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環(huán)氧樹脂的摩擦磨損性能研究
通過(guò)測(cè)試環(huán)氧樹脂(EP)在干摩擦及水、300#液體石蠟潤(rùn)滑下的摩擦性能,考察了環(huán)氧樹脂的磨損率與載荷和滑動(dòng)速度之間的關(guān)系,并采用掃描電子顯微鏡對(duì)材料磨損表面進(jìn)行了觀察,對(duì)磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,在不同條件下,環(huán)氧樹脂磨損率有較大變化,石蠟潤(rùn)滑下的磨損率比干摩擦磨損率小2個(gè)數(shù)量級(jí)。干摩擦下EP的破壞是脆性斷裂和剝落,水潤(rùn)滑下EP破壞是疲勞磨損,石蠟潤(rùn)滑下EP的破壞是塑性變形和剝層磨損。
環(huán)氧樹脂(EP)由于具有良好的耐熱性、高強(qiáng)度和對(duì)基材良好的粘附性能,所以在膠粘劑、密封膠和涂料等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。另外由于其不但具有優(yōu)異的耐磨損和耐酸堿性能,而且具有涂敷工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于零件耐腐蝕磨損表面的涂覆、工件上缺陷的修補(bǔ)和腐蝕磨損表面的修復(fù)等,但是環(huán)氧樹脂也存在脆性大的缺點(diǎn),導(dǎo)致其耐沖擊、抗剝離和耐振動(dòng)疲勞等性能差。本文對(duì)EP涂層在干摩擦和水、300#液體石蠟潤(rùn)滑下的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究,并對(duì)聚合物的磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。
1 實(shí)驗(yàn)方法
1·1 EP磨損材料的制備方法
在環(huán)氧樹脂中加入胺類固化劑,于室溫下強(qiáng)力攪拌均勻,并涂于Q235鋼基體金屬磨塊表面,并將金屬磨塊置入50℃干燥箱中烘烤4h后制成環(huán)氧樹脂磨損實(shí)驗(yàn)?zāi)K。
1·2 耐磨性實(shí)驗(yàn)
首先按GB 7124—2008、GB6329—1996標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EP進(jìn)行拉伸及剪切性能測(cè)試。磨損試驗(yàn)在MRH-3型高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(連云港試驗(yàn)機(jī)廠)上對(duì)EP進(jìn)行磨損性能測(cè)試。磨塊為所制備的涂層材料試樣(涂層厚度為2·5mm),對(duì)偶件為AISI52100鋼環(huán)。環(huán)境溫度為20~24℃,相對(duì)濕度40%,無(wú)潤(rùn)滑。研究在不同載荷和速度條件下材料的磨損性能,具體實(shí)驗(yàn)條件如下:轉(zhuǎn)動(dòng)速度200r/min(對(duì)應(yīng)的線速度為0·52 m/s)時(shí),載荷50~200 N;載荷150 N時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度100~400r/min(對(duì)應(yīng)的線速度為0·26~1·04 m/s)。試驗(yàn)結(jié)束后用游標(biāo)卡尺測(cè)量磨痕的寬度,計(jì)算磨損體積為:
1·3 SEM分析
試驗(yàn)后EP磨損表面噴金處理后,采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)分析EP磨痕表面形貌。
2 結(jié)果與討論
2·1 磨損率與載荷的關(guān)系
在干摩擦和水、300#液體石蠟潤(rùn)滑條件下將EP在0·52m/s(轉(zhuǎn)速200 r/min)滑動(dòng)速度下,與鋼環(huán)在不同載荷下對(duì)磨,進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。
載荷從50~200 N變化,在干摩擦下的磨損率在10-3~10-2mm3/m,磨損率從5·8×10-3~1·8×10-2mm3/m;水潤(rùn)滑下的磨損率在10-3~10-4mm3/m數(shù)量級(jí),磨損率從4·8×10-4~1·7×10-3mm3/m;液體石蠟潤(rùn)滑下的磨損率在10-5~10-4mm3/m數(shù)量級(jí),磨損率從5·2×10-5~1·5×10-4mm3/m。幾種潤(rùn)滑條件下磨損率均隨著載荷的增加而增加。
2·2 磨損率與滑動(dòng)速度的關(guān)系
在干摩擦和水、300#液體石蠟潤(rùn)滑條件下將EP在載荷150 N下,與鋼環(huán)在不同滑動(dòng)速度下進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。隨著滑動(dòng)速度的變化,在干摩擦下的磨損率隨滑動(dòng)速度的增加明顯增加;水潤(rùn)滑下的磨損率在滑動(dòng)速度較低情況下,磨損率增加較少,而在較大速度下,磨損率增加較多;液體石蠟潤(rùn)滑下的磨損率的變化較小,在前3個(gè)測(cè)試點(diǎn)磨損率基本沒(méi)變化,而在高速度時(shí)磨損率變化較大。
2·3 摩擦磨損SEM分析
EP在滑動(dòng)速度為0·52 m/s、載荷分別為50 N及200N的干摩擦條件下摩擦,其磨損表面的SEM,環(huán)氧樹脂在載荷50 N時(shí),其磨損表面出現(xiàn)塑性變形唇,載荷200 N時(shí)則出現(xiàn)嚴(yán)重的脆性斷裂和剝落,向裂痕兩邊擠壓水潤(rùn)滑下EP在0·52 m/s速度, 50 N和200 N載荷摩擦磨損表面的SEM形貌, EP在較低載荷50N時(shí),材料磨損表面出現(xiàn)輕微的磨損,在較高載荷200 N材料磨損表面出現(xiàn)微裂紋。這表明環(huán)氧樹脂在水潤(rùn)滑下的磨損機(jī)理主要為疲勞磨損。300#液體石蠟潤(rùn)滑下EP在0·52 m/s速度50N和200 N載荷下的摩擦磨損表面的SEM形貌 EP在較低載荷50 N,材料磨損表面出現(xiàn)輕微的塑性變形和剝落層,表面出現(xiàn)的小坑為在固化時(shí)EP中形成的氣泡;在較高載荷200N,材料磨損表面出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形和剝落層。這表明EP在液體石蠟潤(rùn)滑下的磨損機(jī)理為塑性變形和剝層磨損。
3 環(huán)氧樹脂磨損機(jī)理失效分析
從前面的實(shí)驗(yàn)研究可以看出,
EP摩擦表面的接觸應(yīng)力隨載荷的增加而升高,摩擦表面施加應(yīng)力的頻率隨滑動(dòng)速度的增加而增加,接觸應(yīng)力和施加應(yīng)力頻率的增加能加速摩擦表面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展,因此隨著載荷和滑動(dòng)速度的增加無(wú)論是在干摩擦還是水、液體石蠟潤(rùn)滑下EP磨損率亦明顯增加。
聚合物的摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)一塊硬的滑塊在聚合物表面上擦過(guò),就會(huì)在滑塊的前面有能量加到聚合物里面,而在滑塊的后面則會(huì)因?yàn)榫酆衔锏幕貜棔?huì)有一定能量的釋放并且把滑塊向前推動(dòng)。其中能量的總損耗和輸入能與聚合物的彈性滯后損耗有關(guān)。聚合物粘著轉(zhuǎn)移機(jī)理認(rèn)為:柔軟的聚合物材料在摩擦過(guò)程中常常向?qū)δγ孓D(zhuǎn)移,這樣不論對(duì)摩擦材料是金屬還是無(wú)機(jī)非金屬,體系的最終摩擦總是趨向于聚合物和聚合物之間的摩擦。因此聚合物的摩擦對(duì)測(cè)試條件如表面粗糙度、滑動(dòng)速度、外加負(fù)荷和測(cè)試環(huán)境等因素非常敏感。聚合物的摩擦往往伴隨著材料的轉(zhuǎn)移,因此,聚合物的分子結(jié)構(gòu)和分子強(qiáng)度也是聚合物摩擦的主要因素之一。另外,材料的摩擦和磨損行為受接觸表面性能的影響很大,因此,如能改善聚合物材料表面的性能,最直接方法就是在聚合物與摩擦面的表面通過(guò)潤(rùn)滑,可以改善聚合物的摩擦磨損性能。
通過(guò)潤(rùn)滑可以進(jìn)一步改善聚合物材料的摩擦磨損性能。固體表面按張力大小可以分為高能和低能2大類。聚合物的表面張力較低,液體較難在上面展開,也不易浸潤(rùn)。雖然如此,但幾乎所有的聚合物材料都可以通過(guò)潤(rùn)滑而使其摩擦性能和磨損性能得到改善。與金屬顯著不同的地方還在于,大多數(shù)聚合物對(duì)潤(rùn)滑要求較低,不論是在半干、半液等工作條件下都能正常工作,甚至可以用水或者用一些有腐蝕性的工作介質(zhì)潤(rùn)滑。本文在水及300#液體石蠟的潤(rùn)滑下,磨損率有了較大降低,說(shuō)明液體潤(rùn)滑可以明顯的改善聚合物的磨損性能。 |
