專利名稱：粉末型高分子涂料及由其形成的微動疲勞防護(hù)涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粉末型高分子涂料及由其形成的微動疲勞防護(hù)涂層，具體涉及用于金屬繩纜的高分子微動疲勞防護(hù)涂層。
各種高強(qiáng)度繩纜在工程上應(yīng)用日益廣泛，特別是現(xiàn)代斜拉橋的建造，更顯示出高強(qiáng)度鋼索的重要性。然而，橋梁纜索與鋼絲繩類似，存在著鋼絲之間的網(wǎng)絡(luò)接觸和線接觸，導(dǎo)致微動疲勞的發(fā)生。雖然斜拉橋快速發(fā)展，斜拉索大量生產(chǎn)使用，但迄今為止對橋梁斜拉索鋼絲的疲勞斷裂問題尚未引起足夠的重視，也未見有對斜拉索高強(qiáng)度鋼絲的微動疲勞防護(hù)研究的報道。
目前國內(nèi)普遍用于制造斜拉索的高強(qiáng)鋼絲為國產(chǎn)的冷拉鋼絲和進(jìn)口的鍍鋅鋼絲。金相檢驗(yàn)證明，鍍鋅鋼絲的表面鍍鋅層與金屬基體結(jié)合良好，無裂紋、孔洞及缺陷。鍍鋅層剖面顯示其分為內(nèi)外兩層，外層較軟，而內(nèi)層較硬，實(shí)質(zhì)是形成了鋅鐵合金。金屬基體的心部與表層的組織主要為回火馬氏體及少量粒狀碳化物。表層的平均顯微硬度比心部低。冷拉鋼絲的表層與心部組織相同，亦為回火馬氏體及少量粒狀碳化物，表層組織顯微硬度則略高于心部。
本發(fā)明者對鍍鋅鋼絲和冷拉鋼絲進(jìn)行了微動疲勞試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)和試制了多種具有工業(yè)生產(chǎn)前景的冷拉鋼絲的高分子微動疲勞防護(hù)涂層。經(jīng)微動疲勞試驗(yàn)證明，本發(fā)明的高分子粉末涂層在改善高強(qiáng)度鋼絲的微動疲勞性能方面效果明顯。
本發(fā)明的目的在于提供一種可用作微動疲勞防護(hù)涂層的粉末型高分子涂料及將該涂料涂覆在用以制造金屬繩纜或鋼絞線的高強(qiáng)度鋼絲表面形成的高分子微動疲勞防護(hù)涂層。
本發(fā)明的可用于微動疲勞防護(hù)涂層的粉末型高分子涂料含有羧基聚酯樹脂和異氰尿酸三縮水甘油酯(TGIC)基體樹脂，用作流平劑的聚酯和固體潤滑劑，所述羧基聚酯樹脂的含量為55-70重量％，TGIC為4-7重量％，用作流平劑的聚酯含量為6-10重量％，所述固體潤滑劑的含量為13-35重量％，所述固體潤滑劑包括3-18重量％TiO2以及選自聚四氟乙烯(PTFE)、石墨、MoS2、Mo粉和MoO3中的至少兩種，其含量分別為0-10重量％聚四氟乙烯(PTFE)、0-12重量％石墨、0-10重量％MoS2、0-12重量％Mo粉、0-12重量％MoO3，均基于涂料的總重量。所述涂料中還可含有少量其它助劑。
將羧基聚酯樹脂、TGIC、固體潤滑劑以及流平劑等機(jī)械混合均勻，然后經(jīng)擠出機(jī)熔融均化，再粉碎至140目左右。將這些粉末靜電噴涂到鋼絲上，在180℃-200℃的溫度下經(jīng)過10-15分鐘固化成膜，即得到本發(fā)明的微動疲勞防護(hù)涂層。該涂層的厚度約為0.06mm。


圖1為各種試驗(yàn)鋼絲的微動疲勞試驗(yàn)曲線。
圖2顯示了鋼絲微動疲勞斷口的形貌。
圖3為各種試驗(yàn)鋼絲微動磨損的摩擦系數(shù)和系統(tǒng)線磨損量的變化曲線。
羧基聚酯樹脂/異氰尿酸三縮水甘油酯體系的固化反應(yīng)式為
由此可見，聚酯樹脂的端羧基與TGIC的環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)，形成三元立體交聯(lián)結(jié)構(gòu)。由于TGIC的母核系性能穩(wěn)定的三嗪環(huán)，因此這種類型的涂層具有突出的耐熱、耐老化性能以及較好的機(jī)械物理性能，其附著強(qiáng)度高，抗沖擊、彎曲等性能優(yōu)異。
本發(fā)明的高分子粉末涂料經(jīng)涂覆標(biāo)準(zhǔn)樣板測定，其性能達(dá)到裝飾性通用粉末涂料的質(zhì)量要求。
圖1所示為各種試驗(yàn)鋼絲(包括經(jīng)過本發(fā)明的高分子微動疲勞防護(hù)涂層處理的鋼絲)的微動疲勞S-N曲線。從圖中可見，鍍鋅鋼絲和冷拉鋼絲的微動疲勞性能無實(shí)質(zhì)上的差別。在較高應(yīng)力幅519MPa時，鍍鋅鋼絲的壽命稍長于冷拉鋼絲，但在S-N曲線的其它部分，其性能又稍遜于冷拉鋼絲。兩者在107次循環(huán)時，疲勞強(qiáng)度同為260MPa，約相當(dāng)于原鋼絲抗拉強(qiáng)度的15％。本發(fā)明的粉末型高分子涂料的涂層能使鋼絲的抗微動疲勞的性能得到明顯改善，特別是在346至519MPa的較高應(yīng)力幅下，疲勞壽命比未處理的冷拉鋼絲延長好幾倍。最好的是在519MPa的較高應(yīng)力幅下，其疲勞壽命比冷拉鋼絲提高10倍以上。在通過107循環(huán)時，微動疲勞強(qiáng)度達(dá)到433MPa，比冷拉鋼絲提高了60％以上，該強(qiáng)度相當(dāng)于原鋼絲抗拉強(qiáng)度的25％。
對試驗(yàn)鋼絲的疲勞斷口作失效分析表明，不論是冷拉鋼絲還是鍍鋅鋼絲，或者是用本發(fā)明的高分子微動疲勞防護(hù)涂層處理過的鋼絲，其一端斷口帶有凸出部位，稱為舌形。而另一端斷口則留有相應(yīng)的凹陷部位。這種舌狀斷口并非是偶然出現(xiàn)的，而是微動疲勞的特征之一。它是在外加應(yīng)力、夾緊應(yīng)力和微動作用產(chǎn)生的切向應(yīng)力的合成作用下形成的。裂紋最初以與試樣表面成一定傾角的方向擴(kuò)展，一旦裂紋越過夾緊應(yīng)力與切向應(yīng)力影響區(qū)，即轉(zhuǎn)向與外加軸向循環(huán)應(yīng)力垂直的方向繼續(xù)擴(kuò)展，于是在疲勞源附近產(chǎn)生舌形斷口形貌。
如圖2所示，在電鏡觀察下試樣斷口可分為四個區(qū)域，第一是疲勞源區(qū)，如圖2(a)所示，該區(qū)以帶有明顯的氧化為特征，可觀察到一些沿晶斷裂和次生裂紋，表明裂紋萌生階段有強(qiáng)烈的腐蝕作用介入，應(yīng)力強(qiáng)度很高。裂紋進(jìn)人擴(kuò)展區(qū)時，上述現(xiàn)象就漸漸消失，在較高倍數(shù)時方可看到細(xì)小的次生裂紋，如圖2(b)所示，這時裂紋已轉(zhuǎn)向，微動作用對裂紋擴(kuò)展已不起作用。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到轉(zhuǎn)變區(qū)時，如圖2(c)所示，應(yīng)力強(qiáng)度迅速增高，次生裂紋明顯擴(kuò)大，主裂紋接近失穩(wěn)。接著是最終斷裂區(qū)，它是45°的剪切唇，斷口的形貌反映出材料的低斷裂韌性特征，其韌窩的直徑亦很細(xì)小，如圖2(d)所示。
在冷拉鋼絲的表面涂覆本發(fā)明的高分子微動疲勞防護(hù)涂層后具有明顯的抗微動疲勞的效果。微動疲勞防護(hù)的關(guān)鍵是通過高分子固體潤滑涂層來保護(hù)冷拉鋼絲表面免遭微動損傷或使之減輕。涂層的功能表現(xiàn)在其一，隔離試驗(yàn)鋼絲與橋型試樣之間的接觸，使鋼絲不直接受到微動作用，避免鋼絲表面微動損傷；其二，當(dāng)高分子涂層在微動作用下逐漸磨損，鋼絲表面受到直接接觸的微動作用時，聚合物轉(zhuǎn)移膜以及殘留的涂層材料發(fā)揮固體潤滑作用，緩解了對鋼絲的表面損傷。顯然，高分子涂層對微動疲勞防護(hù)效果取決于涂層的耐磨性和固體潤滑特性。因此，起到微動疲勞防護(hù)作用越顯著的高分子涂層，其在微動磨損作用下摩擦系數(shù)和磨損越小。
圖3為各種試驗(yàn)鋼絲(包括經(jīng)過本發(fā)明的微動疲勞防護(hù)涂層處理的鋼絲)以同種涂層之間對磨進(jìn)行微動磨損試驗(yàn)所得到的摩擦系數(shù)μ和系統(tǒng)線磨損量W1的變化曲線。從圖3(c)中可見，本發(fā)明的涂層在微動試驗(yàn)開始一段時間內(nèi)，其μ和W1均相當(dāng)?shù)?，表明本發(fā)明的涂層隔離了鋼絲與鋼絲之間的接觸，微動作用于涂層與涂層之間，然后隨著涂層的磨損增大，μ和W1皆快速上升，這時涂層中的MoS2和石墨等固體潤滑劑仍然在摩擦界面上起到一定的減摩作用。與冷拉鋼絲和鍍鋅鋼絲相比，本發(fā)明的涂層對鋼絲有明顯的耐磨保護(hù)作用，使鋼絲本體受到的微動損傷得到顯著延緩和減輕。因此，含本發(fā)明涂層的鋼絲微動疲勞強(qiáng)度性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于冷拉鋼絲和鍍鋅鋼絲。由圖3(c)可見，本發(fā)明的涂層的摩擦系數(shù)較平穩(wěn)，μ只有0.19左右，磨損也較低，W1僅為40μm左右。顯然，本發(fā)明的涂層中PTFE在MoO3存在的條件下能夠起到優(yōu)異的固體潤滑作用，大幅度降低摩擦系數(shù)，同時也緩解了涂層的磨損，使鋼絲本體不受到磨損。本發(fā)明的涂層經(jīng)過微動磨損試驗(yàn)后，磨斑較難分辨，更未見涂層脫落和鋼絲的金屬表面露出，顯示出本發(fā)明涂層具有優(yōu)異的抗微動磨損特性。本發(fā)明的涂層的抗微動磨損性可能是因?yàn)镻TFE較強(qiáng)的固體潤滑效果和涂層中聚酯樹脂以粉末型熔融固化成膜的高強(qiáng)度附著效果的協(xié)同效應(yīng)，既發(fā)揮了PTFE的抗粘著、低摩擦的功能，又保證整個涂層與鋼絲表面牢固的粘結(jié)，從而使得涂層不易被磨損。
下面通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。但應(yīng)理解，本發(fā)明的范圍不限于這些具體的實(shí)施例。
實(shí)施例1-8將羧基聚酯樹脂(華佳化工有限公司的產(chǎn)品，商品號為SP-2400)、TGIC、固體潤滑劑以及用作流平劑的聚酯(華佳化工有限公司的產(chǎn)品，商品號為SP-3188)等機(jī)械混合均勻，上述各組分的用量列于表1中。然后經(jīng)擠出機(jī)熔融均化，再粉碎至140目左右。將這些粉末靜電噴涂到鋼絲上，在180℃-200℃的溫度下經(jīng)過10-15分鐘固化成膜，即得到本發(fā)明的微動疲勞防護(hù)涂層。該涂層的厚度約為0.06mm。
表1(表中所用單位均為重量百分?jǐn)?shù)
試驗(yàn)例對冷拉鋼絲、鍍鋅鋼絲以及涂覆本發(fā)明的高分子微動疲勞防護(hù)涂層的鋼絲進(jìn)行微動疲勞試驗(yàn)。將試驗(yàn)鋼絲直接切割成200mm長的試樣。微動作用由一對橋型試樣產(chǎn)生，該試樣材料為45鋼，調(diào)質(zhì)硬度為291HV。橋型試樣的兩端開有120°的Ⅴ型槽，用應(yīng)力環(huán)將其夾固在試樣的圓柱表面上，呈線接觸形式。調(diào)整應(yīng)力環(huán)以達(dá)到所要求的接觸負(fù)載，本試驗(yàn)中將該負(fù)載固定在180kNm-1。微動疲勞試驗(yàn)在PLG-10型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。微動振幅因試驗(yàn)時的軸向循環(huán)負(fù)載而變化，其數(shù)值在7-21μm范圍。試驗(yàn)在大氣環(huán)境中進(jìn)行，循環(huán)應(yīng)力比R=0.1，頻率約為108Hz。每次試驗(yàn)中采用確定的疲勞載荷條件，直到鋼絲在橋型試樣接觸部位附近疲勞斷裂為止，試驗(yàn)機(jī)自動記錄微動疲勞壽命，即循環(huán)次數(shù)N。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
由圖1可見，鍍鋅鋼絲和冷拉鋼絲的微動疲勞性能無實(shí)質(zhì)上的差別。在較高應(yīng)力幅519MPa時，鍍鋅鋼絲的壽命稍長于冷拉鋼絲，但在S-N曲線的其它部分，其性能又稍遜于冷拉鋼絲。兩者在107次循環(huán)時，疲勞強(qiáng)度同為260MPa，約相當(dāng)于原鋼絲抗拉強(qiáng)度的15％。本發(fā)明的粉末型高分子涂料的涂層能使鋼絲的抗微動疲勞的性能得到明顯改善，特別是在346至519MPa的較高應(yīng)力幅下，疲勞壽命比未處理的冷拉鋼絲延長好幾倍。最好的是在519MPa的較高應(yīng)力幅下，其疲勞壽命比冷拉鋼絲提高10倍以上。在通過107循環(huán)時，微動疲勞強(qiáng)度達(dá)到433MPa，比冷拉鋼絲提高了60％以上，該強(qiáng)度相當(dāng)于原粉碎抗拉強(qiáng)度的25％。
權(quán)利要求
1．粉末型高分子涂料，它含有羧基聚酯樹脂和異氰尿酸三縮水甘油酯(TGIC)基體樹脂、用作流平劑的聚酯和固體潤滑劑，所述羧基聚酯樹脂的含量為55-70重量％，TGIC為4-7重量％，用作流平劑的聚酯含量為6-10重量％，所述固體潤滑劑的含量為13-35重量％，均基于涂料的總重量。
2．如權(quán)利要求1所述的涂料，其特征在于所述固體潤滑劑包括3-18重量％TiO2以及選自聚四氟乙烯(PTFE)、石墨、MoS2、Mo粉和MoO3中的至少兩種，其含量分別為0-10重量％聚四氟乙烯(PTFE)、0-12重量％石墨、0-10重量％MoS2、0-12重量％Mo粉、0-12重量％MoO3，均基于涂料的總重量。
3．將如權(quán)利要求1所述的粉末型高分子涂料涂覆在用以制造金屬繩纜或鋼絞線的高強(qiáng)度鋼絲表面形成的高分子微動疲勞防護(hù)涂層。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于微動疲勞防護(hù)涂層的粉末型高分子涂料，它含有羧基聚酯樹脂和異氰尿酸三縮水甘油酯(TGIC)基體樹脂、用作流平劑的聚酯和固體潤滑劑，以及將該粉末型高分子涂料涂覆在用以制造金屬繩纜或鋼絞線的高強(qiáng)度鋼絲表面形成的高分子微動疲勞防護(hù)涂層。
文檔編號B05D1/06GK1238363SQ98109880
公開日1999年12月15日 申請日期1998年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月10日
發(fā)明者郭強(qiáng), 羅唯力, 孫毅, 王申生 申請人:機(jī)械工業(yè)部上海材料研究所