□ 朱新宇 □ 張嘉蓓 □ 冒航宇

江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

1 研究背景

帶式輸送機(jī)是流水作業(yè)生產(chǎn)線中不可缺少的經(jīng)濟(jì)型物流輸送設(shè)備,在礦山、冶金、建材、化工、電力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為了保證散狀物料的有效輸送,需要有耐磨減振的緩沖裝置。

傳統(tǒng)的緩沖托輥緩沖能力弱，易脫落,與輸送帶線接觸容易造成輸送皮帶撕裂或磨損，落料口密封不嚴(yán)，物料散落堆積，并且存在環(huán)境污染等問(wèn)題?？梢?jiàn),需要研究自潤(rùn)滑耐磨減振的緩沖裝置,確保輸送帶的安全、可靠、長(zhǎng)期運(yùn)行。

筆者從緩沖條金屬骨架表面處理技術(shù)、緩沖條金屬骨架與橡塑熱硫化粘結(jié)技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)激光毛化自潤(rùn)滑耐磨減振金屬橡塑緩沖條復(fù)合成形技術(shù)進(jìn)行研究,并對(duì)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行展望。

2 緩沖條金屬骨架表面處理技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)緩沖條金屬骨架表面處理技術(shù)

傳統(tǒng)的緩沖條金屬骨架表面處理技術(shù)，一般是對(duì)金屬骨架表面進(jìn)行噴砂處理,在金屬骨架表面形成均勻分布的大量不規(guī)則凹坑,這樣有利于金屬表面與涂層的結(jié)合[1]。噴砂處理可以去除金屬表面的雜質(zhì)及氧化物[2],在提高金屬表面粗糙度質(zhì)量的同時(shí)增強(qiáng)表面活性和吸附能力,使金屬表面更易與膠粘劑結(jié)合,從而提高金屬表面的粘結(jié)能力。噴砂處理以工藝簡(jiǎn)單、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于緩沖條的表面處理，但是,在采用噴砂處理去除基材的同時(shí),噴砂會(huì)殘留在金屬表面,對(duì)后續(xù)的涂層工藝造成不利影響[3]。由于噴砂處理產(chǎn)生的凹坑或凸起形狀不規(guī)則,因此無(wú)法保證粗糙度的均勻性。干噴砂處理在操作過(guò)程中存在較大的噪聲污染,產(chǎn)生的大量金屬粉塵不僅有害身體健康，而且對(duì)設(shè)備元器件有明顯損害。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)表面處理技術(shù)進(jìn)行了大量研究,以尋求新的表面處理技術(shù)。

2.2 激光毛化緩沖條金屬骨架表面處理技術(shù)

激光毛化是一種利用高能量、高頻率激光脈沖與金屬板材發(fā)生相互作用,在板材表面形成凹坑或凸臺(tái)的新興表面處理技術(shù)[4]。高能量、高頻率激光作用于金屬基材表面,金屬基材將吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能,進(jìn)而使材料表面溫度升高,出現(xiàn)局部熔化、氣化等現(xiàn)象,產(chǎn)生熔池。激光能量轉(zhuǎn)換的熱能在熔池周圍及內(nèi)部進(jìn)行傳遞，熔池產(chǎn)生橫向溫度梯度和縱向溫度梯度,溫度梯度的方向性決定了熔池中金屬基材熔化后，熔流從熔池四周向中心聚集還是從熔池中心向四周擴(kuò)散。激光脈沖作用時(shí)間短,脈沖作用后,熔池迅速凝固形成毛化點(diǎn)。若熔流從熔池中心向四周擴(kuò)散,則熔池會(huì)呈現(xiàn)四周凸起而中心凹陷狀態(tài),凝固后的毛化點(diǎn)為凹坑狀。若熔流從熔池四周向中心聚集,則熔池會(huì)呈現(xiàn)中心凸起狀態(tài),凝固后的毛化點(diǎn)為凸臺(tái)狀[5]。激光毛化表面處理原理如圖1所示。

激光毛化處理過(guò)程中，材料表面的局部殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)逐步緩解,金屬基材的抗破壞能力有效增強(qiáng)。利用激光毛化技術(shù)對(duì)金屬進(jìn)行表面處理，其效率遠(yuǎn)高于其它加工技術(shù)[6]。相較于噴砂處理,激光毛化處理后的金屬表面粗糙度均勻,涂漆后漆面平整，且激光毛化處理后的金屬基材使用壽命也高于噴砂處理后的金屬基材[7]。利用激光毛化技術(shù)對(duì)緩沖條金屬表面進(jìn)行處理,可以使金屬的綜合力學(xué)性能得到改善,金屬表面的粗糙度均勻并可以精確控制,涂漆后的金屬表面漆面更加平整。因此,激光毛化技術(shù)應(yīng)用于緩沖條表面處理,可以得到高性能的金屬骨架,使金屬橡塑緩沖條的表面粘結(jié)性能大大提高。另一方面，激光毛化屬于清潔工藝,環(huán)境污染小。

在國(guó)外，20世紀(jì)80年代,比利時(shí)冶金中心研究出激光毛化技術(shù),并開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)二氧化碳激光毛化設(shè)備,隨后該技術(shù)被引入日本和德國(guó)[8]。20世紀(jì)90年代,日韓企業(yè)主要對(duì)釔鋁石榴子石激光毛化設(shè)備進(jìn)行研究。IBM、希捷、西部數(shù)據(jù)等美國(guó)公司對(duì)激光毛化技術(shù)進(jìn)行了理論研究,并分析激光毛化技術(shù)工藝參數(shù)與金屬基體表面幾何形貌間的關(guān)系[9]。Kuo等[10-11]將激光毛化技術(shù)用于制造更高密度的磁盤(pán)，以解決現(xiàn)有磁盤(pán)表面處理技術(shù)不精確、制造成本高等問(wèn)題。到了21世紀(jì),激光毛化技術(shù)更多應(yīng)用于活塞環(huán),以提高活塞環(huán)表面潤(rùn)滑性，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命[12]。Saeidi等[13]研究激光毛化表面處理技術(shù)對(duì)灰口鑄鐵摩擦性能和壽命的影響,結(jié)果表明毛化幾何參數(shù)，如表面深度、直徑、面積分?jǐn)?shù)、毛化方向等會(huì)相互協(xié)同作用，對(duì)灰口鑄鐵摩擦性能產(chǎn)生影響。Kummel等[14]對(duì)激光毛化表面處理后Ti6Al4V合金的摩擦行為進(jìn)行研究,結(jié)果表明填料密度提高5%,Ti6Al4V合金的磨損量可降為1/160。通過(guò)能量色散X射線光譜儀和掃描透射電鏡對(duì)基材進(jìn)行進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)激光毛化處理后的表面形成了馬氏體組織。

20世紀(jì)90年代,我國(guó)開(kāi)始對(duì)激光毛化技術(shù)進(jìn)行研究,主要是釔鋁石榴子石激光毛化技術(shù)和二氧化碳激光毛化技術(shù)。1990年,中科院力學(xué)研究所研制出釔鋁石榴子石激光毛化裝置，可應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)鋼材[15]。第八個(gè)五年計(jì)劃期間,華中理工大學(xué)、武鋼和武漢重型機(jī)床廠合作研制二氧化碳激光毛化裝置。1995年,二氧化碳激光毛化裝置成功研制[16]。鄧忠民等[17]對(duì)激光毛化表面處理的18-8不銹鋼疲勞性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明毛化覆蓋率為20%左右時(shí),材料抗疲勞性能最佳。鄢然等[18]基于隨機(jī)數(shù)算法產(chǎn)生隨機(jī)頻率和隨機(jī)占空比脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，輸出特定波形的激光進(jìn)行毛化加工,有效解決了毛化點(diǎn)周期性各向異性分布問(wèn)題,使鋼板滿足各向同性亞光要求。符永宏等[19]將激光毛化技術(shù)應(yīng)用于切削刀具的表面處理，并與未進(jìn)行表面處理刀具的切削性能進(jìn)行對(duì)比，研究結(jié)果表明,激光毛化處理后的刀具在切削加工過(guò)程中摩擦因數(shù)減小，切削性能顯著提高。三種不同加工件激光毛化處理后的表面形貌如圖2所示。緩沖條金屬骨架表面經(jīng)過(guò)激光毛化處理，金屬基體耐磨損、抗疲勞等力學(xué)性能可以顯著改善。

3 緩沖條金屬骨架與橡塑熱硫化粘結(jié)技術(shù)

粘結(jié)指將同種或不同種材料牢固地連接在一起。金屬與橡塑材料的復(fù)合體具備剛性與彈性,可減小設(shè)備的摩擦、噪聲、振動(dòng)等,已廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路、港口、油田等工業(yè)領(lǐng)域[20]。目前,金屬與橡塑復(fù)合制品采用的粘結(jié)技術(shù)主要有熱熔法與膠粘法兩種。相較于膠粘法,熱熔法粘結(jié)強(qiáng)度更高,但是工藝復(fù)雜,不利于生產(chǎn)。因此，目前金屬與橡膠的粘結(jié)主要采用膠粘法中的熱硫化粘結(jié)，其基本操作流程為:金屬基體表面處理、膠粘劑涂覆、混煉膠片貼合、加壓熱硫化粘結(jié)[21-22]。金屬與橡塑制品的熱硫化粘結(jié)可分為硬質(zhì)橡膠法、鍍黃銅法、粘合劑粘結(jié)法。粘合劑粘結(jié)法相較于其它幾種方法適用性更廣泛,得到的制品粘結(jié)性能優(yōu)異,因此被廣泛使用。陸波等[23]對(duì)粘合劑粘結(jié)法進(jìn)行研究,得出硫化溫度在140 ℃時(shí)橡膠的拉伸強(qiáng)度和粘合劑的拉伸剪切強(qiáng)度最高。除硫化溫度外,硫化的時(shí)間也會(huì)對(duì)粘結(jié)性能產(chǎn)生很大影響。孫永國(guó)等[20]在硫化溫度為150 ℃的條件下,研究得出最佳硫化粘結(jié)時(shí)間為8～30 min。在進(jìn)行橡膠金屬粘結(jié)之前,要分別對(duì)金屬與橡膠進(jìn)行表面處理,對(duì)于金屬基材主要采用機(jī)械處理法、化學(xué)處理法、陽(yáng)極氧化法、鍍黃銅法、硅烷偶聯(lián)劑處理法。橡膠的表面處理方法主要包括物理改性和化學(xué)改性，前者有等離子體法、超聲波法、γ射線法、紫外線法等，后者有表面化學(xué)刻蝕、表面接枝等[24-25]。通過(guò)優(yōu)化緩沖條金屬骨架與橡塑的熱硫化粘結(jié)工藝參數(shù),可以在很大程度上改善金屬基體與橡膠的粘結(jié)性能。

膠粘劑是橡膠與金屬?gòu)?fù)合材料的中間連接界面,有單組、雙組，以及溶劑型、水性型之分。熱硫化膠粘劑主要分為環(huán)氧樹(shù)脂類、改性酚醛類、硅烷類等。膠粘劑的發(fā)展先后經(jīng)歷了硬質(zhì)橡膠法、鍍黃銅法、酚醛樹(shù)脂法、多異氰酸酯法、鹵化橡膠法、含特種硫化劑的鹵化聚合物法、水基膠粘劑法等[26-28]。顏錄科等[29]研究得出在FM膠粘劑中加入絡(luò)合物會(huì)提高橡膠與金屬的粘結(jié)強(qiáng)度,而硫化壓力對(duì)膠粘劑性能的影響則較小。張林軍等[30]對(duì)橡膠與金屬基體熱硫化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)膠粘劑的酸堿值會(huì)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生影響,酸堿值為8.5時(shí)比較適宜。實(shí)際生產(chǎn)中，還會(huì)通過(guò)添加防老劑、偶聯(lián)劑、促進(jìn)劑等添加劑來(lái)提高金屬橡塑制品的質(zhì)量[31]。膠粘劑在緩沖條金屬骨架與橡膠的粘結(jié)過(guò)程中起重要作用,提升膠粘劑的性能，可以在很大程度上提高緩沖條金屬骨架與橡膠的粘結(jié)強(qiáng)度。

4 緩沖條表面自潤(rùn)滑超高分子量聚乙烯材料

目前,市面上常見(jiàn)的自潤(rùn)滑高分子量材料是聚四氟乙烯。相較于其它高分子量化合物,聚四氟乙烯具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、廣泛的使用溫度范圍、顯著的不粘性、突出的自潤(rùn)滑性、優(yōu)異的電絕緣性、極小的吸水率，以及良好的耐老化性和抗輻射性。聚四氟乙烯的摩擦因數(shù)是已知固體中最小的,由此成為機(jī)械設(shè)備最理想的自潤(rùn)滑材料[32]。當(dāng)然,聚四氟乙烯本身也存在一些缺陷,如耐磨損性差、硬度低等。對(duì)聚四氟乙烯進(jìn)行表面改性，可以很好地彌補(bǔ)聚四氟乙烯在使用過(guò)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、 結(jié)構(gòu)改性、填充改性、化學(xué)改性等五種[33]。聚四氟乙烯是用作緩沖條自潤(rùn)滑表層的理想材料,對(duì)聚四氟乙烯進(jìn)行恰當(dāng)改性，可以有效提高緩沖條的自潤(rùn)滑能力，延長(zhǎng)其使用壽命。

5 展望

緩沖條引入我國(guó)以來(lái),我國(guó)緩沖條行業(yè)發(fā)展迅速,但是主要集中于技術(shù)含量較低的普通產(chǎn)品,高附加值、高技術(shù)含量、長(zhǎng)壽命、安全可靠的緩沖條目前仍然發(fā)展滯后,自主生產(chǎn)的產(chǎn)品很少。目前,我國(guó)缺乏緩沖條發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),研究成果產(chǎn)業(yè)化程度低。我國(guó)緩沖條品質(zhì)高低不一,整體上與國(guó)外存在較大差距,直接影響我國(guó)輸送機(jī)械的使用壽命和設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性,無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。激光毛化技術(shù)的日益成熟，以及金屬與橡塑熱硫化粘結(jié)工藝的日益完善[34-35],使激光毛化自潤(rùn)滑耐磨減振金屬橡塑緩沖條復(fù)合成形技術(shù)成為可能。這一復(fù)合成形技術(shù)有利于緩沖條關(guān)鍵共性技術(shù)和技術(shù)瓶頸實(shí)現(xiàn)突破,可以大大提高我國(guó)緩沖條產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力,對(duì)加速我國(guó)緩沖條及其上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,推動(dòng)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整起十分重要的作用,有利于提高我國(guó)緩沖條產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)含量和附加值,促進(jìn)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。