表面处理工艺对紧固件摩擦系数的影响?之锌铝涂层涂覆篇

前言

锌铝涂覆因其优异防腐性能和无氢脆的特点广泛应用在汽车、电力、化工、海洋、铁路、桥梁、隧道、造船、国防军事等领域广为应用，图1为锌铝涂层在紧固件上应用图片。

紧固件的摩擦系数是紧固件应用的关键指标，而影响摩擦系数最重要的工艺过程就是紧固件的表面保护工艺。

小编今天就带领大家详细了解锌铝涂层工艺过程对紧固件的摩擦系数的影响。

图1

1、锌铝涂覆工艺解析

首先了解下锌铝涂覆的工艺过程吧。

锌铝涂覆工艺过程：前处理——第一次底涂层涂覆——烘烤烧结——第二次底涂层涂覆——烘烤烧结——第一次封闭剂涂层涂覆——烘烤固化——第二次封闭剂涂层涂覆——烘烤固化——后处理。

具体工艺参数：底涂层涂覆KL100/KL105（温度：18～25℃，工作粘度：37～40s，离心速度，230转/分，离心时间，80s），底涂层烘烤烧结（240℃±5℃*30min）。

封闭剂涂覆DELTA—SEALGZ/DELTA—SEALRZ（离心速度，200转/分离心时间，40s），封闭剂固化（240℃±5℃*30min）。

摩擦系数实验样件：六角头法兰面螺栓，其规格为M10*1.5*65。材料为中碳合金钢，机械性能为8.8级。其主要性能指标要求如下：

(1)外观形貌：直接目视观察图片

(2)微观形貌：

从微观形貌在可以看出，锌铝涂层是一种将超细锌鳞片和铝鳞片叠合包裹在特殊粘结剂中的无机涂层。

一般尺寸为8-25微米的鳞片状锌、铝、专用有机物的高分散混合层。该复合层在240℃左右高温烘烤，并经过约30min保温后，形成覆盖在基材表面非解锌铝高防腐涂层。

2、摩擦系数测试简介

摩擦系数测试采用本案实验采用的是Shatz公司生产的多功能螺栓紧固分析系统，型号为5413-2777试验测试机。

以《ISO16047—紧固件的扭矩/夹紧力测试》为测试标准。该实验测试机可以通过测试分析系统软件程序，可以求得总摩擦系数、螺纹之间的摩擦系数及支承表面摩擦系数。

3、测试结果分析

3.1 不同类型的涂覆结构对总摩擦系数的影响：

根据德国DELTA-MK公司的关于此两种涂层的技术参数，涂覆两遍KL100和两遍KL105的样品（以下简称2*KL100和2*KL105，以下同），其总摩擦系数测试结果对比如下表：

初步结论：在相同的涂覆工艺条件，涂覆两遍底涂层KL100样品的总摩擦系数较涂覆两遍底涂层KL105的总摩擦系数要高33.6%。且涂覆两遍底涂层KL100样品的总摩擦系数实测值散差较大，结果一致性差。

这也体现在德国DELTA-MK公司的涂料工艺说明中，KL100只能作为专用的底涂层，而不能作为面涂层的原因之一吧。

另外，KL105中含有专门的润滑剂，也能起到减摩润滑作用，致使总摩擦系数显著地降低，同时也能保证结果的一致性。

由此可表明，总摩擦系数与底涂层种类和特性有密切关系；应根据不同类型需求，综合遴选出合适的底涂层满足需要。

3.2 不同类型的封闭剂对总摩擦系数的影响：

此试验分别采用了两种底涂层（KL100和KL105）以及两种封闭剂（DELTA-SEALRZ和DELTA-SEALGZ），进行交叉了的试验；其样件总摩擦系数如下表：

初步结论：DELTA-SEALRZ因处理液成中含有特殊增摩剂，导致总摩擦系数显著地增加。

DELTA-SEALGZ处理液中含有聚四氟乙烯颗粒的润滑剂，也能起到减摩润滑作用，致使总摩擦系数显著地降低。

由此可表明，总摩擦系数与封闭剂种类和特性有密切关系；封闭剂是涂覆工艺方面影响总摩擦系数的最关键因素；实际生产中，可根据不同需求，选择不同类型的封闭剂来达到所需求的总摩擦系数要求。

3.3 封闭剂在不同的烘烤温度下对总摩擦系数的影响：

本组试验采用了先涂覆二遍底涂层KL100烘干后，再涂覆两遍封闭剂（DELTA-SEALGZ），测试在不同温度下烘烤DELTA-SEALGZ样品的总摩擦系数，其具体实测值为下表：

其随烘烤温度的变化趋势如下：

初步结论：随着温度递增，总摩擦系数随之增加，具体的测试结果见表一至表四。

表一 180℃烘烤

表二 200℃烘烤

表三 220℃烘烤

表四 240℃烘烤

进一步而言，DELTA-SEALGZ这种环氧树脂型的封闭剂属于烘烤固化型涂料。其树脂中的各基团，它们在常温下足够稳定，但加热到较高温度时，基团之间将快速地发生化学反应使涂膜交联固化。

温度越高，反应速度越快，交联固化也越彻底，整个涂膜干硬更早，但要防止温度过高，而导致涂膜黄变严重。

另外，温度越高，体积小的溶剂分子越容易穿过树脂分子间隙而扩散到涂膜表面，溶剂保留率就要低，整个涂膜干硬更早。

3.4 封闭剂在不同的保温时间对总摩擦系数的影响：

本次试验采用了先涂覆二遍底涂层KL100烘干后，再涂覆两遍封闭剂（DELTA-SEALGZ），测试在同一烘烤温度不同的保温时间下，DELTA-SEALGZ样品的总摩擦系数的变化情况，具体为下表：

240℃/30min

240℃/50min

初步结论：当达到合适的烘干温度后，保温时间相差不大时，对总摩擦系数的影响不大。

在保温阶段，保温时间通常由涂膜化学交联反应所需的固化工艺时间所决定。此时，体积小的溶剂分子已穿过树脂分子间隙而扩散到涂膜表面，溶剂保留率将维持在一定的水平上，整个涂膜干硬度将基本不变。

3.5 封闭剂厚度对总摩擦系数的影响：

本次试验采用了先涂覆二遍底涂层KL100烘干后，再涂覆封闭剂（DELTA-SEALGZ），并固化烘干。比较涂覆一遍和两遍封闭剂样品的总摩擦系数，具体如下表：

根据有机厚度测量方法，可以得到在不同平均厚度膜的微观图片。如下图：

根据固体摩擦理论，在金属表面涂上软的涂层可以起到润滑作用，充当润滑膜的用。封闭剂（DELTA-SEALGZ）中含有聚四氟乙烯颗粒的润滑剂，能起到减摩润滑作用。

当涂覆两层有机涂层，锌铝涂层微观表面的更加均匀和致密，表面包裹越发光滑，因此总摩擦系数自然随之下降。总之，封闭剂涂层越厚，总摩擦系数就越低。

3.6 封闭剂粘度对总摩擦系数的影响：

对于涂料施工来说，涂料粘度过高会使施工困难，漆料雾化差、流平性差、表面不平滑等缺陷；涂料粘度过低，会造成流挂，形成不均匀涂膜，起不到涂膜应有的保护作用。

因此，无论是具有减少摩擦系数的DELTA-SEALGZ，还是增加摩擦系数的DELTA-SEALRZ，都应该其合适的施工粘度范围，根据DELTA-MKS的介绍，其发货粘度范围在均在70±5秒（DIN53211粘度杯（3mm），20°C）。

但在实际操作中，封闭剂粘度受外界环境温度影响较大；因此夏天与冬天的有较大的区别：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，工作粘度则规定在40-44s（DIN53211粘度杯（3mm），20°C）.

同样地，外界环境温度同样也会影响封闭剂溶剂的挥发；如在夏天，溶剂挥发太快：浓度很快升高，在同部位的固体份含量不一致，动会导致外观时深时浅。这种现象尤其会体现在螺纹锐角和棱边等部位。

根据目前的经验和实验数据统计，在满足DELTA-MKS的规定的粘度条件，涂覆的产品的摩擦系数不因封闭剂粘度变化而有较大的变化。

4、总结

通过多组实际的总摩擦系数实验进行综合对比分析，得出锌铝涂层涂覆工艺与总摩擦系数的关系：

来源：GAF螺丝君