WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的抗泥沙沖蝕磨損性能

王莉容*，陳小明，吳燕明，毛鵬展，劉偉，伏利，周夏涼

（1.水利部杭州機械設(shè)計研究所，浙江 杭州 310012；2.水利機械及其再制造技術(shù)浙江省工程實驗室，浙江 杭州 310012；3.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所，浙江 杭州 310012）

WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的抗泥沙沖蝕磨損性能

王莉容1,2,3,*，陳小明1,2,3，吳燕明1,2,3，毛鵬展1，劉偉1,2，伏利1，周夏涼1

（1.水利部杭州機械設(shè)計研究所，浙江 杭州 310012；2.水利機械及其再制造技術(shù)浙江省工程實驗室，浙江 杭州 310012；3.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所，浙江 杭州 310012）

在環(huán)氧樹脂中分別添加占體系總質(zhì)量0%、10%、20%和30%的碳化鎢(WC)陶瓷顆粒，制備出WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，考察了它們的洛氏硬度、抗拉結(jié)合強度和抗泥沙沖蝕磨損性能。通過掃描電鏡觀察了涂層沖蝕試驗后的表面形貌，探討了涂層在泥漿中的沖蝕磨損機理。WC陶瓷/環(huán)氧樹脂涂層的洛氏硬度均高于純環(huán)氧涂層的洛氏硬度(49 HR)，為103 ～ 107 HR，且隨著WC陶瓷顆粒的用量增多而提高。當WC加入量為10%時，復(fù)合涂層的抗拉結(jié)合強度最大，達16 MPa；且磨損率最小，為0.017%。WC陶瓷顆粒與環(huán)氧樹脂基體發(fā)生協(xié)同作用，既降低了環(huán)氧樹脂被磨損的概率，又很好地固定住WC陶瓷顆粒，使其難以被挖出脫落，從而使WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層獲得較好的抗沖蝕性能。

碳化鎢；環(huán)氧樹脂；復(fù)合涂層；抗沖蝕；洛氏硬度；抗拉結(jié)合強度；機理

將耐磨性能佳的陶瓷顆粒填充環(huán)氧樹脂并涂覆到工件表面，可得到抗沖蝕磨損性能優(yōu)異的陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層。近年來已有一些研究者[1-2]將其應(yīng)用于過流泵、泥漿泵、密封件等部件上，取得了較好的效果。針對陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的研究有很多，但主要集中在SiO2[3]、TiO2[4]等氧化物復(fù)合涂層耐磨性能的提升和配方、工藝的優(yōu)化等方面，對耐磨性能較佳的碳化鎢(WC)及其相應(yīng)的復(fù)合涂層的研究卻很少。本文制備了WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，表征了它的洛氏硬度、結(jié)合強度、抗泥沙沖蝕磨損性能等，并用掃描電鏡觀察沖蝕磨損后涂層的微觀形貌，探討了其在沖蝕條件下的作用機理。

1 實驗

1. 1 原材料

WC陶瓷(純度99.9%，粒徑≤1 μm)，上海晶純生化科技公司；雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51(環(huán)氧當量0.48 ～ 0.54)，無錫樹脂廠；環(huán)氧樹脂固化劑650聚酰胺樹脂[胺值(220 ± 20) mgKOH/g]，無錫樹脂廠；消泡劑BYK-066N，德國畢克公司；硅烷偶聯(lián)劑KBM-903，日本信越公司。

1. 2 基材前處理

基材為ZG06Cr13Ni4Mo高強不銹鋼。先用30目白剛玉砂對基材表面進行噴砂粗化處理使其達到Sa2.5級，再用乙醇、丙酮進行超聲波清洗以去除表面油污，烘干待用。

1. 3 WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的制備

先將環(huán)氧樹脂E-51，分別占體系總質(zhì)量0%、10%、20%和30%的WC陶瓷粉末，以及1% ～ 5%的助劑攪拌均勻，再按m(E-51)∶m(固化劑)= 2∶1加入聚酰胺樹脂固化劑，充分調(diào)和均勻后靜置0.5 ～ 1.0 h以便氣泡上浮直至消失，得到涂料。涂覆方法采用刮涂法，刮片與基材表面呈銳角，順著同一方向緩慢刮涂幾遍，保持涂層平整均勻，然后在室溫下固化3 d，膜厚控制在150 μm左右。

1. 4 表征與性能測試

1. 4. 1 抗拉結(jié)合強度

采用粘結(jié)對偶試樣拉力測試法測定涂層的抗拉結(jié)合強度。將涂料涂覆在干凈的直徑25 mm對偶試樣柱表面，并將配對的2個膠粘面慢慢壓合在一起，前后錯動幾次以排出氣泡和接觸緊密，在固化期內(nèi)置于定中心裝置內(nèi)定位。采用濟南法恩公司W(wǎng)DW-50型5t慢拉伸試驗機，拉伸速率為0.5 mm/min?？估Y(jié)合強度RH= FM/ A，其中FM為最大載荷，N；A是斷裂面橫截面積，mm2。

1. 4. 2 洛氏硬度

按GB/T 9342–1988《塑料洛氏硬度試驗方法》用北京時代公司TH300型洛氏硬度計測試WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的洛氏硬度。用HRR標尺，鋼球壓頭的直徑為1/2″(相當于1.27 cm)，試驗力為588.399 N。試樣直徑為50 mm，測試時點與點的間距大于10 mm，點到邊緣的距離大于10 mm。

1. 4. 3 抗泥沙沖蝕磨損性能

采用自制泥沙沖蝕磨損試驗機評價WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的抗泥沙沖蝕磨損性能。圖1為沖蝕磨損試驗機的結(jié)構(gòu)簡圖。涂層被夾具固定好后繞主軸高速旋轉(zhuǎn)，與石英砂漿相互碰撞，以此來模擬沖蝕磨損環(huán)境。砂漿由粒徑60目的石英砂與水按質(zhì)量比1∶4配制而成。試樣尺寸為20 mm × 20 mm × 4 mm。用Sartorius公司的LE225D型高精度電子天平(精度0.01 mg)稱取試樣的初始質(zhì)量m0后將其放入試驗機，啟動并調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min。每隔5 h取出試樣，清洗并干燥至恒重后再稱量，記為mi，反復(fù)循環(huán)幾次，則磨損率 = [(mi– m0)/ m0] × 100%。

圖1 沖蝕磨損試驗機示意圖Figure 1 Schematic diagram of erosion wear tester

1. 4. 4 微觀形貌

采用德國蔡司公司SUPRA55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層中WC陶瓷的分布情況及沖蝕磨損前后復(fù)合涂層的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2. 1 涂層的結(jié)合強度及洛氏硬度

抗拉結(jié)合強度是評價復(fù)合涂層性能的重要指標，若復(fù)合涂層與基材的抗拉結(jié)合強度不好，性能再好的涂層也會很快剝落失效。WC陶瓷用量為0%、10%、20%和30%時所制復(fù)合涂層的抗拉結(jié)合強度分別為17、16、14和13 MPa，洛氏硬度依次為49、103、104和107 HR。可見隨著WC陶瓷顆粒加入量增大，復(fù)合涂層的抗拉結(jié)合強度不斷降低。但是WC陶瓷顆粒顯著提升了涂層的硬度，且其用量越大，復(fù)合涂層的洛氏硬度就越大。

2. 2 涂層的表面形貌與WC陶瓷顆粒的分散情況

圖2顯示了不同WC添加量下所得WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的表面形貌。可見純環(huán)氧涂層致密光滑；加入WC后，陶瓷顆粒鑲嵌在環(huán)氧樹脂中，并且分散得較為均勻，氣泡很少，致密度較高。當WC用量增多時，部分WC顆粒發(fā)生團聚，個別顆粒的粒徑大于1 μm。

圖2 不同WC添加量所制涂層的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of the coatings prepared with different WC contents

圖3 不同WC添加量所制涂層的磨損率Figure 3 Wear rates of the coatings prepared with different WC contents

2. 3 涂層的抗沖蝕磨損性能

WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的磨損率如圖3所示。隨著沖蝕不斷進行，涂層的磨損率均逐漸減小，最終趨于平穩(wěn)，且加入了WC顆粒的復(fù)合涂層的磨損率比純環(huán)氧涂層更低，說明WC顆粒能起到增強涂層抗泥沙沖蝕磨損性能的作用。WC用量為10%時所制涂層的磨損率最小。此時，環(huán)氧樹脂能夠較好地填入WC陶瓷顆粒的間隙，使涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率較小，達到最佳的協(xié)同作用；而當WC的含量大于10%時，由于環(huán)氧樹脂量減少，無法很好地包覆WC陶瓷顆粒，因此機械結(jié)合作用減弱，使WC顆粒更容易脫落，導(dǎo)致涂層的耐磨性降低[5]。

圖4為經(jīng)過25 h沖蝕磨損試驗后純環(huán)氧涂層和含量為10%的WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的SEM照片。純環(huán)氧涂層經(jīng)過長時間的泥沙沖蝕之后，表面出現(xiàn)明顯的裂紋及剝落，在圖4a中可觀察到許多破碎的石英砂顆粒嵌入純環(huán)氧樹脂涂層中。這是由于作為磨料的石英砂顆粒反復(fù)地對環(huán)氧樹脂涂層進行沖擊和磨削，重復(fù)嵌入、脫落、再嵌入的過程，造成二次破壞，加速環(huán)氧樹脂涂層被磨損的程度，最終導(dǎo)致其失效。而WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的表面相對平整，受破壞程度較輕，這主要是因為最表層耐磨性較差的環(huán)氧樹脂被石英砂磨掉后，作為增強相的WC陶瓷顆粒逐漸暴露出來，擋住了大部分石英砂顆粒的沖擊，并阻止石英砂顆粒嵌入環(huán)氧樹脂中，避免了二次破壞，保護其周圍的環(huán)氧樹脂免遭磨損；與此同時，包裹在WC陶瓷顆粒周圍的環(huán)氧樹脂又可以及時地傳遞磨損能量，防止能量聚積，與WC陶瓷顆粒形成較好的協(xié)同作用，所以WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層被破壞的程度降低[6-7]。

圖4 不同WC添加量所制涂層沖蝕試驗后的表面形貌Figure 4 Surface morphologies of the coatings prepared with different WC contents after erosion wear testing

3 結(jié)論

(1) 在環(huán)氧樹脂中加入WC顆粒所得到的WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的洛氏硬度達到103 ～ 107 HR，而純環(huán)氧涂層的洛氏硬度僅為49 HR。當WC加入量為10%時，復(fù)合涂層的結(jié)合強度最大且耐沖蝕磨損性能也最好。WC陶瓷顆粒增強相與環(huán)氧樹脂基體的協(xié)同作用既降低了環(huán)氧樹脂被磨損的概率，又能很好地固定住WC陶瓷顆粒，防止其被挖出而脫落，這是WC陶瓷/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層抗沖蝕磨損性能較好的主要原因。

(2) 本文所用自制罐式?jīng)_蝕試驗機結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，制備費用低，但實驗環(huán)境與部分實際工況可能存在出入。由于漿體磨損規(guī)律的復(fù)雜性，未來考慮采用噴流式的沖蝕試驗機來進行對比試驗，更進一步研究沖蝕機理。

[1] 王莉容, 吳燕明, 陳小明, 等. 陶瓷顆粒增強環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的力學(xué)性能及斷裂機理分析[J]. 電鍍與涂飾, 2015, 34 (22): 1288-1292.

[2] 耿剛強, 王陽軍, 官磊, 等. 提高環(huán)氧復(fù)合膠粘層抗?jié){體沖蝕磨損性能的改性研究[J]. 表面技術(shù), 2007, 36 (1): 14-15, 21.

[3] 孫磊, 梁志杰, 原津萍, 等. n–SiO2的表面改性及其增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能[J]. 中國表面工程, 2011, 24 (1): 69-72.

[4] 劉栓, 趙霞, 孫虎元, 等. 納米二氧化鈦改性環(huán)氧涂層的交流阻抗譜研究[J]. 電鍍與涂飾, 2013, 32 (10): 61-64.

[5] 馬向東, 林福嚴, 邵荷生. 耐磨環(huán)氧膠粘涂層沖蝕磨損特性的研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 1993, 13 (2): 145-152.

[6] 邢志國, 呂振林, 謝輝. SiC/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖蝕磨損性能的研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 2010, 30 (3): 291-295.

[7] 陳平, 馬峰, 梅華鋒, 等. 高鋁微珠/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖蝕磨損特性[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 2014, 36 (2): 218-225.

[ 編輯：杜娟娟 ]

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Slurry erosion wear resistance of WC ceramic/epoxy composite coating

WANG Li-rong*, CHEN Xiao-ming, WU Yan-ming, MAO Peng-zhan, LIU Wei, FU Li, ZHOU Xia-liang

WC (tungsten carbide) ceramic/epoxy composite coatings were prepared by adding 0%, 10%, 20% and 30% (mass ratio to total mass of paint) WC ceramic to epoxy resin respectively. Their Rockwell hardness, pull adhesion strength and slurry erosion wear resistance were studied. The surface morphologies of the coatings after erosion test were observed by scanning electron microscope. The erosion wear mechanism of coating in slurry was analyzed. The Rockwell hardness of WC ceramic/epoxy composite coatings is 103-107 HR, higher than pure epoxy coating’s 49 HR, and proportional to the amount of WC particles. The composite coating containing 10% of WC particles has the highest pull adhesion strength of 16 MPa and lowest wear rate of 0.017%. WC ceramic particle and epoxy resin were found to have synergetic effect, due to which, the probability that the epoxy resin be worn out is reduced, while the WC particles are firmly fixed in resin making it hard to be dug out and come off. Thus the WC ceramic/epoxy composite coatings have good erosion resistance.

tungsten carbide; epoxy resin; composite coating; erosion resistance; Rockwell hardness; pull adhesion strength; mechanism

Hangzhou Mechanical Design Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China

10.19289/j.1004-227x.2017.14.004

TQ630

：A

：1004 – 227X (2017) 14 – 0741 – 04

2016–08–18

2017–02–08

浙江省科技計劃項目（2013C31044）；浙江省科技計劃項目（2014C31156）；水利部948項目（201218）。

王莉容（1986–），女，浙江杭州人，碩士，工程師，主要研究方向為材料腐蝕防護。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) zbswang@163.com。