激光毛化自润滑耐磨减振金属橡塑缓冲条复合成形技术研究*

□ 朱新宇 □ 张嘉蓓 □ 冒航宇

江苏大学 机械工程学院 江苏镇江 212013

1 研究背景

带式输送机是流水作业生产线中不可缺少的经济型物流输送设备,在矿山、冶金、建材、化工、电力等领域应用广泛。为了保证散状物料的有效输送,需要有耐磨减振的缓冲装置。

传统的缓冲托辊缓冲能力弱，易脱落,与输送带线接触容易造成输送皮带撕裂或磨损，落料口密封不严，物料散落堆积，并且存在环境污染等问题。可见,需要研究自润滑耐磨减振的缓冲装置,确保输送带的安全、可靠、长期运行。

笔者从缓冲条金属骨架表面处理技术、缓冲条金属骨架与橡塑热硫化粘结技术两个方面对激光毛化自润滑耐磨减振金属橡塑缓冲条复合成形技术进行研究,并对未来的发展进行展望。

2 缓冲条金属骨架表面处理技术

2.1 传统缓冲条金属骨架表面处理技术

传统的缓冲条金属骨架表面处理技术，一般是对金属骨架表面进行喷砂处理,在金属骨架表面形成均匀分布的大量不规则凹坑,这样有利于金属表面与涂层的结合[1]。喷砂处理可以去除金属表面的杂质及氧化物[2],在提高金属表面粗糙度质量的同时增强表面活性和吸附能力,使金属表面更易与胶粘剂结合,从而提高金属表面的粘结能力。喷砂处理以工艺简单、效率高、成本低等优点广泛应用于缓冲条的表面处理，但是,在采用喷砂处理去除基材的同时,喷砂会残留在金属表面,对后续的涂层工艺造成不利影响[3]。由于喷砂处理产生的凹坑或凸起形状不规则,因此无法保证粗糙度的均匀性。干喷砂处理在操作过程中存在较大的噪声污染,产生的大量金属粉尘不仅有害身体健康，而且对设备元器件有明显损害。近年来，国内外学者对表面处理技术进行了大量研究,以寻求新的表面处理技术。

2.2 激光毛化缓冲条金属骨架表面处理技术

激光毛化是一种利用高能量、高频率激光脉冲与金属板材发生相互作用,在板材表面形成凹坑或凸台的新兴表面处理技术[4]。高能量、高频率激光作用于金属基材表面,金属基材将吸收的光能转换为热能,进而使材料表面温度升高,出现局部熔化、气化等现象,产生熔池。激光能量转换的热能在熔池周围及内部进行传递，熔池产生横向温度梯度和纵向温度梯度,温度梯度的方向性决定了熔池中金属基材熔化后，熔流从熔池四周向中心聚集还是从熔池中心向四周扩散。激光脉冲作用时间短,脉冲作用后,熔池迅速凝固形成毛化点。若熔流从熔池中心向四周扩散,则熔池会呈现四周凸起而中心凹陷状态,凝固后的毛化点为凹坑状。若熔流从熔池四周向中心聚集,则熔池会呈现中心凸起状态,凝固后的毛化点为凸台状[5]。激光毛化表面处理原理如图1所示。

激光毛化处理过程中，材料表面的局部残余应力集中现象会逐步缓解,金属基材的抗破坏能力有效增强。利用激光毛化技术对金属进行表面处理，其效率远高于其它加工技术[6]。相较于喷砂处理,激光毛化处理后的金属表面粗糙度均匀,涂漆后漆面平整，且激光毛化处理后的金属基材使用寿命也高于喷砂处理后的金属基材[7]。利用激光毛化技术对缓冲条金属表面进行处理,可以使金属的综合力学性能得到改善,金属表面的粗糙度均匀并可以精确控制,涂漆后的金属表面漆面更加平整。因此,激光毛化技术应用于缓冲条表面处理,可以得到高性能的金属骨架,使金属橡塑缓冲条的表面粘结性能大大提高。另一方面，激光毛化属于清洁工艺,环境污染小。

在国外，20世纪80年代,比利时冶金中心研究出激光毛化技术,并开发出世界上第一台二氧化碳激光毛化设备,随后该技术被引入日本和德国[8]。20世纪90年代,日韩企业主要对钇铝石榴子石激光毛化设备进行研究。IBM、希捷、西部数据等美国公司对激光毛化技术进行了理论研究,并分析激光毛化技术工艺参数与金属基体表面几何形貌间的关系[9]。Kuo等[10-11]将激光毛化技术用于制造更高密度的磁盘，以解决现有磁盘表面处理技术不精确、制造成本高等问题。到了21世纪,激光毛化技术更多应用于活塞环,以提高活塞环表面润滑性，进而延长其使用寿命[12]。Saeidi等[13]研究激光毛化表面处理技术对灰口铸铁摩擦性能和寿命的影响,结果表明毛化几何参数，如表面深度、直径、面积分数、毛化方向等会相互协同作用，对灰口铸铁摩擦性能产生影响。Kummel等[14]对激光毛化表面处理后Ti6Al4V合金的摩擦行为进行研究,结果表明填料密度提高5%,Ti6Al4V合金的磨损量可降为1/160。通过能量色散X射线光谱仪和扫描透射电镜对基材进行进一步研究,发现激光毛化处理后的表面形成了马氏体组织。

20世纪90年代,我国开始对激光毛化技术进行研究,主要是钇铝石榴子石激光毛化技术和二氧化碳激光毛化技术。1990年,中科院力学研究所研制出钇铝石榴子石激光毛化装置，可应用于大规模生产钢材[15]。第八个五年计划期间,华中理工大学、武钢和武汉重型机床厂合作研制二氧化碳激光毛化装置。1995年,二氧化碳激光毛化装置成功研制[16]。邓忠民等[17]对激光毛化表面处理的18-8不锈钢疲劳性能进行研究,结果表明毛化覆盖率为20%左右时,材料抗疲劳性能最佳。鄢然等[18]基于随机数算法产生随机频率和随机占空比脉冲宽度调制信号，输出特定波形的激光进行毛化加工,有效解决了毛化点周期性各向异性分布问题,使钢板满足各向同性亚光要求。符永宏等[19]将激光毛化技术应用于切削刀具的表面处理，并与未进行表面处理刀具的切削性能进行对比，研究结果表明,激光毛化处理后的刀具在切削加工过程中摩擦因数减小，切削性能显著提高。三种不同加工件激光毛化处理后的表面形貌如图2所示。缓冲条金属骨架表面经过激光毛化处理，金属基体耐磨损、抗疲劳等力学性能可以显著改善。

3 缓冲条金属骨架与橡塑热硫化粘结技术

粘结指将同种或不同种材料牢固地连接在一起。金属与橡塑材料的复合体具备刚性与弹性,可减小设备的摩擦、噪声、振动等,已广泛应用于汽车、铁路、港口、油田等工业领域[20]。目前,金属与橡塑复合制品采用的粘结技术主要有热熔法与胶粘法两种。相较于胶粘法,热熔法粘结强度更高,但是工艺复杂,不利于生产。因此，目前金属与橡胶的粘结主要采用胶粘法中的热硫化粘结，其基本操作流程为:金属基体表面处理、胶粘剂涂覆、混炼胶片贴合、加压热硫化粘结[21-22]。金属与橡塑制品的热硫化粘结可分为硬质橡胶法、镀黄铜法、粘合剂粘结法。粘合剂粘结法相较于其它几种方法适用性更广泛,得到的制品粘结性能优异,因此被广泛使用。陆波等[23]对粘合剂粘结法进行研究,得出硫化温度在140 ℃时橡胶的拉伸强度和粘合剂的拉伸剪切强度最高。除硫化温度外,硫化的时间也会对粘结性能产生很大影响。孙永国等[20]在硫化温度为150 ℃的条件下,研究得出最佳硫化粘结时间为8～30 min。在进行橡胶金属粘结之前,要分别对金属与橡胶进行表面处理,对于金属基材主要采用机械处理法、化学处理法、阳极氧化法、镀黄铜法、硅烷偶联剂处理法。橡胶的表面处理方法主要包括物理改性和化学改性，前者有等离子体法、超声波法、γ射线法、紫外线法等，后者有表面化学刻蚀、表面接枝等[24-25]。通过优化缓冲条金属骨架与橡塑的热硫化粘结工艺参数,可以在很大程度上改善金属基体与橡胶的粘结性能。

胶粘剂是橡胶与金属复合材料的中间连接界面,有单组、双组，以及溶剂型、水性型之分。热硫化胶粘剂主要分为环氧树脂类、改性酚醛类、硅烷类等。胶粘剂的发展先后经历了硬质橡胶法、镀黄铜法、酚醛树脂法、多异氰酸酯法、卤化橡胶法、含特种硫化剂的卤化聚合物法、水基胶粘剂法等[26-28]。颜录科等[29]研究得出在FM胶粘剂中加入络合物会提高橡胶与金属的粘结强度,而硫化压力对胶粘剂性能的影响则较小。张林军等[30]对橡胶与金属基体热硫化进行研究,发现胶粘剂的酸碱值会对粘结强度产生影响,酸碱值为8.5时比较适宜。实际生产中，还会通过添加防老剂、偶联剂、促进剂等添加剂来提高金属橡塑制品的质量[31]。胶粘剂在缓冲条金属骨架与橡胶的粘结过程中起重要作用,提升胶粘剂的性能，可以在很大程度上提高缓冲条金属骨架与橡胶的粘结强度。

4 缓冲条表面自润滑超高分子量聚乙烯材料

目前,市面上常见的自润滑高分子量材料是聚四氟乙烯。相较于其它高分子量化合物,聚四氟乙烯具有良好的化学稳定性、广泛的使用温度范围、显著的不粘性、突出的自润滑性、优异的电绝缘性、极小的吸水率，以及良好的耐老化性和抗辐射性。聚四氟乙烯的摩擦因数是已知固体中最小的,由此成为机械设备最理想的自润滑材料[32]。当然,聚四氟乙烯本身也存在一些缺陷,如耐磨损性差、硬度低等。对聚四氟乙烯进行表面改性，可以很好地弥补聚四氟乙烯在使用过程中存在的缺陷。聚四氟乙烯的改性方法主要有共混改性、表面改性、 结构改性、填充改性、化学改性等五种[33]。聚四氟乙烯是用作缓冲条自润滑表层的理想材料,对聚四氟乙烯进行恰当改性，可以有效提高缓冲条的自润滑能力，延长其使用寿命。

5 展望

缓冲条引入我国以来,我国缓冲条行业发展迅速,但是主要集中于技术含量较低的普通产品,高附加值、高技术含量、长寿命、安全可靠的缓冲条目前仍然发展滞后,自主生产的产品很少。目前,我国缺乏缓冲条发展规划和相关技术标准,研究成果产业化程度低。我国缓冲条品质高低不一,整体上与国外存在较大差距,直接影响我国输送机械的使用寿命和设备运行的可靠性、安全性,无法满足实际应用需求。激光毛化技术的日益成熟，以及金属与橡塑热硫化粘结工艺的日益完善[34-35],使激光毛化自润滑耐磨减振金属橡塑缓冲条复合成形技术成为可能。这一复合成形技术有利于缓冲条关键共性技术和技术瓶颈实现突破,可以大大提高我国缓冲条产业的系统研发和产业化能力,对加速我国缓冲条及其上下游产业的发展,推动我国相关产品的结构调整起十分重要的作用,有利于提高我国缓冲条产品质量、技术含量和附加值,促进行业的技术发展和产业升级。