金屬緊固件防護能力提升工藝研究

朱理智，梁元軍

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

軍用電子裝備中緊固件數(shù)量多，如發(fā)生腐蝕嚴重影響設(shè)備安全和外觀形象。目前常用的緊固件耐蝕性提升方法有多種，包括耐蝕材料選用、表面處理、額外防護措施等[4-5]。不銹鋼緊固件存在易鎖死的風險，不適用于高強度的應(yīng)用場合；達克羅鍍層耐蝕性好，但容易裝配受損；涂油、涂漆、涂膠保護均能提升防護效果，但不適用于反復(fù)拆裝的場合。受連接強度、裝配要求和制造成本等因素的影響，這些方法無法用于所有的緊固件防護能力提升場合，尤其對于外露的高強非耐蝕緊固件和反復(fù)拆裝的緊固件，需要研究有效的防護措施解決防護問題。

本文通過調(diào)研優(yōu)選了某品牌R型緊固件保護帽，通過設(shè)計一系列試驗，考察了保護帽及其聯(lián)用防護措施對緊固件的防護效果，并確定了保護帽的使用方法，使之能滿足外露非耐蝕緊固件和頻繁拆卸緊固件的防護要求，R型保護帽的應(yīng)用將大大提升緊固件的外觀和防護能力。

1 緊固件常用防護措施

1.1 緊固件耐蝕性提升方法及其存在的問題

緊固件耐蝕性提升方法主要有選用耐蝕材料、表面防護處理、額外防護措施等。

選用耐蝕材料能大大提高緊固件防腐能力。目前不銹鋼緊固件應(yīng)用非常廣泛，但不銹鋼緊固件易鎖死，不適用于高強度要求的應(yīng)用場合，而且高耐蝕不銹鋼成本較高[6]。

常用的緊固件表面處理方式，如氧化、磷化、鍍鋅、鍍鎘等，已無法滿足濕熱、島礁等惡劣環(huán)境的緊固件防護要求。達克羅緊固件耐蝕性雖好，但質(zhì)地軟，反復(fù)拆裝鍍層易損[7]。在一些有高強度、耐磨性要求的應(yīng)用場合，耐蝕性較差的黑化、鍍鋅緊固件依然得到了一定應(yīng)用。

除了選用耐蝕材料和耐蝕表面處理外，目前還采用對緊固件涂油、涂覆油漆、封膠和涂覆緩蝕劑等額外措施進行防護。涂油防護效果一般，需頻繁維護，外觀不佳；油漆保護操作繁瑣，緊固件邊角處漆層容易損傷；封膠保護雖密封性好，但拆裝不便，外觀不佳，使用受限；緩蝕劑防護效果好，但是需頻繁維護，戶外使用時緩蝕劑受雨水沖刷易流失。

常用緊固件耐蝕性提升方法及存在的問題見表1。

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表1 常用緊固件耐蝕性提升方法及存在的問題

1.2 R型保護帽

R型保護帽產(chǎn)品系列豐富，有專門的標準化手冊指導(dǎo)保護帽選用，能滿足M3～M90及不同螺栓長度緊固件的保護要求，外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。其精細的內(nèi)卡邊和密封唇設(shè)計能確保保護帽卡緊和密封，其獨特的空心槽設(shè)計能削弱保護帽內(nèi)的“呼吸作用”，避免吸入大量的腐蝕介質(zhì)。

圖1 R型保護帽及其結(jié)構(gòu)設(shè)計

但是R型保護帽為聚乙烯材質(zhì)，材料耐候性有限，可考慮通過涂覆涂層提升耐候性；并且軍用電子裝備通常有統(tǒng)一的偽裝涂覆要求。由于聚乙烯材料極性低，且為結(jié)晶型高分子材料，較難與油漆產(chǎn)生牢靠結(jié)合，因此需要對涂覆工藝進行研究。

2 試驗部分

2.1 試驗設(shè)計

R型保護帽不僅可以單獨使用作為緊固件的防護手段，還可與涂覆緩蝕劑[8]、密封膠等方式聯(lián)用，對緊固件予以更長效的防護。本文以保護帽單獨使用及其與緩蝕劑、密封膠聯(lián)用作為緊固件防護手段，并通過濕熱試驗和鹽霧試驗，評價其防護效果。

本文研究的是一種可拆式緊固件防護手段，由于保護帽通過內(nèi)卡邊與緊固件過盈配合，反復(fù)拆裝可能造成內(nèi)卡邊受損，配合不牢。因此專門設(shè)計實驗，通過對保護帽進行反復(fù)拆裝，模擬實際使用過程中保護帽受到的損傷。

為了明顯區(qū)分緊固件防護效果優(yōu)劣，并充分表現(xiàn)保護帽的防護能力，本文選用了耐蝕性較差的42CrMoA材質(zhì)黑化處理的緊固件作為試驗材料。

2.2 試樣制備

2.2.1 保護帽油漆涂覆試驗件制備

保護帽表面光滑，為提高涂層附著力，選用了3種前處理方式：1)300目水砂紙打磨粗化；2)300目水砂紙打磨粗化+浸涂偶聯(lián)劑；3)等離子處理。

保護帽的涂層體系如下：1)聚氨酯面漆；2)氟碳面漆；3)環(huán)氧底漆+氟碳面漆。

根據(jù)前處理方式和涂層進行組合制備試驗件(見表2)。保護帽完成涂覆后，扣壓在緊固件上進行測試，保護帽安裝前后示意圖如圖2所示。

表2 保護帽表面處理方式

圖2 保護帽安裝前后示意圖

2.2.2 緊固件保護帽裝配試驗件制備

試驗緊固件材質(zhì)為42CrMoA，表面經(jīng)黑化處理，規(guī)格為M16。緊固件安裝后，將保護帽扣壓在安裝螺母的一側(cè)，緊固件上預(yù)先噴涂緩蝕劑或涂覆密封膠。保護帽裝配次數(shù)及聯(lián)用防護措施見表3。

表3 保護帽裝配次數(shù)及聯(lián)用防護措施

2.3 測試內(nèi)容

測試內(nèi)容包括兩部分：1)測試保護帽與油漆的配套性；2)測試保護帽防護效果。

1)保護帽與油漆的配套性測試，按如下條件連續(xù)完成溫度沖擊和低溫貯存試驗：溫度沖擊，按GJB 150.5A—2009，-55～70 ℃，10個循環(huán)；低溫貯存，按GJB 150.4A—2009，-55 ℃，貯存24 h。

2)保護帽防護效果測試，按如下條件連續(xù)完成交變濕熱和鹽霧試驗：交變濕熱，按GJB 150.9A—2009進行，試驗時間為10個周期；鹽霧試驗，按GJB 150.11A—2009進行，連續(xù)噴霧500 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 保護帽涂層涂覆工藝優(yōu)選

由于R型保護帽表面光滑，表面粗糙度太低，首先考慮采用物理打磨的方式增加油漆結(jié)合面積。保護帽表面涂層在溫度試驗前后的附著力等級如圖3所示，C1～C3初始附著力較好，但經(jīng)過溫度試驗后，由于保護帽和油漆的收縮率不一致，產(chǎn)生應(yīng)力而使得附著力明顯下降。采用打磨+偶聯(lián)劑處理的C4～C6與僅采用打磨處理的C1～C3相比，試驗前和試驗后附著力都有了提升，說明偶聯(lián)劑的使用增強了界面的相互作用。但是聚乙烯是結(jié)晶型高分子，僅采用浸涂處理，偶聯(lián)劑很難滲入到高分子基體中，從而附著力提升效果不明顯。經(jīng)過等離子處理的C7～C9樣品，涂層附著力提升非常明顯。因為等離子處理既能在聚乙烯材料表面產(chǎn)生微觀蝕刻提升表面粗糙度，又能產(chǎn)生極性基團提高相互作用力，從而使得油漆附著力明顯提高[9]。從前處理方式來看，選用等離子處理效果最佳。

圖3 保護帽表面涂層在溫度試驗前后的附著力等級

在涂層選用方面，不同涂層在試驗前后的附著力有一定差別。其中，聚氨酯面漆比氟碳面漆附著力稍好。選用環(huán)氧底漆+氟碳面漆時，由于該體系選用了底漆，試驗前附著力好，但是試驗后附著力下降明顯，可能因為保護帽、底漆和面漆共3層材料，在溫度試驗時因體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力更明顯，從而導(dǎo)致附著力下降明顯。從涂層類型來看，選用聚氨酯面漆較好。

涂層越厚，因基材與涂層膨脹率差異產(chǎn)生的應(yīng)力就越明顯[10]，因此需要考察不同涂層厚度時溫度試驗對涂層附著力的影響，確定合適的涂覆厚度。試驗結(jié)果見表4，當涂層厚度較薄時，試驗后附著力較強；當涂層厚度>80 μm時，試驗后附著力下降明顯，甚至出現(xiàn)開裂；而涂層厚度>120 μm時，涂層甚至翹皮脫離基材表面。為降低溫度應(yīng)力的影響，涂層噴涂30 μm較佳。

表4 不同厚度的涂層在溫度試驗后的附著力

3.2 保護帽及聯(lián)用措施對緊固件的防護效果

緊固件在濕熱和鹽霧試驗后的腐蝕狀況如圖4所示，可以看出黑化緊固件耐蝕性較差，經(jīng)過濕熱和鹽霧試驗后，銹蝕嚴重，表面覆蓋了大量鐵銹(S1)。增加保護帽后，緊固件銹蝕程度明顯降低，僅表面有少量銹點，說明保護帽有效地阻隔濕氣和鹽霧的侵入，顯著降低了緊固件的腐蝕程度(S2)。而增加了內(nèi)部聯(lián)用防護措施，涂覆緩蝕劑(S3)和涂覆密封膠(S4)后，對緊固件的防護效果有了進一步的提升，緊固件表面狀態(tài)與未試驗的緊固件一致，無腐蝕現(xiàn)象。采用保護帽遮蔽，具有顯著的防護效果提升；采用緩蝕劑涂覆和保護帽聯(lián)用或者密封膠涂覆和保護帽聯(lián)用的方式，防護效果非?？煽?。

圖4 緊固件在濕熱和鹽霧試驗后的腐蝕狀況

3.3 保護帽拆裝次數(shù)對扣緊程度的影響

由于保護帽通過內(nèi)卡邊與緊固件過盈配合，反復(fù)拆裝會造成內(nèi)卡邊受損，因此考察了保護帽拆裝次數(shù)對扣緊程度的影響(見圖5)。對M12和M16緊固件上的保護帽的拆卸力分別進行了測試，首次拆卸力分別為25和33 N，隨著拆裝次數(shù)的增加，保護帽的拆卸力不斷降低，當拆裝70次后，保護帽的拆卸力分別降為17和23 N，拆卸力下降率分別為32%和30%。以M16緊固件的保護帽為例，拆裝70次后仍需23 N以上的力才能將保護帽拆下，而保護帽的質(zhì)量約為18 g，即便在10 G加速度作用下其產(chǎn)生1.8 N的力也很難將保護帽脫下。試驗結(jié)果表明，R型保護帽與緊固件連接比較牢靠，經(jīng)過多次拆裝后依然能保持較高的扣緊程度。

圖5 保護帽拆卸次數(shù)與扣緊程度的變化

3.4 保護帽及聯(lián)用措施工藝性分析

通過操作可達性、安裝速度、拆卸速度、重復(fù)裝配性和操作工種等方面，對保護帽及其聯(lián)用防護措施進行工藝性分析評價(見表5)。雖然緩蝕劑涂覆和保護帽聯(lián)用或者密封膠涂覆和保護帽聯(lián)用均有良好的緊固件防護效果，但從工藝性來看，使用緩蝕劑涂覆和保護帽聯(lián)用的防護方式，操作方便快捷，方便緊固件的拆裝，工藝的適用性更好。

表5 保護帽及聯(lián)用措施裝配工藝性評價

3.5 保護帽推薦使用流程

根據(jù)試驗結(jié)果，提出保護帽的典型使用流程建議(見圖6)。按照保護帽典型使用流程，既能滿足緊固件防護要求和緊固件拆裝或維護要求，也能滿足裝備整機涂裝要求。

圖6 保護帽典型使用流程

4 結(jié)語

緊固件是電子裝備中常用的連接用結(jié)構(gòu)件，它的防腐蝕能力與裝備整體的環(huán)境適應(yīng)性息息相關(guān)。通過本文的試驗研究和驗證，確定了R型保護帽的防護效果和使用方法，能大大提升緊固件的防護能力，尤其能滿足外露非耐蝕緊固件和頻繁拆卸緊固件的防護要求。將R型保護帽及其聯(lián)用防護措施，與現(xiàn)有的多種緊固件防護手段綜合使用，能滿足不同應(yīng)用場景和使用要求下緊固件的防護需求，使得軍用電子裝備的腐蝕防護能力得到進一步提升。