金屬緊固件防護能力提升工藝研究

朱理智，梁元軍

(南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039)

軍用電子裝備中緊固件數量多，如發生腐蝕嚴重影響設備安全和外觀形象。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。

本文通過調研優選了某品牌R型緊固件保護帽，通過設計一系列試驗，考察了保護帽及其聯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、島礁等惡劣環境的緊固件防護要求。達克羅緊固件耐蝕性雖好，但質地軟，反復拆裝鍍層易損[7]。在一些有高強度、耐磨性要求的應用場合，耐蝕性較差的黑化、鍍鋅緊固件依然得到了一定應用。

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

圖1 R型保護帽及其結構設計

但是R型保護帽為聚乙烯材質，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一的偽裝涂覆要求。由于聚乙烯材料極性低，且為結晶型高分子材料，較難與油漆產生牢靠結合，因此需要對涂覆工藝進行研究。

2 試驗部分

2.1 試驗設計

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，由于保護帽通過內卡邊與緊固件過盈配合，反復拆裝可能造成內卡邊受損，配合不牢。因此專門設計實驗，通過對保護帽進行反復拆裝，模擬實際使用過程中保護帽受到的損傷。

為了明顯區分緊固件防護效果優劣，并充分表現保護帽的防護能力，本文選用了耐蝕性較差的42CrMoA材質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)環氧底漆+氟碳面漆。

根據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

試驗緊固件材質為42CrMoA，表面經黑化處理，規格為M16。緊固件安裝后，將保護帽扣壓在安裝螺母的一側，緊固件上預先噴涂緩蝕劑或涂覆密封膠。保護帽裝配次數及聯用防護措施見表3。

表3 保護帽裝配次數及聯用防護措施

2.3 測試內容

測試內容包括兩部分：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；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，連續噴霧500 h。

3 結果與討論

3.1 保護帽涂層涂覆工藝優選

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，但經過溫度試驗后，由于保護帽和油漆的收縮率不一致，產生應力而使得附著力明顯下降。采用打磨+偶聯劑處理的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，說明偶聯劑的使用增強了界面的相互作用。但是聚乙烯是結晶型高分子，僅采用浸涂處理，偶聯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生微觀蝕刻提升表面粗糙度，又能產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生的應力更明顯，從而導致附著力下降明顯。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生的應力就越明顯[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)。而增加了內部聯用防護措施，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，緊固件表面狀態與未試驗的緊固件一致，無腐蝕現象。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用或者密封膠涂覆和保護帽聯用的方式，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 保護帽拆裝次數對扣緊程度的影響

由于保護帽通過內卡邊與緊固件過盈配合，反復拆裝會造成內卡邊受損，因此考察了保護帽拆裝次數對扣緊程度的影響(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，而保護帽的質量約為18 g，即便在10 G加速度作用下其產生1.8 N的力也很難將保護帽脫下。試驗結果表明，R型保護帽與緊固件連接比較牢靠，經過多次拆裝后依然能保持較高的扣緊程度。

圖5 保護帽拆卸次數與扣緊程度的變化

3.4 保護帽及聯用措施工藝性分析

通過操作可達性、安裝速度、拆卸速度、重復裝配性和操作工種等方面，對保護帽及其聯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用或者密封膠涂覆和保護帽聯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 保護帽及聯用措施裝配工藝性評價

3.5 保護帽推薦使用流程

根據試驗結果，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 結語

緊固件是電子裝備中常用的連接用結構件，它的防腐蝕能力與裝備整體的環境適應性息息相關。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型保護帽及其聯用防護措施，與現有的多種緊固件防護手段綜合使用，能滿足不同應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。