潤滑耐磨涂層在電子設(shè)備表面的性能比較

南 濤

(中國電子科技集團(tuán)公司 第十研究所，四川 成都 610036)

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潤滑耐磨涂層在電子設(shè)備表面的性能比較

南 濤

(中國電子科技集團(tuán)公司 第十研究所，四川 成都 610036)

電子設(shè)備在裝配與使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)磨損情況。為此，采用潤滑耐磨涂料進(jìn)行涂覆層實驗，對涂層附著力、硬度、表面形貌、耐磨性及耐蝕性進(jìn)行測試，并進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，潤滑耐磨涂料制備的膜層各項性能最優(yōu)，適合于電子設(shè)備表面潤滑耐磨的工藝要求。

潤滑耐磨涂層； 電子設(shè)備； 性能比較

引言

多領(lǐng)域的電子設(shè)備在生產(chǎn)制造及使用的過程中，因其結(jié)構(gòu)尺寸較小、異形類較多，裝配形式復(fù)雜，調(diào)試時間長，使用中抽拔次數(shù)多等因素，造成設(shè)備表面磨損、劃痕等質(zhì)量問題，影響了設(shè)備的防護(hù)能力、使用壽命及裝飾性能。因此，需要尋找一種工藝方法，解決易磨損零件表面的防護(hù)問題。

潤滑耐磨涂料是一種功能涂料，它賦予結(jié)構(gòu)件特殊的力學(xué)功能。涂層的耐磨性是抵抗摩擦、磕碰及侵蝕的一種能力，與涂層的硬度、耐劃傷性及粗糙度等有關(guān)。將潤滑耐磨涂料涂覆于工件表面，可以增加工件之間的潤滑性，減小摩擦力和抗劃傷性，保護(hù)產(chǎn)品的外觀。潤滑耐磨涂料廣泛應(yīng)用于電子裝備，如航天器、飛機(jī)、火箭、車輛及船舶等領(lǐng)域。解決裝備過程中機(jī)械部件(齒輪、滑軌、銷鍵和滑動軸承)摩擦、磨損及疲勞失效等難題，潤滑耐磨功能涂料是新型涂料領(lǐng)域中的核心[1]。

在電子通信設(shè)備中的機(jī)箱、機(jī)架和機(jī)柜等產(chǎn)品中，通常會有模塊與機(jī)架之間、機(jī)箱與導(dǎo)軌之間的抽拔情況。由于機(jī)箱機(jī)架等產(chǎn)品大多用鋁件制作，硬度和耐磨性都比較低，接觸面在不斷地往復(fù)滑動摩擦過程的磨損，很容易產(chǎn)生劃痕。隨著磨損的嚴(yán)重，會帶來整個設(shè)備的維修問題。當(dāng)在互相摩擦的安裝面上涂裝潤滑耐磨涂層，會減少磨損程度、保持外觀良好的裝飾性的同時，增加設(shè)備的使用壽命。

國外研究者多采用復(fù)雜涂層結(jié)構(gòu)，如納米涂料疊層、復(fù)雜的電源思路、激光熱處理技術(shù)、陶瓷堆焊或其它改善基材耐磨性能等較復(fù)雜的處理方法，大多對國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備不太適宜。所以需尋找一種簡便易行的電子設(shè)備耐磨涂層表面防護(hù)工藝技術(shù)。

1 耐磨潤滑膜層

1.1 耐磨膜層工藝方法

為減緩電子設(shè)備表面受磨損的機(jī)率，目前采取的表面防護(hù)工藝技術(shù)有電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜及涂料涂覆等。表1列出不同材質(zhì)的表面處理方法及性能。

表1 各種耐磨潤滑膜層的特點(diǎn)與性能

表面處理方法膜 層膜層性能電鍍/化學(xué)鍍化學(xué)鍍鎳 化學(xué)鍍鎳層硬度高，孔隙率低，結(jié)晶細(xì)致，鍍層均勻，可焊性好，硬度一般為HV300～500，電阻率60～75μΩ·cm，熱導(dǎo)率約5．02W/(m·k)電鍍鉻 耐磨鉻鍍層的δ一般在2μm以上，鉻在大氣中具有鈍化能力，能長期保持光澤，硬度在HV1000左右，其摩擦系數(shù)為0．12～0．14；但鋁合金基體上電鍍鉻的結(jié)合力比較差電化學(xué)氧化硬質(zhì)陽極氧化 硬質(zhì)陽極氧化膜的δ可達(dá)20～300μm，鋁合金上的硬度為HV400～600，硬度高，耐磨性能也好，其上的微孔可吸附潤滑劑進(jìn)一步減磨，熱導(dǎo)率為67kW/(m·k)，耐腐蝕性高微弧氧化 微弧氧化耐磨性好，硬度高，鋁合金上的硬度一般為HV800～2200，中性鹽霧試驗可達(dá)1000h以上涂層方法自潤滑涂層 主要以二硫化鉬、聚四氟乙烯、石墨為潤滑劑的潤滑涂層，涂層使用溫度寬，具有較低的摩擦系數(shù)0．02～0．30之間PVD/CVD涂層 通過化學(xué)或物理氣相沉積技術(shù)在基材表面形成具有良好耐磨性能的薄膜，如氮化鈦，氧化鉻等，形成的涂層薄，硬度高，耐磨性好

1)電鍍、化學(xué)鍍方法。主要是在基材上化學(xué)鍍鎳、電鍍鉻的高硬度鍍層或者具有自潤滑能力的復(fù)合鍍層?；瘜W(xué)鍍鎳是不用外來電源，借氧化還原作用在金屬表面沉積一層致密光亮鎳的方法，其耐蝕性和耐磨性優(yōu)越。

2)電化學(xué)氧化方法。主要是在鋁合金基材上生成具有高硬度的硬質(zhì)陽極氧化膜或微弧氧化膜。這些膜本身具有較高的硬度，經(jīng)過電化學(xué)氧化處理可以使較軟的零件具備較高的耐磨能力。微弧氧化是近幾年發(fā)展起來的表面改性技術(shù)，用其處理鋁表面可以形成十至上百微米的陶瓷氧化層[2]。

3)涂層方法。涂層方法主要是通過熱噴涂、磁控濺射氣相沉積技術(shù)、空氣噴涂或刷涂在基材表面形成具有耐磨及自潤滑涂料的方法，從而使基材具備一定的耐磨能力。PVD/CVD是利用物理過程實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，使某些有特殊性能的微粒噴涂在性能較低的基體上，使基體具有更好的性能。

2.2 潤滑耐磨涂層

根據(jù)電子設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境及后期維護(hù)等特點(diǎn)，單純依靠鍍覆金屬層，一般難以滿足濕熱環(huán)境下整機(jī)的三防性能及耐磨性能設(shè)計要求，需要在基體表面的金屬或非金屬覆蓋層上涂覆有機(jī)涂層。采用鍍層與涂層相結(jié)合的工藝方法，目前國內(nèi)鍍層前處理技術(shù)相對成熟，主要對潤滑耐磨涂料進(jìn)行研究，從而形成相應(yīng)的電子設(shè)備潤滑耐磨工藝技術(shù)。

潤滑耐磨涂料主要由樹脂基料、潤滑劑、耐磨劑、溶劑和助劑等組成[3]。固體潤滑劑是潤滑耐磨涂料的關(guān)鍵成分，是涂料具有較小的摩擦系數(shù)和自潤滑性，包括無機(jī)物(石墨、二硫化鉬)、有機(jī)物(PTFE、尼龍或酞菁化合物)和金屬基料(Cu、Ag或Pb等)[4]。耐磨劑加入涂料中涂膜固化后，耐磨劑大部分微突于涂膜表面，且均勻分布。當(dāng)涂膜承受摩擦?xí)r，耐磨劑部分承受摩擦，以使涂膜免受摩擦，延長了涂膜的使用壽命。一般采用氧化銅粉、石英粉、陶瓷粉及納米SiO2等，在一定程度上提高涂料的機(jī)械強(qiáng)度和表面硬度，改善涂層的耐磨性能。

潤滑耐磨涂料分為金屬型、有機(jī)型和無機(jī)型。按照使用環(huán)境溫度，也分為高溫型和低溫型。針對電子設(shè)備基材類型及耐受溫度低、后期維護(hù)難等特點(diǎn)，主要應(yīng)對于在200℃以下使用的有機(jī)型潤滑耐磨涂料進(jìn)行研究，并形成相關(guān)工藝技術(shù)。

2 實 驗

2.1 工藝實驗

實驗以使用較多的鋁件為樣件，前處理采用噴砂和氧化方式，然后選用國內(nèi)兩種涂料(粘結(jié)固體潤滑涂料和透明潤滑耐磨涂料)用空氣噴涂法進(jìn)行樣件的制備。采用濕碰濕工藝方式，膜層需平整均勻，δ為40μm左右。在樣件制備的過程中，結(jié)合噴涂參數(shù)的選擇，測試幾種涂層施工性的優(yōu)劣。實驗選用現(xiàn)有的氟聚氨酯磁漆與微弧氧化層與潤滑耐磨涂層的各項性能進(jìn)行了比較。

表2 耐磨涂料種類及施工性比較

序號涂層名稱施工性1透明潤滑耐磨涂料成膜速度快，膜層均勻2粘結(jié)固體潤滑涂料易出現(xiàn)縮孔、斑點(diǎn)狀問題3微弧氧化層借助設(shè)備，操作便捷

透明潤滑耐磨涂料屬于氟聚氨酯類改性涂料，在噴涂過程中，成膜速度快，膜層均勻，低溫烘干。而氟聚氨酯磁漆(粘結(jié)固體潤滑涂料)噴涂后易出現(xiàn)縮孔、斑點(diǎn)狀，需多噴兩遍才能將缺陷蓋住，且烘干溫度較高(200℃)，樣件需要多次噴涂制作。在施工過程中發(fā)現(xiàn)粘結(jié)固體潤滑涂料極易堵塞噴槍內(nèi)管道，因其不易溶解于普通溶劑，采用強(qiáng)溶劑也需反復(fù)清洗。

2.2 性能測試

2.2.1 基本性能

由于潤滑耐磨涂料既要滿足常規(guī)防護(hù)涂層的附著力、硬度等指標(biāo)外，也要有較強(qiáng)的耐磨性。因此對涂膜樣件的附著力與硬度進(jìn)行測試。

采用劃圈法(GB/T1720-1989)測試漆膜的附著力。采用涂膜附著力測試儀，把涂膜樣板固定在其測試臺上，在涂膜樣板上劃出重疊的圈，且涂膜測試儀劃針要穿透涂膜達(dá)到樣板基底，然后根據(jù)涂膜的劃圈附近涂層損壞程度并根據(jù)GB/T1720-1989的規(guī)定進(jìn)行評級，測試結(jié)果如表3。結(jié)果表明，涂層與基體鋁材均有較好的附著力。

表3 各種耐磨涂層的漆膜附著力

序號涂層名稱附著力1透明潤滑耐磨涂料2級2粘結(jié)固體潤滑涂料2級3微弧氧化層2級

硬度是根據(jù)GB1730-93漆膜硬度測定法 擺桿阻尼試驗測量原理進(jìn)行測量。接觸涂膜的擺桿以一定周期擺動，涂膜越軟，則擺桿的擺幅衰減越快，以涂膜表面的阻尼時間與玻璃表面的阻尼時間的比值表示。測試結(jié)果如表4所示。

表4 各種耐磨涂層的漆膜硬度與粗糙度

序號涂層名稱硬度/%Ra/μm1透明潤滑耐磨涂料750．12粘結(jié)固體潤滑涂料740．63氟聚氨酯磁漆670．7

粗糙度反映涂層表面平整細(xì)密程度，對于越光滑的表面，其Ra值越低，表4中的Ra值由便攜式粗糙度儀測量。由Ra值可看出，透明潤滑耐磨涂料的粗糙度為其它兩種涂料的1/6～1/7。

圖1顯示的是氟聚氨酯磁漆與透明潤滑耐磨涂層表面形貌，圖像是在3D形貌儀下放大300倍得到。從圖1中可看出，氟聚氨酯磁漆表面較粗糙，有較多的凹凸部分，而透明潤滑耐磨涂層表面平整致密。

圖1 氟聚氨酯磁漆與透明潤滑耐磨涂層表面形貌

耐磨性指標(biāo)是測試涂膜的抗機(jī)械磨損能力，是涂膜內(nèi)聚能與涂膜硬度的綜合體現(xiàn)[5]。生產(chǎn)現(xiàn)場檢測采用落砂法和噴砂法模擬涂層自然磨損。實驗室是利用旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法(GB/T 1768-2005)測定。

利用旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法(GB/T 1768-2005)測定耐磨性。在規(guī)定條件下，用固定在磨耗試驗儀上的橡膠砂輪摩擦漆膜，轉(zhuǎn)臺以60r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時在橡膠砂輪上加上規(guī)定質(zhì)量的砝碼(1kg)。耐磨性是以經(jīng)過規(guī)定次數(shù)(5000r)的摩擦循環(huán)后漆膜的質(zhì)量損耗來表示,在此條件下，耐磨涂料的質(zhì)量損耗應(yīng)小于0.08g。經(jīng)測試涂層的耐磨性指標(biāo)如表5所示。

表5 各種耐磨涂層的耐磨性指標(biāo)

序號涂層名稱m(損耗)/g1透明潤滑涂料0．052粘結(jié)固體潤滑涂料0．063微弧氧化層0．02

2.2.1 環(huán)境適應(yīng)性能

電子設(shè)備按GJB150A要求，需進(jìn)行耐鹽霧、耐濕熱和耐霉菌等試驗。因為涂覆于電子設(shè)備表面的潤滑耐磨涂層，可抵御外界環(huán)境對設(shè)備的腐蝕，驗證潤滑耐磨涂層的各項環(huán)境適應(yīng)性能，考驗其對環(huán)境試驗的耐受力。

對三種涂層樣件按GJB150A作了鹽霧試驗96h，濕熱實驗10天。實驗結(jié)果，樣件外觀完好。同時，進(jìn)行了28天的霉菌試驗，結(jié)果均為1級。見圖2。

圖2 鹽霧、濕熱試驗部分樣件

2.2.2 抽拔試驗

根據(jù)潤滑耐磨涂料在電子設(shè)備表面的使用部位，按設(shè)備結(jié)構(gòu)制作實物樣件，模擬樣件的使用狀態(tài)進(jìn)行抽拔試驗，抽拔次數(shù)按設(shè)備實際使用規(guī)定。測試試樣如圖3所示。

圖3 抽拔試驗樣件

抽拔試驗完畢，觀察樣件內(nèi)互相摩擦的接觸面。涂層均牢固附著，無起層、卷邊及脫落現(xiàn)象。

3 結(jié)果與討論

3.1 施工參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)施工工藝實驗結(jié)果可看出，潤滑耐磨涂料有高溫型和常溫型之分，而電子設(shè)備在實際使用過程中，內(nèi)部會安裝多種元器件，部分非金屬件不耐高溫，同時為利于設(shè)備后期的維護(hù)，優(yōu)選常溫型涂料。

兼顧涂層施工的便捷性，避免出現(xiàn)縮孔、斑點(diǎn)狀等問題，減少返工，以及后期工具清理的徹底性。推薦使用氟聚氨酯類改性的潤滑耐磨涂料。

3.2 厚度設(shè)計

除了部分對裝配精度要求苛刻的部件，需涂覆極薄的涂層外。電子設(shè)備表面使用的耐磨涂層厚度根據(jù)使用要求，分為單層涂層與多層涂層，以使涂層具有相應(yīng)的防腐蝕與耐磨功能。

對于設(shè)備內(nèi)部磨損部位，因其防腐要求較外部低，主要是耐磨要求。在無顏色要求的情況下，涂層δ控制在40～60μm。如果有顏色要求，建議先涂覆一層相應(yīng)顏色的氟聚氨酯磁漆，再進(jìn)行透明潤滑耐磨涂層的涂覆，將δ控制在60～90μm。

對于設(shè)備外部易劃傷、磕碰的部位，因其需要有防腐要求，在進(jìn)行常規(guī)的涂覆后，加涂一道潤滑耐磨涂層。建議涂層總厚度δ控制在90～150μm。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計前處理要求

在平滑的表面進(jìn)行抽拔動作，其摩擦損耗較粗糙表面小。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，摩擦接觸表面的尖角、棱邊及毛刺等是影響涂層耐磨性的重要因素。機(jī)構(gòu)設(shè)計前處理要求流程如圖4所示。按圖4的要求，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，使用精加工的方法保證基材的平整圓潤，要求加工粗糙度不大于Ra3.2。對棱邊部位進(jìn)行倒角或倒圓處理，以消除結(jié)構(gòu)件中尖銳部位帶來的磨損。針對表面的毛刺、接刀痕等問題進(jìn)行噴砂處理。最后進(jìn)行化學(xué)前處理。

圖4 結(jié)構(gòu)設(shè)計前處理要求流程圖

在進(jìn)行噴涂部位設(shè)計時，對插槽、導(dǎo)軌等磨損部位，摩擦接觸面進(jìn)行雙面噴涂耐磨涂層的效果更優(yōu)越。

4 結(jié) 論

1)單一的機(jī)加工方法或涂層難以滿足電子設(shè)備耐磨性要求，需要多種技術(shù)相結(jié)合。從工件的結(jié)構(gòu)開始設(shè)計，結(jié)合機(jī)械加工方法與表面處理方法等綜合技術(shù)來提升電子設(shè)備的耐磨性。

2)選擇防護(hù)性優(yōu)良的氟聚氨酯為基料改性的潤滑耐磨涂料，所得膜層表面平整、光滑、細(xì)密及磨損量小等特征，并具有優(yōu)異的機(jī)械性能及耐環(huán)境適應(yīng)性。

[1] 張學(xué)敏.涂裝工藝學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:9.

[2] 牛宗偉,孫鵬.超聲噴丸稀土預(yù)制膜對鋁合金維護(hù)氧化耐蝕性的影響[J].電鍍與精飾,2015,(12):1-4.

[3] 涂料工藝編委會.涂料工藝[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1997:12.

[4] 余鵬程,劉秀波,陸小龍,等.激光熔覆制備自潤滑耐磨涂層的研究進(jìn)展[J].材料保護(hù),2016,(1)：48-49.

[5] 吉文哲,王守忠.Ni-納米SiC復(fù)合鍍層的制備及其摩擦磨損性能[J].材料保護(hù)，2016,(2):10-13.

Performance Comparison of Wear-resistant and Lubricating Coating applied in Electronic Equipment

NAN Tao

(The 10th Institute of CETC,Chengdu 610036,China)

Wear phenomena often appeared in the using or assembling processes of electronic equipment.In this paper,adhesion,hardness,surface morphology,wear resistance and corrosion resistance of the wear-resistant and lubricating coating were tested and compared by experiments.The results showed that the performances of the prepared wear-resistant and lubricating coating were the optimum and suitable for the surface lubricating and anti-wearing requirements of electronic equipments.

wear-resistant and lubricating coating; electronic equipment; performance comparison

2016-08-25

2016-09-08

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.12.007

TQ630

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