锌铝涂层涂覆工艺对螺栓摩擦特性影响的分析
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[摘 要]本文主要具有专利属性的德国DELTA-MKS公司研制的DELTA经典无铬处理液作为研究对象，通过涂覆高强度螺栓进行了多组对比实验，并综合比较分析，得出了涂覆工艺影响总摩擦系数的相关规律。为在涂覆工艺方面控制螺栓总摩擦系数作出了有益的探索。
中图分类号：TG174.44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）18-0325-03
[Abstract]This paper presents the influence treads of the total friction coefficient during the coating processes， based on patented chrome-free coating solutions， which are developed by Delta-MKS company， with coated with high strength bolts，through multiple sets of comparative experiments and a comprehensive comparative analysis. It will be helpful to better control bolts friction coefficient in surface treatment process.
引言：
近年来，锌铝涂层因其优异的综合性能在汽车、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。
一般认为，表面处理种类，以及表面状态是影响螺栓摩擦系数的最主要原因之一。曹增强，林永福等人利用正交方法进行了理论上的论证[1]。陈晓峰等人以达克罗螺栓和镀锌螺栓为例，对比分析了影响二者的摩擦系数和扭矩系数的稳定性的因素[2]。覃雄臻等人通过理论与实验，探讨了镀锌层厚度以及不同铬酸盐处理对摩擦系数和扭矩系数的影响规律[3]。但目前，锌铝涂层涂覆工艺对螺栓摩擦特性影响的分析缺乏详细研究。
l 试验
1.1 主要工艺流程：
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。
1.2 主要工艺参数：
底涂层涂覆KL 100/KL 105（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-SEAL GZ/DELTA-SEAL RZ（离心速度，200转/分离心时间，40s）――封闭剂固化（240℃±5℃*30min）。
1.3 基本涂料技术参数（数据来自于DELTA-MKS公司官网）[4]（表1）：
1.4 实验样件：
本实验样件为国标六角头法兰面螺栓，其规格为M10*1.5*65[5]。材料为中碳合金钢CM435[6]，机械性能为9.8级[7]。样品涂覆后需要满足通用汽车GMW3359[8]的相关标准，其主要性能指标要求如表2：
1.5 外观形貌：
（1）外观形貌：直接目视观察图片（图1）
（2）微观形貌：用显微镜观察图片[8]（图2）
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0.1～0.2*10～15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，如右图3所示。（3）微观形貌：示意图（图3）
2 实验设备
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，如右图4所示。以《ISO16047―紧固件的扭矩/夹紧力测试》[10]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 试验结果与分析
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，设计针对在和测试条件下，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表3，图3：
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中含有专门的剂，也能起到减摩作用，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表4：
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剂，也能起到减摩作用，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，其具体实测值为表5：
其随烘烤温度的变化趋势图如图4：
初步结论：从总摩擦系数―温度图看以看出，随着温度的递增，总摩擦系数将随之增加。具体如表所示：
进一步而言，DELTA-SEAL GZ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[11]。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[12]。
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KL 100烘干后，再涂覆两遍封闭剂（DELTA-SEAL GZ），测试在同一烘烤温度不同的保温时间下，DELTA-SEAL GZ样品的总摩擦系数的变化情况，具体为表6：
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KL 100烘干后，再涂覆封闭剂（DELTA-SEAL GZ），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，具体如表7：
根据有机厚度测量方法，如GB 6462《金属的氧化覆盖层横断面厚度显微镜测量法》，可以得到在不同平均厚度膜的微观图片。如图5：
根据固体摩擦理论，在金属表面涂上软的涂层可以起到作用，充当膜的作用。封闭剂（DELTA-SEAL GZ）中含有聚四氟乙烯颗粒的剂，能起到减摩作用。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 结论
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：
1.总摩擦系数与底涂层种类和特性有密切关系；
2.总摩擦系数与封闭剂种类和特性有最为密切的关系；封闭剂是表面处理方面影响摩擦系数的最关键因素；实际生产中，可根据不同需求，选择不同类型的底涂层和封闭剂组合来达到所需求的摩擦系数要求。
3.在工艺范围内，随着温度的递增，总摩擦系数将随之增加。
4.当达到合适的烘干温度后，保温时间相差不大时，对摩擦系数的影响不大。
5.封闭剂涂层越厚，总摩擦系数越低。
6.在规定的粘度条件，摩擦系数不因封闭剂粘度变化而有较大的变化。
参考文献
[1] 曹增强，林永福螺栓拧紧力矩系数的影响因素研究航空工艺技术1994年第4期.
[2] 陈晓峰，莫易敏，梁绍哲两种螺栓的拧紧特性的分析装备制造技术2014年第9期.
[3] 覃雄臻等表面处理对螺栓拧紧特性的影响分析武汉理工大学学报（信息与管理工程版）2013年8月.
[4] www.doerken-mks.de.
[5] GB/T 16674.1-2004.六角法兰面螺栓.小系列.
[6] JIS G4053-2003 机械构造用合金钢.
[7] GB 3098.1-2010 ISO 898.1 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱.
[8] GMW3359 Non-Electrolytically applied Zinc Rich Coating.
[9] GB 6462-2005 金属和氧化物覆盖层横断面厚度显微镜测量方法.
[10] ISO 16047-2005 紧固件.扭矩夹持力试验
[11] 刘登良主编，涂料工艺，第四版.化学工业出版社，2009年12月，14-15.
[12] 洪啸吟，冯汉保编著涂料化学.科学出版社1997.8.