沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊時表面出現破壞的1類磨損現象,屬于低應力磨料磨損范疇,其在冶金、電力、礦山、石油等工業領域廣泛存在[1].沖蝕磨損較典型的工件是渣漿泵過流部件和粉料輸送管道,其磨損過程為十分復雜的物理化學過程且運行工況極其惡劣.目前盡管國內外研究和開發的這類耐磨材料種類很多,但渣漿泵過流部件主要采用高鉻鑄鐵,而管道主要采用低碳鋼.由于金屬材料硬度提高有限,因此人們重點研究開發復合材料.顆粒增強金屬基復合材料,顆粒增強有機樹脂復合材料等都是抗沖蝕磨損材料的研究重點[2-5].在相同的摩擦學環境中,因高分子材料的結構和性能與金屬有顯著的區別,使得高分子材料的磨損有獨特的表現[4-7].其中環氧樹脂具有極其優異的耐酸、耐堿腐蝕的特性,以這種材料為粘接劑,添加陶瓷顆粒而制成的復合材料,具備了優異的耐沖蝕磨損性能.除了可用于零件表面耐腐蝕、耐磨損的預制涂層及零件腐蝕磨損表面的修復之外,還廣泛用于修補工件上的各種缺陷如裂紋、劃傷、尺寸超差及鑄造缺陷等,其應用前景十分廣闊[8-11].本文采用環氧樹脂作為粘接劑制備SiC/環氧樹脂復合材料,研究SiC顆粒尺寸和沖擊角度對SiC/環氧樹脂復合材料沖蝕磨損性能的影響,以期為該復合材料的實際應用提供實驗依據.

1　實驗過程

選用600、240和120μm SiC粒子作為耐磨顆粒.首先用清水沖洗去除SiC顆粒中混雜的灰土,然后在200~300℃烘烤1 h去除SiC顆粒表面吸附的易揮發污染物,溫度降至室溫后加入丙酮,并用超聲波清洗儀清洗掉顆粒表面殘留雜質,隨后在120~150℃下烘干.環氧樹脂采用E44(環氧值為44)和E51(環氧值為51)以質量比1∶1配比,稱取適量改性胺T31作固化劑、適量聚氨酯預聚體(PU)作增韌劑、有機硅烷KH550作偶聯劑,并順序加入環氧樹脂中,形成環氧樹脂膠體.隨后邊攪拌環氧樹脂膠體邊分批加入計量的SiC顆粒,以保證SiC顆粒在環氧樹脂膠體中分散均勻, SiC顆粒占復合材料質量的66% (環氧樹脂膠體占34% ).然后將混合料倒入模具中,室溫固化成型,固化時間4 h,沖蝕磨損試樣尺寸為20 mm×20 mm×10 mm.

沖蝕磨損試驗在自制的射流式漿料沖蝕磨損試驗機上進行,試驗數據誤差小于5%[12].沖蝕磨損漿料采用600~800μm石英砂和自來水,石英砂質量含量為8. 2%,漿料沖蝕速度11. 1 m/s,沖蝕角度分別為30°、45°、60°和90°,預沖時間為20 min左右,試驗沖蝕時間為45 min,取5次失重量的平均值為試驗材料的失重量.試驗材料的沖蝕磨損性能以單位時間失重量(沖蝕磨損率)來表示,斷口及沖蝕磨損形貌在JSM-6700型場發射掃描電鏡上觀察.

2　結果及分析

SiC/環氧樹脂復合材料的斷口形貌如圖1所示.可以看到SiC顆粒很好的鑲嵌在環氧樹脂膠體之中,在環氧樹脂膠體斷裂的同時, SiC顆粒也發生部分斷裂.由此表明SiC/環氧樹脂復合材料沒有從環氧樹脂與SiC顆粒結合面之間斷裂,而是從膠體固化物中間斷裂,呈典型的樹脂斷裂特性,表明環氧樹脂膠體與SiC顆粒間的粘接界面結合良好.

不同粒度SiC/環氧樹脂復合材料和Q235鋼在不同角度下的沖蝕磨損率如圖2所示.可以看出,隨著SiC顆粒尺寸的減小, SiC/環氧樹脂復合材料的沖蝕磨損率增大. 600μm SiC/環氧樹脂復合材料的沖蝕磨損率低于Q235鋼,尤其在45°沖蝕角下比Q235鋼低近1倍. 240μm SiC/環氧樹脂復合材料的沖蝕磨損率與Q235鋼相近,而120μm SiC/環氧樹脂復合材料的沖蝕磨損率則高于Q235鋼. SiC/環氧樹脂的沖蝕磨損率在60°沖蝕角度下最大,而在30°沖蝕角度下則較小.

SiC顆粒尺寸對SiC/環氧樹脂復合材料沖蝕磨損性能的影響受以下2方面因素的作用,一是SiC顆粒尺寸的增大, SiC顆粒與環氧樹脂間的接觸面積增大,相應的SiC顆粒與環氧樹脂間的結合強度增大,環氧樹脂提供SiC顆粒的支持能力增大;二是SiC顆粒尺寸的增大,使SiC顆粒在復合材料中埋入深度增大,受到磨料粒子沖擊時不容易移動.由于這2個因素的作用, SiC顆粒較好地抵擋了磨料粒子的沖擊和切削,并對環氧樹脂起到了保護作用,如圖3(a)和(b)所示,從而使得顆粒尺寸大的SiC/環氧樹脂復合材料具有較好的沖蝕磨損性能.而SiC顆粒尺寸小的SiC/環氧樹脂復合材料受到磨料粒子沖擊時,因其與環氧樹脂間的接觸面積小及埋入深度小,相應的結合力也小,所以容易移動、碎裂及脫落,如圖3(c)所示,由此造成其沖蝕磨損性能降低.

隨著沖蝕角度的增大,漿料中的磨料粒子不僅對材料表面產生較大的切削和犁削作用,而且伴隨著的沖擊作用也逐漸增大.由于磨料粒子沖擊垂直分量增大, SiC/環氧樹脂復合材料磨損表面上的SiC顆粒首當其沖受到沖擊而碎裂,然后被磨料粒子的水平沖量切削脫落,從而在復合材料表面形成許多SiC顆粒脫落后留下的凹坑,使環氧樹脂直接暴露在磨料粒子的沖蝕作用下.當沖蝕角度為90°時,磨料粒子直接撞擊在復合材料表面,造成對SiC顆粒和環氧樹脂的直接撞擊, SiC顆粒在磨料粒子的沖擊下發生碎裂脫落,支撐SiC顆粒的環氧樹脂也由于連續的塑性變形而產生塑性疲勞斷裂,形成微米級脫落,如圖3(d)所示.而在30°角度沖擊下,磨料粒子動能的水平分量較大,對復合材料表面的磨損以切削和碾壓為主.材料的失效形式主要表現環氧樹脂發生不均勻扯離撕裂,以微米級片層形式脫落[13].隨著環氧樹脂的磨損, SiC顆粒逐漸凸出,突出的邊緣部分首先被磨損,形成片狀的碎裂邊緣,但沒有影響整個SiC顆粒對其背后的樹脂膠體的保護,從而降低了磨料粒子對SiC顆粒背后陰影區環氧樹脂的切削與碾壓作用,因而沖蝕磨損率較低.在垂直方向上,由于磨料粒子動能的垂直分量較小,而且改性的環氧樹脂膠體具有一定的韌性,其支撐的SiC顆粒在磨粒垂直分量的沖擊下,在垂直方向上下微小震動,阻止了磨料粒子對環氧樹脂的切削作用,并使得SiC粒子不易破碎.由此使SiC/環氧樹脂復合材料的沖蝕磨損率在30°沖蝕角度較小.

根據上述分析,可以建立SiC/環氧樹脂復合材料的沖蝕磨損模型,如圖4所示.當漿料中的磨料粒子以小角度沖擊在復合材料表面時,磨料粒子的水平分量較大,對復合材料表面的磨損以切削和碾壓為主.在理想狀態下,水平分量對復合材料表面的破壞主要有2種形式:一種是磨料粒子直接撞擊在復合材料中的SiC顆粒上, SiC顆粒在持續的水平沖擊作用下,必然發生水平位移,如圖4(b),此時斷裂主要發生在SiC顆粒一側的環氧樹脂分子鏈,即環氧樹脂分子鏈的共價鍵斷裂或環氧樹脂分子鏈與SiC顆粒之間的分子鍵斷裂[14].在宏觀上因環氧樹脂分子鏈發生不均勻扯離撕裂,以微米級片層形式脫落,SiC顆粒逐漸凸出,在一定程度上阻止其背后的樹脂膠體遭受磨粒沖擊,產生所謂"陰影效應",從而降低了磨料粒子對陰影區環氧樹脂膠體的切削與碾壓作用,使沖蝕磨損率降低;另一種是水平分量開始主要集中在環氧樹脂分子鏈之間,如圖4(c)所示,分子鏈是垂直于受力方向排列的,斷裂主要發生在環氧樹脂分子鏈之間的分子鍵[15].隨著環氧樹脂分子鏈的斷裂脫落,慢慢又將變成圖4(b)的微觀受力磨損形式.

當漿料中的磨料粒子以高角度沖擊在復合材料表面時,磨料粒子主要以垂直方向上的沖擊為主.垂直分量對復合材料的破壞也主要有2種形式:一種是磨料粒子直接撞擊在SiC顆粒上, SiC顆粒在持續的垂直沖擊作用下,發生垂直位移,牽拉其周圍的環氧樹脂分子鏈直至斷裂,SiC顆粒脫落,如圖4(d)所示;另一種是磨料粒子直接撞擊在環氧樹脂分子鏈上,造成樹脂分子鏈共價鍵的破壞,如圖4(e)所示.

　　

 

由以上沖蝕磨損的微觀受力模型分析可以看出, SiC/環氧樹脂復合材料沖蝕磨損的主要原因是環氧樹脂與SiC顆粒之間以及自身發生斷裂.在微觀方面環氧樹脂的斷裂主要有2種:一種是環氧樹脂分子鏈的斷裂即共價鍵的斷裂;另一種是環氧樹脂分子鏈與SiC顆粒之間的斷裂即分子鍵的斷裂.作為復合材料中抗磨顆粒SiC的脫落也分為2種:一種是低角度下SiC顆粒由于磨料粒子切削作用從邊緣開始發生層狀碎裂;另一種是在高角度下,雖然具有韌性的環氧樹脂膠體能夠為SiC顆粒提供一定的緩沖作用,但是脆性的SiC顆粒由于磨料粒子連續不斷垂直沖擊作用而碎裂脫落,從而造成其沖蝕磨損.

3　結論

a.　SiC/環氧樹脂復合材料與Q235鋼的沖蝕磨損率均表現出隨沖蝕角度增大而先增大后減小的趨勢,且均在沖蝕角30°時最小,復合材料在沖蝕角60°時最大,而Q235鋼則在沖蝕角45°最大.

b.　大顆粒SiC/環氧樹脂復合材料由于SiC顆粒尺寸較大,能夠很好地抵消磨料粒子的沖擊作用,從而具有較好的沖蝕磨損性能;小顆粒SiC/環氧樹脂復合材料,由于SiC顆粒尺寸較小,單位顆粒與環氧樹脂接觸面積較小,因此易被擊碎脫落,使復合材料沖蝕磨損性能降低.

c.　SiC/環氧樹脂復合材料對沖蝕角度敏感,在不同沖蝕角度下的沖蝕磨損機理不同.低角度時,沖蝕磨損以顯微切削及碾壓造成環氧樹脂及SiC顆粒的層片狀脫落為主;高角度時,沖蝕磨損以SiC顆粒碎裂造成環氧樹脂疲勞脫落為主.