环氧树脂复合材料冲蚀磨损性能的研究

       冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的1类磨损现象,属于低应力磨料磨损范畴,其在冶金、电力、矿山、石油等工业领域广泛存在[1].冲蚀磨损较典型的工件是渣浆泵过流部件和粉料输送管道,其磨损过程为十分复杂的物理化学过程且运行工况极其恶劣.目前尽管国内外研究和开发的这类耐磨材料种类很多,但渣浆泵过流部件主要采用高铬铸铁,而管道主要采用低碳钢.由于金属材料硬度提高有限,因此人们重点研究开发复合材料.颗粒增强金属基复合材料,颗粒增强有机树脂复合材料等都是抗冲蚀磨损材料的研究重点[2-5].在相同的摩擦学环境中,因高分子材料的结构和性能与金属有显著的区别,使得高分子材料的磨损有独特的表现[4-7].其中环氧树脂具有极其优异的耐酸、耐碱腐蚀的特性,以这种材料为粘接剂,添加陶瓷颗粒而制成的复合材料,具备了优异的耐冲蚀磨损性能.除了可用于零件表面耐腐蚀、耐磨损的预制涂层及零件腐蚀磨损表面的修复之外,还广泛用于修补工件上的各种缺陷如裂纹、划伤、尺寸超差及铸造缺陷等,其应用前景十分广阔[8-11].本文采用环氧树脂作为粘接剂制备SiC/环氧树脂复合材料,研究SiC颗粒尺寸和冲击角度对SiC/环氧树脂复合材料冲蚀磨损性能的影响,以期为该复合材料的实际应用提供实验依据.

1　实验过程

选用600、240和120μm SiC粒子作为耐磨颗粒.首先用清水冲洗去除SiC颗粒中混杂的灰土,然后在200~300℃烘烤1 h去除SiC颗粒表面吸附的易挥发污染物,温度降至室温后加入丙酮,并用超声波清洗仪清洗掉颗粒表面残留杂质,随后在120~150℃下烘干.环氧树脂采用E44(环氧值为44)和E51(环氧值为51)以质量比1∶1配比,称取适量改性胺T31作固化剂、适量聚氨酯预聚体(PU)作增韧剂、有机硅烷KH550作偶联剂,并顺序加入环氧树脂中,形成环氧树脂胶体.随后边搅拌环氧树脂胶体边分批加入计量的SiC颗粒,以保证SiC颗粒在环氧树脂胶体中分散均匀, SiC颗粒占复合材料质量的66% (环氧树脂胶体占34% ).然后将混合料倒入模具中,室温固化成型,固化时间4 h,冲蚀磨损试样尺寸为20 mm×20 mm×10 mm.

冲蚀磨损试验在自制的射流式浆料冲蚀磨损试验机上进行,试验数据误差小于5%[12].冲蚀磨损浆料采用600~800μm石英砂和自来水,石英砂质量含量为8. 2%,浆料冲蚀速度11. 1 m/s,冲蚀角度分别为30°、45°、60°和90°,预冲时间为20 min左右,试验冲蚀时间为45 min,取5次失重量的平均值为试验材料的失重量.试验材料的冲蚀磨损性能以单位时间失重量(冲蚀磨损率)来表示,断口及冲蚀磨损形貌在JSM-6700型场发射扫描电镜上观察.

2　结果及分析

SiC/环氧树脂复合材料的断口形貌如图1所示.可以看到SiC颗粒很好的镶嵌在环氧树脂胶体之中,在环氧树脂胶体断裂的同时, SiC颗粒也发生部分断裂.由此表明SiC/环氧树脂复合材料没有从环氧树脂与SiC颗粒结合面之间断裂,而是从胶体固化物中间断裂,呈典型的树脂断裂特性,表明环氧树脂胶体与SiC颗粒间的粘接界面结合良好.

不同粒度SiC/环氧树脂复合材料和Q235钢在不同角度下的冲蚀磨损率如图2所示.可以看出,随着SiC颗粒尺寸的减小, SiC/环氧树脂复合材料的冲蚀磨损率增大. 600μm SiC/环氧树脂复合材料的冲蚀磨损率低于Q235钢,尤其在45°冲蚀角下比Q235钢低近1倍. 240μm SiC/环氧树脂复合材料的冲蚀磨损率与Q235钢相近,而120μm SiC/环氧树脂复合材料的冲蚀磨损率则高于Q235钢. SiC/环氧树脂的冲蚀磨损率在60°冲蚀角度下最大,而在30°冲蚀角度下则较小.

SiC颗粒尺寸对SiC/环氧树脂复合材料冲蚀磨损性能的影响受以下2方面因素的作用,一是SiC颗粒尺寸的增大, SiC颗粒与环氧树脂间的接触面积增大,相应的SiC颗粒与环氧树脂间的结合强度增大,环氧树脂提供SiC颗粒的支持能力增大;二是SiC颗粒尺寸的增大,使SiC颗粒在复合材料中埋入深度增大,受到磨料粒子冲击时不容易移动.由于这2个因素的作用, SiC颗粒较好地抵挡了磨料粒子的冲击和切削,并对环氧树脂起到了保护作用,如图3(a)和(b)所示,从而使得颗粒尺寸大的SiC/环氧树脂复合材料具有较好的冲蚀磨损性能.而SiC颗粒尺寸小的SiC/环氧树脂复合材料受到磨料粒子冲击时,因其与环氧树脂间的接触面积小及埋入深度小,相应的结合力也小,所以容易移动、碎裂及脱落,如图3(c)所示,由此造成其冲蚀磨损性能降低.

随着冲蚀角度的增大,浆料中的磨料粒子不仅对材料表面产生较大的切削和犁削作用,而且伴随着的冲击作用也逐渐增大.由于磨料粒子冲击垂直分量增大, SiC/环氧树脂复合材料磨损表面上的SiC颗粒首当其冲受到冲击而碎裂,然后被磨料粒子的水平冲量切削脱落,从而在复合材料表面形成许多SiC颗粒脱落后留下的凹坑,使环氧树脂直接暴露在磨料粒子的冲蚀作用下.当冲蚀角度为90°时,磨料粒子直接撞击在复合材料表面,造成对SiC颗粒和环氧树脂的直接撞击, SiC颗粒在磨料粒子的冲击下发生碎裂脱落,支撑SiC颗粒的环氧树脂也由于连续的塑性变形而产生塑性疲劳断裂,形成微米级脱落,如图3(d)所示.而在30°角度冲击下,磨料粒子动能的水平分量较大,对复合材料表面的磨损以切削和碾压为主.材料的失效形式主要表现环氧树脂发生不均匀扯离撕裂,以微米级片层形式脱落[13].随着环氧树脂的磨损, SiC颗粒逐渐凸出,突出的边缘部分首先被磨损,形成片状的碎裂边缘,但没有影响整个SiC颗粒对其背后的树脂胶体的保护,从而降低了磨料粒子对SiC颗粒背后阴影区环氧树脂的切削与碾压作用,因而冲蚀磨损率较低.在垂直方向上,由于磨料粒子动能的垂直分量较小,而且改性的环氧树脂胶体具有一定的韧性,其支撑的SiC颗粒在磨粒垂直分量的冲击下,在垂直方向上下微小震动,阻止了磨料粒子对环氧树脂的切削作用,并使得SiC粒子不易破碎.由此使SiC/环氧树脂复合材料的冲蚀磨损率在30°冲蚀角度较小.

根据上述分析,可以建立SiC/环氧树脂复合材料的冲蚀磨损模型,如图4所示.当浆料中的磨料粒子以小角度冲击在复合材料表面时,磨料粒子的水平分量较大,对复合材料表面的磨损以切削和碾压为主.在理想状态下,水平分量对复合材料表面的破坏主要有2种形式:一种是磨料粒子直接撞击在复合材料中的SiC颗粒上, SiC颗粒在持续的水平冲击作用下,必然发生水平位移,如图4(b),此时断裂主要发生在SiC颗粒一侧的环氧树脂分子链,即环氧树脂分子链的共价键断裂或环氧树脂分子链与SiC颗粒之间的分子键断裂[14].在宏观上因环氧树脂分子链发生不均匀扯离撕裂,以微米级片层形式脱落,SiC颗粒逐渐凸出,在一定程度上阻止其背后的树脂胶体遭受磨粒冲击,产生所谓"阴影效应",从而降低了磨料粒子对阴影区环氧树脂胶体的切削与碾压作用,使冲蚀磨损率降低;另一种是水平分量开始主要集中在环氧树脂分子链之间,如图4(c)所示,分子链是垂直于受力方向排列的,断裂主要发生在环氧树脂分子链之间的分子键[15].随着环氧树脂分子链的断裂脱落,慢慢又将变成图4(b)的微观受力磨损形式.

当浆料中的磨料粒子以高角度冲击在复合材料表面时,磨料粒子主要以垂直方向上的冲击为主.垂直分量对复合材料的破坏也主要有2种形式:一种是磨料粒子直接撞击在SiC颗粒上, SiC颗粒在持续的垂直冲击作用下,发生垂直位移,牵拉其周围的环氧树脂分子链直至断裂,SiC颗粒脱落,如图4(d)所示;另一种是磨料粒子直接撞击在环氧树脂分子链上,造成树脂分子链共价键的破坏,如图4(e)所示.

　　

 

由以上冲蚀磨损的微观受力模型分析可以看出, SiC/环氧树脂复合材料冲蚀磨损的主要原因是环氧树脂与SiC颗粒之间以及自身发生断裂.在微观方面环氧树脂的断裂主要有2种:一种是环氧树脂分子链的断裂即共价键的断裂;另一种是环氧树脂分子链与SiC颗粒之间的断裂即分子键的断裂.作为复合材料中抗磨颗粒SiC的脱落也分为2种:一种是低角度下SiC颗粒由于磨料粒子切削作用从边缘开始发生层状碎裂;另一种是在高角度下,虽然具有韧性的环氧树脂胶体能够为SiC颗粒提供一定的缓冲作用,但是脆性的SiC颗粒由于磨料粒子连续不断垂直冲击作用而碎裂脱落,从而造成其冲蚀磨损.

3　结论

a.　SiC/环氧树脂复合材料与Q235钢的冲蚀磨损率均表现出随冲蚀角度增大而先增大后减小的趋势,且均在冲蚀角30°时最小,复合材料在冲蚀角60°时最大,而Q235钢则在冲蚀角45°最大.

b.　大颗粒SiC/环氧树脂复合材料由于SiC颗粒尺寸较大,能够很好地抵消磨料粒子的冲击作用,从而具有较好的冲蚀磨损性能;小颗粒SiC/环氧树脂复合材料,由于SiC颗粒尺寸较小,单位颗粒与环氧树脂接触面积较小,因此易被击碎脱落,使复合材料冲蚀磨损性能降低.

c.　SiC/环氧树脂复合材料对冲蚀角度敏感,在不同冲蚀角度下的冲蚀磨损机理不同.低角度时,冲蚀磨损以显微切削及碾压造成环氧树脂及SiC颗粒的层片状脱落为主;高角度时,冲蚀磨损以SiC颗粒碎裂造成环氧树脂疲劳脱落为主.