鈦合金絲材表面涂覆設備研制

張磊1，張嘉1，賈慶功1，馬樂1，李揚揚2，張弛2

（1.西部超導材料科技股份有限公司；2.西安聚能裝備技術有限公司，陜西 西安 710018）

1 前言

由于鈦合金具有高比強度、低密度、優異的耐腐蝕性能以及生物相容性好等優點，近年來，在航空航天、生物醫學、石油化工和交通運輸等國民生產支柱行業得到了廣泛的應用。其中，用于基體結構連接、復合材料鉚接的鈦合金緊固件因其優異的性能而導致需求量不斷增大，其生產方式也在發生著巨大的變化。傳統的單件熱墩制的生產方式已無法滿足生產的需求，生產方式已逐漸被快速高效的連續冷、溫墩制所取代，首道墩制工序的生產效率由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致其在緊固件墩制生產過程中存在材料易與模具之間發生黏連的問題，造成產品脫模困難，從而影響了緊固件墩制生產的連續性及生產質量。

經研究表明，對鈦合金進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性能，改善材料在墩制過程中的潤滑問題，解決其墩制生產過程中的材料與模具之間的黏連問題，促進生產的連續性進行。目前國內還沒有針對鈦合金絲材相關的表面改性涂層涂覆生產設備的報道，而實際急需研究相應的工業化連續性生產設備，以滿足當前的高效墩制生產需求。本文針對可盤圓的鈦合金線材（φ4～φ10mm），研究探索了相應的涂層材料、涂覆方式，最終根據實際情況確定了相應的工業連續化生產需求的涂覆設備。

2 設計分析與研究

2.1 潤滑涂層材料的選擇

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

二硫化鉬（MoS2）被譽為“高級固體潤滑油王”，被廣泛地應用于航天領域。其中，MoS2 特殊的六邊形薄層結構及薄層間微弱的范德華力使MoS2 層間具有低的剪切強度，從而在摩擦件滑動過程中易產生低的摩擦系數。MoS2 層內的S具有對金屬很強的粘附力，使MoS2 能很好地附著在金屬表面，始終發揮著潤滑功能。因此，本文選擇MoS2 作為潤滑涂層材料。但由于MoS2 為固體黑色粉末，無法直接涂覆于鈦合金絲材表面，因此，我們以MoS2 為基體、酚醛樹脂為粘結劑，同時，混合MEK 稀釋劑來配比相應的涂覆溶液，以此作為后續對鈦合金表面潤滑涂層的涂覆溶液。

2.2 潤滑涂層涂覆方式的對比及研究

目前，針對直條型棒材的表面潤滑涂層的涂覆方式主要有膠輥涂覆和表面噴涂兩種方式，但未見其適用于鈦合金棒材及絲材的報道。圖1 為膠輥涂覆形式的示意圖和表面噴涂形式的示意圖。試驗證明，將這兩種形式應用于鈦合金絲材的潤滑涂層涂覆時，會存在諸多的問題：

（1）絲材直徑較小，會存在漏涂問題，影響后續墩制生產時的潤滑效果；

（2）涂覆溶液具有較好的流動性，其受重力作用下會在絲材下表面淤積，從而導致涂層厚度的均勻性不足，嚴重時導致下表面出現結瘤現象，導致涂層表面質量較差；

（3）噴涂形式下，涂覆溶液的噴霧易在空間中彌散而導致生產環境惡劣，同時存在涂覆溶劑利用率較低、損耗量較大等問題。

圖1 涂覆形式示意圖

為了尋求更好的鈦合金絲材表面潤滑涂層的涂覆方法，經過大量的表面涂覆試驗，最終發現鈦合金絲材自然浸潤到具有一定配比關系的涂覆溶液后，豎直提拉取出并在豎直方向上進行固化時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受重力、液體表面張力以及涂覆溶液中粘結劑對絲材表面具有一定的黏結依附的共同作用的結果，從而使涂覆溶液在絲材表面自然均勻分布，此時，固化后表面涂層較為均勻。其中，為了能對涂覆溶液進行迅速固化，設計采用了高效節能的感應固化形式，使其表面的涂覆溶液在200℃左右迅速固化，有利于高效的工業化生產過程。

其中，涂覆溶液的配比對鈦合金絲材表面潤滑涂層的厚度具有較大的影響，不同的成分配比的情況下，所達到的鈦合金絲材表面潤滑涂層的厚度也不盡相同。當MoS2：酚醛樹脂黏結劑：MEK 稀釋劑=35:65:100 時，此時，潤滑涂層厚度約2～4um。涂覆后鈦合金絲材如圖3 所示。

圖2 浸潤式涂覆形式示意圖

圖3 鈦合金絲材表面涂覆后效果圖

圖4 上折彎下收線方案示意圖

2.3 折彎形式方案對比及研究

絲材的生產多為卷對卷的生產形式，因此，為保證鈦合金絲材表面潤滑涂層涂覆生產的連續性，設計生產過程為一端進行放線，另一端進行收線，中間進行潤滑涂層涂覆及烘干生產的形式。其中為配合浸潤式涂覆形式的實施，需將鈦合金絲材進行折彎后在折彎圓弧的豎直部位進行浸潤式涂覆。如圖4 和圖5 所示，當折彎直徑為1000mm 時，上折彎下收線的涂層涂覆后的收卷行程為：3/4 圓弧+展開長度≈4.1m。下折彎上收線的涂層涂覆后的收卷行程為：1/4 圓弧+展開長度≈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現較高的產品質量，因此，設計分析采用下折彎上收線的形式。

圖5 下折彎上收線方案示意圖

3 結語

通過對潤滑涂層材料的選擇、涂覆方式及折彎形式的對比研究得到以下建議：

由MoS2 為主體潤滑劑的配比溶液可作為鈦合金絲材的表面改性涂層。

設計提出的浸潤式涂覆形式有利于獲得較為均勻的表面涂層。

下折彎上收線形式有利于實現較高質量的潤滑涂層涂覆的生產。