環氧樹脂的摩擦磨損性能研究

通過測試環氧樹脂(EP)在干摩擦及水、300#液體石蠟潤滑下的摩擦性能,考察了環氧樹脂的磨損率與載荷和滑動速度之間的關系,并采用掃描電子顯微鏡對材料磨損表面進行了觀察,對磨損機理進行了分析。結果表明,在不同條件下,環氧樹脂磨損率有較大變化,石蠟潤滑下的磨損率比干摩擦磨損率小2個數量級。干摩擦下EP的破壞是脆性斷裂和剝落,水潤滑下EP破壞是疲勞磨損,石蠟潤滑下EP的破壞是塑性變形和剝層磨損。
  環氧樹脂(EP)由于具有良好的耐熱性、高強度和對基材良好的粘附性能,所以在膠粘劑、密封膠和涂料等領域中獲得廣泛應用。另外由于其不但具有優異的耐磨損和耐酸堿性能,而且具有涂敷工藝簡單、成本低廉的優點,因而被廣泛應用于零件耐腐蝕磨損表面的涂覆、工件上缺陷的修補和腐蝕磨損表面的修復等,但是環氧樹脂也存在脆性大的缺點,導致其耐沖擊、抗剝離和耐振動疲勞等性能差。本文對EP涂層在干摩擦和水、300#液體石蠟潤滑下的摩擦磨損性能進行了研究,并對聚合物的磨損機理進行了分析。
  1　實驗方法
  1·1　EP磨損材料的制備方法
  在環氧樹脂中加入胺類固化劑,于室溫下強力攪拌均勻,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后制成環氧樹脂磨損實驗磨塊。
  1·2　耐磨性實驗
  首先按GB 7124—2008、GB6329—1996標準對EP進行拉伸及剪切性能測試。磨損試驗在MRH-3型高速環塊摩擦磨損試驗機(連云港試驗機廠)上對EP進行磨損性能測試。磨塊為所制備的涂層材料試樣(涂層厚度為2·5mm),對偶件為AISI52100鋼環。環境溫度為20~24℃,相對濕度40%,無潤滑。研究在不同載荷和速度條件下材料的磨損性能,具體實驗條件如下:轉動速度200r/min(對應的線速度為0·52 m/s)時,載荷50~200 N;載荷150 N時轉動速度100~400r/min(對應的線速度為0·26~1·04 m/s)。試驗結束后用游標卡尺測量磨痕的寬度,計算磨損體積為:
  1·3　SEM分析
  試驗后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　結果與討論
  2·1　磨損率與載荷的關系
  在干摩擦和水、300#液體石蠟潤滑條件下將EP在0·52m/s(轉速200 r/min)滑動速度下,與鋼環在不同載荷下對磨,進行摩擦磨損實驗。
  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;水潤滑下的磨損率在10-3~10-4mm3/m數量級,磨損率從4·8×10-4~1·7×10-3mm3/m;液體石蠟潤滑下的磨損率在10-5~10-4mm3/m數量級,磨損率從5·2×10-5~1·5×10-4mm3/m。幾種潤滑條件下磨損率均隨著載荷的增加而增加。
  2·2　磨損率與滑動速度的關系
  在干摩擦和水、300#液體石蠟潤滑條件下將EP在載荷150 N下,與鋼環在不同滑動速度下進行摩擦磨損實驗。隨著滑動速度的變化,在干摩擦下的磨損率隨滑動速度的增加明顯增加;水潤滑下的磨損率在滑動速度較低情況下,磨損率增加較少,而在較大速度下,磨損率增加較多;液體石蠟潤滑下的磨損率的變化較小,在前3個測試點磨損率基本沒變化,而在高速度時磨損率變化較大。
  2·3　摩擦磨損SEM分析
  EP在滑動速度為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,環氧樹脂在載荷50 N時,其磨損表面出現塑性變形唇,載荷200 N時則出現嚴重的脆性斷裂和剝落,向裂痕兩邊擠壓水潤滑下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,材料磨損表面出現輕微的磨損,在較高載荷200 N材料磨損表面出現微裂紋。這表明環氧樹脂在水潤滑下的磨損機理主要為疲勞磨損。300#液體石蠟潤滑下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,材料磨損表面出現輕微的塑性變形和剝落層,表面出現的小坑為在固化時EP中形成的氣泡;在較高載荷200N,材料磨損表面出現嚴重的塑性變形和剝落層。這表明EP在液體石蠟潤滑下的磨損機理為塑性變形和剝層磨損。
  3　環氧樹脂磨損機理失效分析
  從前面的實驗研究可以看出,
  EP摩擦表面的接觸應力隨載荷的增加而升高,摩擦表面施加應力的頻率隨滑動速度的增加而增加,接觸應力和施加應力頻率的增加能加速摩擦表面裂紋的產生和擴展,因此隨著載荷和滑動速度的增加無論是在干摩擦還是水、液體石蠟潤滑下EP磨損率亦明顯增加。
  聚合物的摩擦學實驗表明,當一塊硬的滑塊在聚合物表面上擦過,就會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因為聚合物的回彈會有一定能量的釋放并且把滑塊向前推動。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。聚合物粘著轉移機理認為:柔軟的聚合物材料在摩擦過程中常常向對摩面轉移,這樣不論對摩擦材料是金屬還是無機非金屬,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測試條件如表面粗糙度、滑動速度、外加負荷和測試環境等因素非常敏感。聚合物的摩擦往往伴隨著材料的轉移,因此,聚合物的分子結構和分子強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潤滑,可以改善聚合物的摩擦磨損性能。
  通過潤滑可以進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。雖然如此,但幾乎所有的聚合物材料都可以通過潤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,大多數聚合物對潤滑要求較低,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潤滑。本文在水及300#液體石蠟的潤滑下,磨損率有了較大降低,說明液體潤滑可以明顯的改善聚合物的磨損性能。