固(gu)化时(shi)的(de)涂(tu)层(ceng)具(ju)有(you)较(jiao)好(hao)的(de)均(jun)匀(yun)性，如(ru)图 2 所示(shi)。这是(shi)由于(yu)涂(tu)覆(fu)溶液在竖直方(fang)向(xiang)上同时(shi)受重(zhong)力(li)、液体表面(mian)张力(li)以(yi)及(ji)涂覆溶(rong)液中(zhong)粘(zhan)结(jie)剂对(dui)丝材表面(mian)具(ju)有(you)一(yi)定的(de)黏(nian)结依(yi)附(fu)的共(gong)同(tong)作用的(de)结(jie)果，从(cong)而使涂覆(fu)溶液在(zai)丝材表面(mian)自然均(jun)匀(yun)分(fen)布，此(ci)时(shi)，固(gu)化(hua)后表(biao)面(mian)涂(tu)层较为均匀。其中(zhong)，为了能(neng)对涂覆溶(rong)液进(jin)行(xing)迅速固化，设(she)计(ji)采用(yong)了(le)高效节(jie)能的感应(ying)固(gu)化形式(shi)，使其(qi)表(biao)面的(de)涂覆溶(rong)液在(zai) 200℃左(zuo)右迅(xun)速固(gu)化，有(you)利于(yu)高(gao)效(xiao)的工业(ye)化(hua)生产(chan)过(guo)程。

其中，涂(tu)覆溶液(ye)的(de)配(pei)比对钛(tai)合金丝材(cai)表面润滑涂层的厚度(du)具(ju)有(you)较大的影(ying)响，不同的成(cheng)分(fen)配(pei)比的情(qing)况下(xia)，所(suo)达(da)到(dao)的钛(tai)合(he)金(jin)丝材表(biao)面润(run)滑(hua)涂层的(de)厚度(du)也(ye)不(bu)尽相同(tong)。当(dang) MoS2：酚醛树

脂(zhi)黏结剂：MEK 稀(xi)释剂 =35:65:100 时，此时，润滑(hua)涂层(ceng)厚度(du)约 2 ～ 4um。涂(tu)覆后(hou)钛(tai)合金(jin)丝(si)材(cai)如图 3 所(suo)示。

2.3折(zhe)弯形式(shi)方(fang)案(an)对比(bi)及(ji)研(yan)究(jiu)

丝(si)材的生(sheng)产(chan)多(duo)为(wei)卷(juan)对卷的生产形(xing)式，因此，为保(bao)证钛合金(jin)丝材表面润(run)滑(hua)涂(tu)层涂(tu)覆生产的(de)连(lian)续(xu)性(xing)，设(she)计生产(chan)过程为(wei)一(yi)端(duan)进(jin)行放(fang)线(xian)，另(ling)一端(duan)进行(xing)收(shou)线(xian)，中间(jian)进行(xing)润(run)滑(hua)涂层涂覆(fu)及烘干(gan)生(sheng)产(chan)的(de)形(xing)式(shi)。其(qi)中为(wei)配合浸润式涂覆形(xing)式(shi)的实(shi)施，需将钛(tai)合金丝材进(jin)行(xing)折(zhe)弯(wan)后(hou)在折弯圆(yuan)弧(hu)的(de)竖(shu)直部(bu)位进(jin)行浸(jin)润式(shi)涂(tu)覆(fu)。如(ru)图 4 和(he)图 5 所示(shi)，当折(zhe)弯直(zhi)径为(wei) 1000mm 时(shi)，上折弯(wan)下收(shou)线(xian)的涂层(ceng)涂(tu)覆后(hou)的(de)收(shou)卷行程(cheng)为：3/4 圆(yuan)弧 + 展开(kai)长度(du)≈ 4.1m。下(xia)折弯(wan)上(shang)收线的(de)涂(tu)层(ceng)涂(tu)覆(fu)后(hou)的收(shou)卷(juan)行(xing)程为：1/4 圆弧(hu) + 展(zhan)开(kai)长度≈ 2.1m。由(you)于涂覆后的丝材表面涂层(ceng)还较(jiao)为(wei)脆弱，较短(duan)的行程有利于(yu)实(shi)现较高(gao)的产品质(zhi)量，因此，设(she)计分析(xi)采(cai)用下折(zhe)弯(wan)上收线的形式。

3 、结语

通过(guo)对(dui)润(run)滑涂(tu)层材(cai)料(liao)的(de)选(xuan)择(ze)、涂(tu)覆(fu)方式及折(zhe)弯(wan)形(xing)式的(de)对比研究(jiu)得(de)到(dao)以(yi)下建议(yi)：

由(you) MoS₂ 为主(zhu)体(ti)润(run)滑剂(ji)的(de)配(pei)比溶液(ye)可作(zuo)为(wei)钛合(he)金(jin)丝(si)材的表(biao)面改性涂层。

设计提(ti)出的(de)浸(jin)润式涂(tu)覆(fu)形(xing)式(shi)有(you)利于获(huo)得较为均匀(yun)的(de)表面涂层。

下折(zhe)弯上(shang)收(shou)线(xian)形式有利于(yu)实现较高(gao)质量(liang)的润滑涂(tu)层(ceng)涂(tu)覆(fu)的生(sheng)产(chan)。

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