緊固件二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層涂覆技術(shù)研究

萬冰華 林忠亮 王燕芳 張曉斌

（航天精工股份有限公司，天津，300300）

二硫化鉬，分子式為MoS2，是鉬和硫通過共價(jià)鍵結(jié)合形成的六方晶系結(jié)構(gòu)，因其特殊的層狀結(jié)構(gòu)，被譽(yù)為 “高級(jí)固體潤(rùn)滑油王”。在高溫、高負(fù)荷、超低溫、超高真空、強(qiáng)氧化還原、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境條件下具有較好的潤(rùn)滑效果[1]。

將二硫化鉬顆粒、樹脂、固化劑、稀釋劑等物質(zhì)混合配制成干膜潤(rùn)滑劑，通過噴涂或浸涂的方式涂覆于零件表面，并固化形成粘結(jié)于零件表面的潤(rùn)滑涂層，已廣泛用于航空、航天類緊固件產(chǎn)品中[2－4]。干膜潤(rùn)滑劑的應(yīng)用能增加緊固件的潤(rùn)滑性，降低摩擦系數(shù)，改善裝配工藝性能，防止零件在裝配或使用過程中因多次擰入、擰出而發(fā)生與基體金屬相互摩擦、粘結(jié)的現(xiàn)象[5]。

二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑的涂覆技術(shù)對(duì)涂覆產(chǎn)品的物理、化學(xué)、機(jī)械性能以及后期的裝配性能均有很大的影響。本文將總結(jié)國(guó)內(nèi)外的涂覆技術(shù)，并結(jié)合筆者的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，從前處理方式、涂覆方法以及二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層的性能要求等方面進(jìn)行闡述，以期為相關(guān)工作者提供一些借鑒。

1 涂覆前處理工序

涂覆前處理工序主要包括除油以及涂覆前零件的 “活化”。

“除油”是指除去零件生產(chǎn)加工過程中表面沾有的油污，常用的方法主要有堿液脫脂法、乳化脫脂法以及有機(jī)溶劑脫脂法等。評(píng)價(jià)零件表面油污是否清洗干凈的方法是水膜不破檢查，即工件離開清洗水面后，其表面的水膜至少1min呈現(xiàn)出連續(xù)不破的狀態(tài)。

涂覆前零件的 “活化”是為了提高干膜潤(rùn)滑劑涂層與基體零件的附著力， “活化”方式的選擇主要是依據(jù)緊固件的材質(zhì)而定。本文主要對(duì)高溫合金、不銹鋼以及鈦合金、碳鋼和合金鋼等材料的 “活化”方式進(jìn)行總結(jié)。

1.1 高溫合金、不銹鋼

對(duì)于高溫合金、不銹鋼類材料，不同的標(biāo)準(zhǔn)或者客戶的要求是不一樣的，主要有噴砂以及化學(xué)浸蝕等兩種 “活化”方式。

“噴砂”可采用280目或400目氧化鋁進(jìn)行濕噴砂，如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)允許粗糙度超過1.6μm，可以采用120目或220目氧化鋁進(jìn)行干噴砂。高溫合金、不銹鋼材料噴砂后，其表面變得凹凸不平，粗糙度顯著增加，此時(shí)涂覆可以提高基體與涂層的結(jié)合力，延長(zhǎng)耐磨壽命。但需要注意的是，噴砂后的基體需在8h內(nèi)進(jìn)行涂覆，以防基體表面被污染或者發(fā)生腐蝕。

“化學(xué)浸蝕”的原理是通過化學(xué)藥品的腐蝕作用，使基體表面粗化，并形成一層薄膜，以此來提升涂層與基體之間的附著力。關(guān)于化學(xué)浸蝕方法的相關(guān)資料很少，只是從某些報(bào)道里面知曉化學(xué)藥品的主要成分為三氯化鐵以及其它添加劑。由于噴砂的方法存在一定的局限性，如高污染、對(duì)人身體有害、對(duì)于規(guī)格較小或者有深孔的產(chǎn)品處理效果不好等，因此采用化學(xué)浸蝕的方式則成為后期發(fā)展的重點(diǎn)。

1.2 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金已廣泛地應(yīng)用于航空航天緊固件中。常用的鈦及鈦合金前處理方式主要有噴砂、藍(lán)色陽(yáng)極化、磷化和脈沖陽(yáng)極化等。

“噴砂”可采用280或400目氧化鋁進(jìn)行濕噴砂，如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖允許粗糙度超過1.6μm，可以采用120或220目氧化鋁干噴砂。

“藍(lán)色陽(yáng)極化”是指在磷酸溶液中 （磷酸溶液的密度 ρ＝1.68g／ml， 濃度為 100g／L～200g／L），溫度為 20℃～30℃， 電流密度為 1A／dm2～3A／dm2，調(diào)整電壓為 25V，氧化時(shí)間 10min～25min，使產(chǎn)品表面生成一層厚度為2μm～3μm的藍(lán)色氧化膜。

“磷化”是指在含有氟化物和磷酸鹽的溶液中，通過化學(xué)反應(yīng)的方式在鈦合金表面生成一層磷化膜層，以此來提升二硫化鉬涂層與基體的附著力。在國(guó)外公開的資料中主要有美國(guó)航空材料規(guī)范AMS2486《鈦合金磷酸鹽氟化物轉(zhuǎn)化膜》以及發(fā)明專利 《鈦合金緊固件涂覆前磷化處理方法》[6]。二者溶液配方有較大差異，但基本原理均是利用了F離子在酸性條件下腐蝕鈦合金基體，磷酸鹽參與成膜，最終在鈦合金基體表面形成一層磷酸鹽－氟化物膜層。

HB／Z 347《鈦及鈦合金陽(yáng)極氧化工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鈦合金陽(yáng)極氧化作出了詳細(xì)的規(guī)定，分為兩種：堿性陽(yáng)極氧化和酸性陽(yáng)極氧化。堿性陽(yáng)極氧化主要用于防止鈦合金粘結(jié)或作為有機(jī)涂層底層，厚度在 0.5μm～2μm范圍內(nèi)。酸性陽(yáng)極氧化又分為硫酸型陽(yáng)極氧化及磷酸硫酸型陽(yáng)極氧化，硫酸型陽(yáng)極氧化主要用于有機(jī)涂層底層，厚度在0.5μm～2μm范圍內(nèi)，磷酸硫酸型陽(yáng)極氧化主要用于防止鈦合金接觸腐蝕或者提高耐磨性能，厚度在2μm～10μm范圍內(nèi)。

研究人員發(fā)現(xiàn)氧化膜在120倍顯微放大鏡下觀察時(shí)，表面有孔隙，當(dāng)在其表面涂覆一層二硫化鉬膜層時(shí)，由于毛細(xì)現(xiàn)象作用，部分二硫化鉬會(huì)滲入氧化膜的孔隙中，從而增加了二硫化鉬膜層與鈦合金工件的接觸面積，增強(qiáng)了表面的結(jié)合力[7]；在范德華力的作用下，二硫化鉬牢牢黏在鈦合金工件表面，形成一層潤(rùn)滑膜層，提高了工件表面潤(rùn)滑性能，稱為邊界潤(rùn)滑，此時(shí)潤(rùn)滑膜能夠?qū)⒐ぜ佑|面隔離，從而防止工件安裝時(shí)出現(xiàn)黏結(jié)和咬死現(xiàn)象[8]。

然而，由于二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層與鋁合金連接件的電位差仍比較大，鈦及鈦合金材料表面涂覆二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層并不能有效地阻止鈦合金緊固件與鋁合金連接件之間的接觸腐蝕。Hi－shear公司已經(jīng)研發(fā)出 Hi－kote 4自潤(rùn)滑鋁涂層，其潤(rùn)滑性能與二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層相當(dāng)，可以取而代之，并可大幅度降低接觸腐蝕帶來的失效風(fēng)險(xiǎn)。

以上處理方式各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，技術(shù)人員要根據(jù)產(chǎn)品的性能要求以及使用條件選擇合適的處理方式，以達(dá)到生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量雙贏的目的。

1.3 碳鋼、合金鋼

碳鋼、合金鋼材料由于其具有較高的強(qiáng)度和抗拉性，廣泛應(yīng)用于航空航天緊固件中。其常規(guī)的表面處理方式主要為鍍鋅和鍍鎘，然而由于鍍鋅和鍍鎘層的潤(rùn)滑性能有限，在實(shí)際裝配過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)緊澀、咬死現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著主機(jī)的裝配進(jìn)度和質(zhì)量與可靠性。對(duì)于此類問題，完全可以通過采用潤(rùn)滑性能優(yōu)異的二硫化鉬來解決。然而，由于碳鋼、合金鋼的耐蝕性能較差，若直接在其表面涂覆一層二硫化鉬則很難滿足耐蝕性能要求。通常采用的方式是預(yù)先電鍍一層鋅或鎘，然后進(jìn)行磷化，在鍍鋅層或鍍鎘層表面形成一層磷化膜，以提高二硫化鉬與基體的附著力，最后再涂覆一層二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層。通過此工藝方案，可以將鍍鋅或鍍鎘層的防腐性能以及二硫化鉬潤(rùn)滑涂層的潤(rùn)滑性能有機(jī)結(jié)合，以解決實(shí)際裝配和使用問題，滿足高速裝配的前提下保證緊固件裝配質(zhì)量穩(wěn)定性、可靠性要求。

2 涂覆方式

對(duì)于緊固件而言，主要使用兩種方式：浸涂和空氣噴涂。浸涂——將工件浸于涂料中，用過量涂料潤(rùn)濕、沾附、覆蓋表面；空氣噴涂——用壓縮空氣將涂料帶出并霧化，飛向并附著在工件表面。

對(duì)于螺母等具有深孔的產(chǎn)品常用浸涂的方式進(jìn)行涂覆。對(duì)于螺栓、螺釘?shù)染哂袟U部的產(chǎn)品常用噴涂的方式進(jìn)行涂覆。無論是噴涂還是浸涂，現(xiàn)在大多數(shù)為人工操作，因此，操作人員的加工水平以及工藝參數(shù)的合理性等對(duì)涂覆質(zhì)量有很大影響。

2.1 浸涂

浸涂常用的方法是將產(chǎn)品浸泡在涂料中一定的時(shí)間，然后提起瀝干→吹干或甩干→預(yù)固化→再次浸涂→提起瀝干→吹干或甩干→最終固化。產(chǎn)品裝載量、涂料的濃度、浸涂時(shí)間、瀝干時(shí)間、吹干或甩干方式、預(yù)固化溫度和時(shí)間以及浸涂次數(shù)等工藝參數(shù)均對(duì)最終產(chǎn)品的外觀、厚度以及潤(rùn)滑性能有影響。技術(shù)人員應(yīng)通過大量的工藝試驗(yàn)，固化工藝參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

對(duì)于自動(dòng)化浸涂方式，何玉均［5］等人研究了緊固件二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑滾動(dòng)涂覆的工藝，設(shè)計(jì)了一種滾動(dòng)涂覆機(jī)。對(duì)涂覆工藝參數(shù)、二硫化鉬固體含量對(duì)膜層厚度、外觀質(zhì)量的影響作了詳細(xì)說明，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品試加工。結(jié)果表明，采用此自動(dòng)涂覆機(jī)加工的產(chǎn)品外觀、螺紋通止、厚度以及鎖緊性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)效率提高近4倍，但此涂覆機(jī)僅適用于M10以下的螺母，存在一定的局限性。此外，由于二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑在常溫下即能凝結(jié)成塊，很難清洗，因此，自動(dòng)涂覆機(jī)的日常清理和維護(hù)方法仍需要在實(shí)際應(yīng)用中積累經(jīng)驗(yàn)，以維持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 空氣噴涂

空氣噴涂的原理是利用壓縮空氣從空氣帽的中心孔噴出，在涂料噴嘴前端形成負(fù)壓區(qū)，如圖1所示，使涂料容器中的涂料從涂料噴嘴噴出，并迅即進(jìn)入高速壓縮空氣流，使液、氣相急驟擴(kuò)散，涂料被微粒化，涂料呈漆霧狀飛向并附著在被涂物表面，涂料霧粒迅速集聚成連續(xù)的漆膜。

圖1 空氣噴涂噴槍槍頭工作原理

空氣噴涂主要有以下特點(diǎn)。

a） 涂裝效率高：每小時(shí)可噴涂 （50～100）m2，比刷涂快 （8～10）倍。

b）適應(yīng)性強(qiáng)：幾乎不受涂料品種和被涂物狀況的限制，可應(yīng)于各種涂裝作業(yè)場(chǎng)所。

c）漆膜質(zhì)量好：空氣噴涂所獲得的漆膜平整光滑，可達(dá)到最好的裝飾性。

d）漆霧飛散：空氣噴涂時(shí)漆霧易飛散，污染環(huán)境，涂料損耗大，涂料利用率一般為50%左右，甚至更少。

噴涂自動(dòng)化設(shè)備在國(guó)外是一項(xiàng)較成熟的技術(shù)，已經(jīng)有30多年的研究和發(fā)展歷史。國(guó)內(nèi)主要以模仿國(guó)外先進(jìn)設(shè)備為主，并且不少關(guān)鍵噴涂設(shè)備還是以引進(jìn)為主[9]。緊固件因其具有數(shù)量多、規(guī)格小等特點(diǎn)，專用的自動(dòng)噴涂設(shè)備非常少，曹玉滿[9]等在某公司較為成熟的人工手動(dòng)噴涂工作流程的基礎(chǔ)上，通過與該公司工藝人員交流并通過觀察現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，研發(fā)出一臺(tái)自動(dòng)噴涂設(shè)備。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、自動(dòng)噴涂、自動(dòng)下料等工序，且噴涂區(qū)域全密封，對(duì)環(huán)境和操作人員無任何危害，大大提升了緊固件涂覆的生產(chǎn)效率和質(zhì)量與可靠性。

表1 HB7595規(guī)定的鎖緊力矩

3 二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層的性能要求

國(guó)內(nèi)外有關(guān)二硫化鉬干膜潤(rùn)滑涂層性能要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有：化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB6688《熱固化二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑》、美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MILPRF－46010《熱固化防腐型干膜潤(rùn)滑劑》、美國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)航空航天標(biāo)準(zhǔn)AS5272《熱固化防腐型干膜潤(rùn)滑劑采購(gòu)規(guī)范》以及Hi－shear公司的標(biāo)準(zhǔn)Hi－shear292《緊固件系統(tǒng)無石墨型干膜潤(rùn)滑劑涂層》等。

Hi－shear292為緊固件系統(tǒng)無石墨型干膜潤(rùn)滑劑涂層標(biāo)準(zhǔn)，主要性能要求有外觀、厚度、附著力、脆性、耐液性、耐脫漆劑性、耐腐蝕性和耐熱性。HB6688為熱固化二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于鋼、不銹鋼、鋁合金等金屬的摩擦表面，尤其適用于高應(yīng)力滑動(dòng)摩擦零件，也有用于帶鍍層的緊固件，用以降低摩擦、減少磨損，以及防止金屬擦傷和卡咬，主要性能要求有外觀、厚度、附著力、耐腐蝕、耐熱性、耐低溫性、耐液性、耐磨壽命、承載能力。MIL－PRF－46010以及AS5272為美國(guó)航天熱固化耐腐蝕干膜潤(rùn)滑劑采購(gòu)規(guī)范，詳細(xì)描述了對(duì)熱固化干膜潤(rùn)滑劑的性能要求，主要有外觀、厚度、附著力、耐液性、熱穩(wěn)定性、耐磨壽命以及承載能力、鋁腐蝕、亞硫酸鹽霧、鹽霧、固體含量、存放穩(wěn)定性、有機(jī)物含量、毒性，顏色以及禁用材料等性能要求。

以上標(biāo)準(zhǔn)均針對(duì)干膜潤(rùn)滑劑涂料或者涂層需滿足的性能進(jìn)行了規(guī)定，而涉及到緊固件實(shí)際使用時(shí)需滿足的性能要求則在產(chǎn)品技術(shù)條件中進(jìn)行了規(guī)定，如自鎖螺母類較為通用的HB7595《使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母通用規(guī)范》要求自鎖螺母類產(chǎn)品需滿足室溫下15次鎖緊力矩、暴露在最高使用溫度后的室溫下的鎖緊力矩、永久變形等，具體性能要求見表1。

此外，隨著飛行器的使用環(huán)境從內(nèi)陸轉(zhuǎn)移到海洋環(huán)境中，某些緊固件的耐鹽霧性能要求也隨之提高，從之前的中性鹽霧96h到交替中性鹽霧96h，再到200h，甚至達(dá)到500h。然而，就我單位實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)而言，由于此類產(chǎn)品在涂覆干膜潤(rùn)滑劑涂層之前的加工、流轉(zhuǎn)過程中，表面常粘附一些雜質(zhì)，再加上現(xiàn)有二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層的防腐蝕性能并不是很有效，很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。因此就需要技術(shù)人員在涂覆前處理方式、干膜潤(rùn)滑劑類型以及涂覆方式等方面做工藝研究，以期提高干膜潤(rùn)滑劑涂層的耐蝕性能，滿足標(biāo)準(zhǔn)以及客戶使用需求。

4 建議

螺栓、螺母等常用緊固件表面處理方式均要求涂覆二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層，以避免實(shí)際裝配過程中螺栓、螺母之間因螺紋副的摩擦而導(dǎo)致的緊澀和咬死現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑涂層而言，不僅要滿足高負(fù)載、長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑特性的要求，而且還需滿足日益嚴(yán)酷的工作環(huán)境，如高溫、高濕、高耐蝕性等。筆者對(duì)后期發(fā)展方向提出以下幾點(diǎn)建議。

a）對(duì)于不銹鋼、高溫合金類緊固件，研究開發(fā)采用化學(xué)浸蝕的前處理方式取代噴砂，滿足深孔及內(nèi)螺紋產(chǎn)品局部二硫化鉬潤(rùn)滑劑涂層的厚度及附著力要求，以獲得性能更加優(yōu)異的耐鹽霧腐蝕性能以及耐磨性能。

b）對(duì)于鈦合金類緊固件，噴砂前處理方式不適用于沉頭類緊固件，磷化前處理方式膜層附著力較差，難以滿足快速安裝的使用要求，而脈沖陽(yáng)極化前處理方式生產(chǎn)效率低下。因此，急需研究開發(fā)一種生產(chǎn)效率高且膜層附著力優(yōu)異的前處理方式。

c）研究設(shè)計(jì)適用于緊固件產(chǎn)品自動(dòng)涂覆設(shè)備，提升加工效率及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性是涂覆技術(shù)的必然發(fā)展方向。

d）基于海洋腐蝕環(huán)境高耐蝕、長(zhǎng)壽命干膜潤(rùn)滑劑涂料的開發(fā)及涂覆工藝參數(shù)的優(yōu)化，也是適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展的需求，迫在眉睫。

［1］ Meiler,Prestorf M,Geiger M,et al.The use of dry film lubricants in aluminum sheet metal forming ［J］.Wear,2003,255:1455～1462.

［2］鄭友華，李冀生，王美玲.固體潤(rùn)滑涂層的評(píng)價(jià)和使用［J］. 潤(rùn)滑與密封,2003,28（2）.

［3］陳建敏,冶銀平,黨鴻辛.粘結(jié)固體潤(rùn)滑膜及其應(yīng)用［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào),1994,14（2）.

［4］孫榮祿，孫樹文，郭立新，等.固體潤(rùn)滑技術(shù)在空間機(jī)械中的應(yīng)用［J］.宇航材料工藝，1999 （1） .

［5］何玉均，李云川.二硫化鉬滾動(dòng)涂覆工藝研究［J］. 涂裝與電鍍， 2010 （1） .

［6］楊軍，王福新，萬冰華，等.鈦合金緊固件涂覆前磷化處理方法：中國(guó)，ZL 2013 1 0497483.6［P］.2016-03-30.

［7］李錫剛.鈦合金涂覆二硫化鉬膜工藝［J］.電鍍與涂飾，2009，28（5）.

［8］吳曉玲.潤(rùn)滑設(shè)計(jì)手冊(cè) ［M］.北京：化學(xué)工藝出版社，2006.

［9］曹玉滿.航空緊固件自動(dòng)噴涂機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)［D］.重慶：重慶大學(xué)，2013.