航天鈦合金螺紋連接用SHH99-75固體潤滑膜制備工藝研究

劉旭升 黃群 劉婭婷 柳絮 任彬 張靜（首都航天機械公司，北京 100076）

航天鈦合金螺紋連接用SHH99-75固體潤滑膜制備工藝研究

劉旭升 黃群 劉婭婷 柳絮 任彬 張靜（首都航天機械公司，北京 100076）

為滿足航天鈦合金螺紋連接件的潤滑要求，采用聚酰胺-亞酰胺、環(huán)氧樹脂復(fù)合粘接體系，研制了SHH99-75型二硫化鉬固體潤滑膜，研究分析了工藝參數(shù)對SHH99-75固體潤滑膜結(jié)合力、潤滑性能的影響規(guī)律，確定了產(chǎn)品最優(yōu)制備工藝參數(shù)。在TB3鈦合金表面制備了SHH99-75涂層，涂層厚度6μm～11μm，測試結(jié)果表明，結(jié)合力達(dá)到0級；在正壓力1000N，轉(zhuǎn)速200rpm情況下，試驗0min～5min的動摩擦系數(shù)可達(dá)0.062。

鈦合金，自鎖螺母，二硫化鉬，減磨涂層

鈦及鈦合金由于具有比強度高、抗腐蝕性能好、耐高溫等一系列優(yōu)點，已成為現(xiàn)代航空、航天工業(yè)中應(yīng)用廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料[1,2]。但是，由于其具有高化學(xué)活性、易粘附等特性，在實際產(chǎn)品應(yīng)用中，常出現(xiàn)螺紋咬死現(xiàn)象。

粘結(jié)型固體潤滑涂層是將一種固體潤滑劑分散于有機或無機粘結(jié)劑體系中，再用類似于油漆的涂裝工藝使其在摩擦部件表面成膜，以達(dá)到減小摩擦與磨損的目的。該涂層具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能、耐候性、耐老化性和防銹防腐性能，已獲得廣泛應(yīng)用，是目前品種最多、應(yīng)用最廣的一類固體潤滑材料[3,4]。

SHH99-75涂層是采用環(huán)氧樹脂、聚酰胺-亞酰胺粘接體系，配比二硫化鉬潤滑劑而制備的一種適用于鈦合金緊固件的固體潤滑涂層。本文對SHH99-75涂層的基體預(yù)處理、涂液組分配比、涂裝方式等條件進(jìn)行了對比試驗，探討各因素對涂層性能的影響，開發(fā)出了鈦合金涂覆SHH99-75涂層工藝。

1 實驗方法

1.1 實驗工藝

試樣采用TB3鈦合金板材和M5自鎖螺母零件，SHH99-75涂層的涂裝工藝流程為：零件驗收→除油→烘干→表面預(yù)處理→烘干→裝掛零件→配制涂液→涂液涂覆→配制、涂覆交替→涂層固化→檢驗→交付。

1.2 實驗方案

為了獲得良好的涂層性能，對SHH99-75涂層的涂覆前基體預(yù)處理、涂液組分配比、涂裝方式進(jìn)行工藝對比試驗，制定了實驗方案，見表1。1.3 SHH99-75涂層性能表征

表1 SHH99-75固體潤滑涂層涂裝工藝方案

厚度：采用顯微鏡法和渦流測厚法檢測涂層厚度。

附著強度：采用劃格法，先用劃格刀橫豎方向在檢測試片上將涂層劃破至基體，形成邊長1mm的小方格，數(shù)量100個，按照GB-T9286-1998（色漆和清漆漆膜的劃格試驗）要求判斷結(jié)合力等級。

摩擦系數(shù)：按照GB12444.2-2006（金屬材料 磨損試驗方法 試環(huán)-試塊滑動磨損試驗）規(guī)定使用MRH-3型高速環(huán)塊式摩擦磨損試驗機進(jìn)行金屬環(huán)形試樣-塊狀試樣磨損試驗，環(huán)試樣采用GCr15材料，硬度HRC58～62，試樣外圈進(jìn)行涂SHH99-75涂層處理，涂層厚度5μm～12μm；塊試樣采用GCr15材料，硬度HRC58～62。正壓力1000N，轉(zhuǎn)速200rpm。按GB12444.2-2006第7.5條要求計算摩擦系數(shù)。

扳擰試驗：選用Q/DY585-2001鈦合金TB3六角自鎖螺母涂覆涂層后，按QJ3079.1-1998（全金屬自鎖螺母）通用規(guī)范要求進(jìn)行扳擰試驗。

鹽霧試驗：按照QJ2027-1990（金屬鍍覆層耐鹽霧試驗方法）規(guī)定進(jìn)行中性鹽霧試驗。將試樣在35℃±2℃，5%NaCl溶液條件下，在鹽霧試驗箱中暴露，并記錄膜層表面狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面預(yù)處理

TB3鈦合金表面預(yù)處理采用干噴砂、酸洗、化學(xué)粗化處理等3種方式進(jìn)行噴涂試驗，試驗結(jié)果見表2。

圖1 合金粗化處理后的劃格試樣

表2 表面預(yù)處理方式對涂層性能的影響

由表2可以看出，鈦合金干噴砂后效果不理想，這主要是因為鈦合金硬度偏低，進(jìn)行干噴砂時，基體形變偏大，當(dāng)涂層厚度很薄時，會導(dǎo)致涂層表面出現(xiàn)粗糙現(xiàn)象。同時，隨著金屬表面被噴射，還會導(dǎo)致鈦合金試片表面產(chǎn)生強化硬層，造成涂層和基體的結(jié)合力下降。

酸洗雖然可以去除零件表面的氧化皮，提高清潔度，形成的膜層也比較光滑，但其對于零件表面粗化作用不明顯，對涂層結(jié)合力的改善作用不明顯。

鈦合金粗化處理既達(dá)到了增大基體與涂層比表面積的作用，又不影響形成涂層表面粗糙度，對于鈦合金試片的處理效果最優(yōu)。

2.2 潤滑劑與粘接劑組分配比

按照潤滑劑與粘接劑的不同質(zhì)量配比進(jìn)行涂覆，涂覆后進(jìn)行性能試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 潤滑劑與粘接劑比例選取試驗試驗結(jié)果

由表3可以看出，隨著粘接劑比例的提高，涂層表面由粉化逐步向光滑轉(zhuǎn)變，耐鹽霧性能提高，但潤滑性能逐步降低，在質(zhì)量比為1∶1至1∶3區(qū)間范圍內(nèi)，對涂層結(jié)合力影響不大。

圖2 潤滑劑與粘接劑不同質(zhì)量配比試驗

2.3 涂裝方式

選用浸涂和噴涂兩種方法，并配以不同的稀釋劑添加體積比進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見表4、表5。

表4 浸涂工藝試驗試驗結(jié)果

表5 噴涂工藝試驗結(jié)果

由表4、5可以看出，隨著稀釋劑體積比的增加，涂層厚度減小，涂液粘度降低。噴涂試樣的涂層厚度稍高于浸涂涂層厚度，甩干工序有助于提高結(jié)合力，噴涂外觀質(zhì)量明顯優(yōu)于浸涂，結(jié)合力等級噴涂、浸涂相當(dāng)。結(jié)合產(chǎn)品的涂層厚度要求，初步擬定稀釋劑添加體積比為1.5。

2.4 產(chǎn)品涂覆工藝的確定

根據(jù)上述試驗結(jié)果，選擇采用先進(jìn)行浸涂、再進(jìn)行噴涂的工藝方法進(jìn)行加工。針對按涂料質(zhì)量比配制完成后出現(xiàn)的輕微表面粉化的問題，擬對涂料配比進(jìn)行微調(diào)。浸涂時，控制潤滑劑與粘接劑比例為1∶1.5，稀釋劑添加體積比1.5，浸涂完成后甩干。噴涂時，控制潤滑劑與粘接劑比例為1∶3。

試驗完成后涂層厚度控制在7μm～12μm，結(jié)合力0級，摩擦系數(shù)0.08，外觀平整、光滑。

圖4 產(chǎn)品截面低倍金相形貌

2.5 產(chǎn)品性能測試

圖3 噴涂完成的鈦合金緊固件

選取鈦合金TB3 M5螺母進(jìn)行涂層綜合性能測試，測試結(jié)果見表6。

3 結(jié)束語

通過進(jìn)行鈦合金表面預(yù)處理研究、涂液組分配比研究、涂裝方式研究，制備了一種適用于鈦合金緊固件的固體潤滑涂層SHH99-75。在涂層厚度6μm～11μm的條件下，動摩擦系數(shù)為0.062～0.09，結(jié)合力為0級，并具備抗溶劑、耐鹽霧、耐濕熱等復(fù)合涂層性能。鈦合金Q/DY585-2001六

表6 鈦合金螺母的SHH99-75涂層性能測試結(jié)果

角自鎖螺母M5自鎖螺母應(yīng)用所研制的SHH99-75涂層后，按照QJ3079.1-1998（全金屬自鎖螺母）通用規(guī)范要求進(jìn)行扳擰試驗，反復(fù)15次不出現(xiàn)螺紋咬死現(xiàn)象，應(yīng)用效果理想，能夠滿足使用要求。

1 王金友, 葛志明. 航空用鈦合金[M]. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1985

2 《中國航空材料手冊》編輯委員會. 中國航空材料手冊[M]. 北京∶ 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2002

3 竺士偉. 固體干膜潤滑劑技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 航天工藝, 2001, (5)∶ 20～25

4 喬紅斌, 郭強. 高分子固體潤滑耐磨涂層研究進(jìn)展[J]. 機械工程材料, 2004, 28(2)∶ 1～3, 23

1009-8119（2016）12（1）-0051-03