起重機械金屬結(jié)構(gòu)聚脲涂層的耐磨性能研究

謝騰飛， 毛錦榮， 周葉平

(江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院， 江西 南昌 330096)

0 前 言

近年來，隨著我國工程建設的大力發(fā)展，起重機械在船舶、航空航天、電力、基材、冶金、橋梁鐵道等現(xiàn)代化生產(chǎn)中的應用越來越廣泛[1]。 然而，起重機械數(shù)量在逐年增大的同時，每年拆除報廢的數(shù)量也顯著增加，其中80%以上的起重機報廢都是因為其機體結(jié)構(gòu)腐蝕、磨損失效導致[2，3]。 由于起重機械使用頻率高，工作環(huán)境相對惡劣，常被擱置于露天環(huán)境或潮濕腐蝕的環(huán)境中，其表皮油漆保護層經(jīng)常會因磨損及腐蝕損壞而喪失防護功能，進而使得金屬機體腐蝕失效引發(fā)安全事故。 起重機械金屬結(jié)構(gòu)材料腐蝕不僅容易引發(fā)安全事故，同時也對金屬材料造成了巨大浪費[4，5]。 因此，在惡劣環(huán)境下，如何提高起重機金屬結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能，降低起重機的能耗，成為當前迫切需要解決的問題。

聚脲彈性體(SPUA)是一種集塑料、橡膠、涂料、玻璃鋼等特點于一身的新型萬能材料。 SPUA 的出現(xiàn)為防腐界提供了一種新型材料和施工技術，也為工程應用提供了一種新的捷徑。 其與其他傳統(tǒng)涂層相比較，具有明顯的性能優(yōu)勢:如不含催化劑，能快速固化，在任何面噴涂都不產(chǎn)生流淌現(xiàn)象；施工性較好，造價便宜，適合大面積涂裝；涂層致密無縫隙，耐酸堿鹽、油等介質(zhì)長期腐蝕；耐紫外線老化，在戶外長期使用不開裂等。 在涂層應用中，涂層耐磨損能力是評價聚脲涂層使用壽命的重要指標，且聚脲涂層技術常應用于重工業(yè)、水利建筑等工程項目中，在惡劣環(huán)境下經(jīng)常經(jīng)受設備之間、泥沙污漬等的磨損，可見研究聚脲涂層的耐磨損性能顯得十分必要。

因此，聚脲涂層逐漸被人們重視的同時，制備出適合起重機械耐蝕耐磨的聚脲涂層具有必然的趨勢。 目前，人們對聚脲涂層在不同條件下的磨損失效形式還需深入了解，王姍等[6]將羥基硅油引入到聚脲反應體系中成膜，發(fā)現(xiàn)涂層對織物的耐磨性有明顯提升。Walley 等[7]通過對聚乙烯樹脂涂層沖蝕磨損研究發(fā)現(xiàn)，材料的表面光潔度對涂層的斷裂機理起到至關重要的作用。 Monetta 等[8]通過EIS 技術研究低碳鋼表面的環(huán)氧有機涂層的防護性能，結(jié)果顯示涂層厚度對涂層壽命均有影響。 本工作以起重機械用Q235 鋼為基體制備了不同厚度的聚脲涂層，分析討論了涂層厚度、加載情況對聚脲涂層磨損性能的影響，進一步探討了聚脲涂層的磨損失效機制。

1 試 驗

試驗采用的基材為Q235，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)如下:C ≤0.200，Si≤0.550，Mn 1.000～1.600，P≤0.045，S≤0.045，V 0.020～0.150，Nb 0.015～0.060，Al 0.020～0.200，F(xiàn)e 余量。

采用的聚脲涂層主要是由異氰酸酯聚合物(A 組分，15%～16%)、稀釋劑(碳酸丙二酯)和胺組分(B 組分)組合而成。 試驗采用MMU-5G 型高溫摩擦磨損試驗機評價聚脲涂層的耐磨性能，通過聚脲涂層與摩擦副鋼環(huán)、涂層與涂層之間的干摩擦磨損試驗(環(huán)環(huán)對磨)，測試涂層的耐磨性能。 根據(jù)試驗設備對試樣形狀及尺寸的要求，將磨損試樣加工成環(huán)形，其中外徑D1 ＝80 mm，內(nèi)徑D2 ＝60 mm，厚度d＝10 mm。 將加工出來的試樣放入丙酮和酒精中清洗，接著對試件表面噴砂粗化處理，在鋼環(huán)表面噴涂聚脲涂層，涂層試樣采取手工涂刷，使用細小毛刷均勻涂刷在準備好的基材試樣表面，根據(jù)所需涂層厚度計算涂刷次數(shù)，待前次涂刷涂層干結(jié)后繼續(xù)涂刷，每次涂刷厚度約為0.15 mm 左右，試驗結(jié)束后需要用儀器測量涂層厚度。 試樣分1，2，3，4 號4 個厚度，分別對應的涂層厚度為0 mm (未加聚脲涂層)、0.6 mm、1.2 mm、2.1 mm，試樣實物圖如圖1所示。

圖1 磨損試樣實物圖Fig. 1 Physical drawing of wear sample

試樣制備后，分別用電子天平(精度為0.1 mg)測量記錄試樣及對偶鋼環(huán)質(zhì)量原始值，再進行摩擦副對偶鋼環(huán)對磨試驗。 磨損試驗參數(shù)如下:摩擦磨損試驗正壓力50 N；試驗轉(zhuǎn)速100 r/min；摩擦磨損時間20 min。 試驗結(jié)束后，用丙酮擦拭清洗試樣，再用酒精清洗試樣，并用吹風機吹干試樣，最后使用電子天平(精度為0.1 mg)測量試件質(zhì)量(測量3 次取平均值)，計算磨損量ΔW和磨損率η。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚脲涂層厚度對涂層磨損性能的影響

表1 為不同涂層厚度下的試樣磨損量及磨損率。從表1 可以看出，當磨損試樣未采用涂層時，其磨損量及磨損率較高，分別為79.23 mg、1.802×10-4mg/mm。當試樣表面覆蓋涂層時，材料磨損量及磨損率迅速下降，但隨著涂層厚度的增加，磨損量變化不明顯，其磨損量和磨損率分別約為30 mg、6.8×10-5mg/mm。 由磨損公式可知，磨損時間相同時，耐磨性能的優(yōu)劣與磨損量成反比，即基材噴涂聚脲涂層后，磨損量明顯降低，而耐磨性能明顯提高；且從試驗數(shù)據(jù)可以看出，噴涂聚脲涂層后，磨損量遠低于HG/T 3831“噴涂聚脲防護材料”中所規(guī)定的小于80 mg(7.5 N，100 r/min)的標準[9]，由此可說明噴涂聚脲涂層具有良好的耐干摩擦磨損性能。 另外，當涂層厚度超過0.6 mm 時，涂層磨損量基本不發(fā)生變化，說明涂層表面沒有出現(xiàn)大面積的脫落現(xiàn)象，涂層的結(jié)合性能較好。

表1 不同涂層厚度下的試樣磨損量及磨損率Table 1 Fricion and wear test results of coating with different thickness

2.2 加載對涂層磨損性能的影響

表2 為不同載荷下的涂層的磨損量及磨損率。 由表2 可以看出，隨著載荷的增大，涂層平均磨損量和磨損速率逐漸增大，當摩擦磨損正壓力為50，100 N 時，聚脲涂層試樣的磨損量為30 mg 左右，遠低于工業(yè)國準HG/T 3831 中的規(guī)定，具有較強的耐磨性；隨著正壓力增至150 N 時，試樣磨損量陡增至76.89 mg，但聚脲涂層表面沒有出現(xiàn)大面積的脫落現(xiàn)象，同時摩擦副對偶的磨損量仍然較低，且不隨正壓力的增大而發(fā)生大變化，表現(xiàn)出較好的耐磨性。

表2 不同載荷下的涂層磨損量及磨損率Table 2 Friction and wear test results of coating under different load

對應下表不同量值分析認為，聚脲涂層表面與摩擦副對偶摩擦初期，兩者表面光潔度較好，在受到較小壓力時，涂層可能只發(fā)生彈性變形，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，涂層表面粗糙度不發(fā)生大的變化，所以涂層的磨損量較低。 當所受正壓力增大到一定值時(150 N)，產(chǎn)生的摩擦力將破壞涂層內(nèi)部分子之間的結(jié)合力，此時涂層形成的塑性變形不可逆，且隨著壓力的增大，摩擦產(chǎn)生的熱量太大而來不及散失，將使涂層的硬度降低，表面粗糙度增大，涂層易產(chǎn)生刮傷及脫落現(xiàn)象，因而涂層磨損量迅速增大。

2.3 涂層之間的摩擦磨損性能

表3 為試件選用厚度同為0.6 mm 的聚脲涂層試樣，在50 N、100 r/min 條件下進行摩擦磨損試驗，試驗結(jié)束后按照上述稱重步驟，計算材料平均磨損量及平均磨損率。

表3 試樣磨損試驗結(jié)果Table 3 Specimen wear test results

從表3 的磨損試驗數(shù)據(jù)得知，涂層與涂層之間的磨損量非常大，按照工業(yè)國準HG/T 3831 來評價，涂層之間干磨損時耐磨性能很差。 同時，從兩者之間干摩擦磨損過程中發(fā)現(xiàn)涂層試樣表面溫度很高，且有大量的聚脲涂層磨屑掉落。 這是由于在干摩擦磨損試驗過程中，摩擦力產(chǎn)生的熱量不斷增大，而聚脲涂層自身散熱能力就不強，摩擦熱無法及時散失掉，在涂層表面聚集，最終降低涂層表面硬度，增加表面粗糙度，涂層與涂層之間發(fā)生劇烈的磨損，故磨損量非常大。

2.4 磨損機理分析

圖2 為涂層與涂層之間摩擦磨損后試樣局部表面形貌。 由磨損形貌可知，涂層磨損表面主要包括2 個特征區(qū)域，分別為聚集在凹坑中的細小顆粒和呈片狀的暗色層。 圖中細小的顆粒是由涂層表面破裂所致或是層狀顆粒四周發(fā)生斷裂造成的，以及被剝落的微小磨屑所形成的。 聚脲涂層在磨損過程中，熱量主要來源于兩者摩擦力作功，可用公式(1)來描述總熱量:

圖2 干摩擦涂層試樣表面形貌Fig. 2 Surface morphology of dry friction coating sample

式中:F為試驗載荷，μ為摩擦系數(shù)，ω為旋轉(zhuǎn)速度，ri與r0分別為磨痕內(nèi)外半徑。

由上文可知，當載荷為50 N 時，因載荷較低，接觸壓力小，滑動摩擦過程中，滑動阻力小，摩擦熱量低，傳遞到涂層表面的能量低，從而磨損破壞程度較低。 在摩擦磨損過程中發(fā)生犁削、磨粒磨損時，摩擦表面的黏著點少，實際接觸面積很小，表面粗糙度變化甚微，涂層表面能產(chǎn)生較大的可逆彈性變形，因此涂層不會因為犁削作用而發(fā)生大面積的脫落，聚脲涂層的磨損量較低。

載荷為100 N 時，摩擦力做功增加，涂層磨損表面中能量增加，損耗在涂層內(nèi)部能量增加；在作用力擠壓下，內(nèi)部微裂紋不斷擴張，經(jīng)過反復摩擦后，層片狀顆粒沿著裂紋產(chǎn)生斷裂，在層與層未楔合部位結(jié)合強度較低，容易從涂層上脫落，形成剝落坑。 載荷繼續(xù)增至150 N，接觸壓力過大，對偶件壓入較深，局部應力過高，導致涂層開裂、剝落。 在高載荷下，摩擦產(chǎn)熱增加，磨損接觸面溫度升高，磨損面呈現(xiàn)層狀疊加。 隨載荷的增大，摩擦力做功增加，在摩擦力的作用下，能量增加，加快了裂紋擴展，涂層相互粘結(jié)在一塊，表面出現(xiàn)大面積的黏著痕跡，涂層試樣表面大塊被撕裂，涂層的耐磨性能明顯下降。

綜述可知，在低載荷下(小于50 N)，涂層的磨損形式主要為磨粒磨損，而隨著載荷逐漸增大，涂層磨損形式主要表現(xiàn)為黏著磨損。 因此，在一定的溫度和載荷下，聚脲涂層具有較好的剛性、熱穩(wěn)定性及耐磨性，在實際使用過程中應該盡量避免涂層在高載荷下摩擦運行，且盡量減少涂層與涂層之間的干摩擦磨損。

3 結(jié) 論

(1)在一定條件下(加載為50 N，轉(zhuǎn)速100 r/min，磨損時間20 min)，當涂層厚度由0 增加到0.6 mm 時，基材磨損量及磨損率明顯降低，聚脲涂層明顯提高了金屬結(jié)構(gòu)的耐磨性能。

(2)在100 N 載荷作用下，聚脲涂層具有良好的耐磨性能，當正壓力增加至150 N 時，聚脲涂層的耐磨性下降較快，且磨損量較大。

(3)在低載荷下，涂層主要為磨粒磨損，隨著載荷的增大，涂層之間主要發(fā)生黏著磨損。 在實際使用過程中盡量避免涂層在高載荷下摩擦運行，且盡量減少涂層與涂層之間的干摩擦磨損。