0引言

　　沖蝕磨損是較為常見的磨損形式之一，占常出現(xiàn)的磨損破壞總數(shù)的8%。其廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，如水輪機(jī)葉片、泥漿泵以及混凝土和瀝青攪拌機(jī)中的攪拌葉片和護(hù)板的磨損等。因此，選擇一種簡單、快速、費(fèi)用低、效果好的能防止及修復(fù)零部件磨損的工藝十分重要。以改性環(huán)氧樹脂為粘接劑，添加陶瓷顆粒而成的復(fù)合材料，固化后具備了優(yōu)異的耐沖蝕磨損性能[1]，將其作為耐磨涂層材料應(yīng)用于各類過流部件的表面，其涂覆工藝簡單，成本低廉，無熱影響區(qū)及變形。這種復(fù)合材料除了可用于零件表面耐腐蝕、耐磨損的預(yù)置涂層及零件腐蝕磨損表面的修復(fù)之外，還廣泛用于修補(bǔ)工件上的各種缺陷如裂紋、劃傷、尺寸超差及鑄造缺陷等。此共混體系當(dāng)且僅當(dāng)各有機(jī)相之間、無機(jī)填料及骨架材料表面與所接觸的有機(jī)相之間牢固地粘合在一起，材料才能顯示出良好的性能。為了改進(jìn)界面之間的粘接，就需要一種界面交聯(lián)劑，稱為偶聯(lián)劑。在環(huán)氧樹脂膠粘劑中，最成熟和最實(shí)用的就是有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑，本試驗(yàn)應(yīng)用的KH-550就屬此類偶聯(lián)劑，其表面能γc與環(huán)氧樹脂粘接劑的表面能γ之間滿足良好偶聯(lián)效果必備條件：γ≥γ。

　　有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑常用的使用方法有如下幾種：

　　1）表面處理法。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～1.0%的偶聯(lián)劑配制成95%的乙醇溶液，使用時(shí)加入填料中并攪拌均勻，晾干后再在120～160°C下烘30min，然后冷卻至室溫即可。此法有利于偶聯(lián)劑的均勻分散，可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)填料表面的有機(jī)化處理。

　　2）遷移法。將所選用的硅烷偶聯(lián)劑按膠粘劑干膠量的1%～5%計(jì)，直接加到膠粘劑組分中去。在固化過程中，由于分子的擴(kuò)散作用，偶聯(lián)劑分子遷移到被粘接材料表面。

　　3）對(duì)填料直接處理。

　　4）把偶聯(lián)劑加到環(huán)氧/填料混合體系中。后兩種方法的缺點(diǎn)是不利于偶聯(lián)劑的均勻分散，故在本實(shí)驗(yàn)中，筆者選用前兩種使用方法處理碳化硅顆粒，并用超聲波分散。

　　著重研究了在環(huán)氧膠粘涂層中加入偶聯(lián)劑KH-550對(duì)共混體系粘接強(qiáng)度（包括剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度）、耐磨性的影響，以便確定在膠粘涂層中較好的使用方法及最佳加入量。

　　1試驗(yàn)

　　1.1試驗(yàn)材料

　　本試驗(yàn)所采用的環(huán)氧膠粘涂層的基本配方為：

　　A組分：基料環(huán)氧樹脂E-44/E-51=1/1，10.0g；增韌劑聚氨酯預(yù)聚體，2.0g；少許有機(jī)硅油消泡劑。

　　B組分：固化劑改性胺T31，2.0g；固化促進(jìn)劑DMP30，0.5g。

　　1.2試樣的制備及測試方法

　　本試驗(yàn)的試驗(yàn)方案見表1.為了確定改性環(huán)氧樹脂與鋼及SiC粒子間的粘接強(qiáng)度，分別測定了改性環(huán)氧樹脂與鋼間的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，以及改性環(huán)氧樹脂粘接SiC粒子間的彎曲強(qiáng)度。剪切試樣為50mm×20mm×3mm的片狀試樣，將2片試樣搭接，中間充填改型環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂固化后進(jìn)行剪切強(qiáng)度測定。拉伸試樣為�b20mm×50mm的圓柱試樣，將2個(gè)圓柱試樣端部對(duì)接，中間充填3mm后的改型環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂固化后進(jìn)行拉伸性能測定。按照表1所示組分和混料順序混合好原料后，分別制備10mm×10mm×40mm和20mm×20mm×10mm的試樣，固化后進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和沖蝕磨損耐磨性測定。

　　注：原料加入順序環(huán)氧樹脂+增韌劑+偶聯(lián)劑+SiC+固化劑+促進(jìn)劑。按照表1制備1～10號(hào)試樣。熟化一段時(shí)間后澆注在處理好的模具中。

　　剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度用試樣為3組，在萬能試驗(yàn)機(jī)上測定并最終取3組結(jié)果的平均值。

　　沖蝕試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室自制沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，參數(shù)為：沖蝕速度為11m/s，漿料濃度為8%，磨料粒度為20～30目，沖蝕角度選用60°，沖蝕時(shí)間為45min/次，共沖蝕3次，取平均值。材料沖蝕磨損耐磨性用材料每單位時(shí)間（1min）的失重量δ來表示：磨損率δ=試樣的失重量/時(shí)間。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1KH-550對(duì)基本配方粘接強(qiáng)度的影響（見圖1）

　　由圖1可以看出：在偶聯(lián)劑使用方法為表面處理法時(shí)，所得的彎曲強(qiáng)度不僅強(qiáng)度很低，雜亂無章，而且在KH-550添加量為0時(shí)，彎曲強(qiáng)度最高，這也否定了偶聯(lián)劑的作用。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因可能是在硅烷偶聯(lián)劑溶液處理SiC過程中，KH-550緩慢水解縮合而失去與表面作用的能力。相比較1～5號(hào)與6～10號(hào)，在偶聯(lián)劑的使用方法上，遷移法更實(shí)用一些。

　　KH-550的加入提高了膠粘涂層粘接強(qiáng)度，使2種不同表面性質(zhì)的材料結(jié)合成牢固的整體，并且隨著KH-550加入量的增加，粘接強(qiáng)度———剪切、拉伸、彎曲強(qiáng)度都呈現(xiàn)一種趨勢：先增大直至最高值，然后降低。具體為：當(dāng)KH-550加入量為4.9%時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最高值30.96MPa，性能提高（相比0%時(shí)）達(dá)915.1%。當(dāng)加入量為3.3%時(shí)，拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度都達(dá)到最高值，分別為27.18MPa與71.34MPa，性能分別提高達(dá)262.9%與19.2%；此時(shí)，剪切強(qiáng)度也達(dá)到了25.97MPa，性能提高達(dá)751.5%。綜上所述：8號(hào)試樣（遷移法KH-550使用量為3.3%）的綜合粘接性能最優(yōu)。

　　偶聯(lián)劑的加入之所以顯著提高膠粘涂層粘接強(qiáng)度是與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)。偶聯(lián)劑KH550的結(jié)構(gòu)式為：H2NCH2CH2CH2Si（OC2H5）3（γ-氨丙基三乙氧基硅烷），它的最大特點(diǎn)是分子中包含有性質(zhì)不同的2個(gè)基團(tuán)，一個(gè)是親無機(jī)物基團(tuán)—OC2H5，它水解形成硅醇，易與無機(jī)材料（如金屬材料或填料）起化學(xué)反應(yīng)生成硅氧烷；另一個(gè)是親有機(jī)物基團(tuán)—NH2，它能與有機(jī)合成材料（如基料）起反應(yīng)。有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑在2個(gè)不同材料界面的偶聯(lián)過程，是1個(gè)復(fù)雜的液-固表面物理化學(xué)過程，即浸潤-取向-交聯(lián)過程。由于偶聯(lián)劑黏度低、表面張力小，對(duì)金屬等無機(jī)材料的表面接觸角很小，所以在它與無機(jī)材料的表面上，可以迅速鋪展開來，使其被偶聯(lián)劑潤濕。又由于空氣中的極性固體材料表面上總吸附著1層薄薄的水，所以一旦偶聯(lián)劑表面被浸潤，分子兩端的基團(tuán)便分別向極性相近的表面擴(kuò)散。一端的—Si（OH）3基團(tuán)取向于無機(jī)材料表面，同時(shí)與取向表面的水分子等發(fā)生水解縮聚，產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)；有機(jī)官能團(tuán)—NH2則向有機(jī)樹脂表面取向，在固化中與膠粘劑中的相應(yīng)官能團(tuán)進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，使之完成異相表面間的偶聯(lián)過程[6].如圖2所示，經(jīng)KH-550處理后環(huán)氧樹脂E-44在2921、1629、1470、1390cm-1出現(xiàn)了甲基、亞甲基等與KH-550官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的吸收峰。這些特征表明，偶聯(lián)劑分子已靠化學(xué)鍵合作用聯(lián)接到環(huán)氧樹脂表面。這樣，2個(gè)性質(zhì)不同的化學(xué)反應(yīng)把環(huán)氧樹脂與填料顆粒、金屬基體以化學(xué)鍵聯(lián)接起來，起著架橋作用，從而使它們?cè)谙嗷ソ佑|的表面交界處結(jié)合得更加牢固，其偶聯(lián)作用示意圖如圖3所示。當(dāng)KH-550加入量較少時(shí)，它不能有效地偶聯(lián)基料與基體，即交聯(lián)反應(yīng)不很充分，故粘接強(qiáng)度達(dá)不到理想值。但若加入量過多，KH-550分子的一端水解析出的低分子物增多，從而增加了孔隙度，縮小了膠粘涂層的有效粘接面積。同時(shí)由于水分子的殘留及偶聯(lián)劑自身的聚合等也會(huì)造成膠層缺陷出現(xiàn)畸變大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，破壞膠粘涂層的剪切強(qiáng)度。所以，隨KH-550加入量的增加，粘接強(qiáng)度必然會(huì)出現(xiàn)1個(gè)峰值。

　　對(duì)比圖4a、圖4b及圖4c，添加KH-550的涂層斷面上，出現(xiàn)魚鱗層狀斷裂特性（如圖4中A、B處），說明在外界載荷作用下，復(fù)合材料沒有從粘接劑固化物與顆粒間斷裂，而是呈現(xiàn)典型的樹脂斷裂特征，證明界面結(jié)合良好，結(jié)合強(qiáng)度大于粘接劑自身強(qiáng)度；而未加KH-550的斷面上，在粘接劑固化物與SiC顆粒結(jié)合處有若干清晰裂紋（如C及D處），界面結(jié)合不良，如若施加外界載荷，這些裂紋極易沿原有方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致顆粒周圍得不到膠體的鑲嵌固定作用而脫落出來，造成涂層的失效。

　　2.2KH-550對(duì)膠粘涂層耐磨性的影響

　　從圖5中可以看到：不論KH-550以何種方式加入，使用量為多少，膠粘涂層的耐沖蝕磨損性相比未加入KH-550時(shí)都得到一定的提高，并且復(fù)合試樣的耐磨性在膠體具有高粘接強(qiáng)度時(shí)較好，其中8號(hào)試樣（遷移法KH-550量為3.3%）的沖蝕磨損率最低，為0.11mg/min，1號(hào)試樣（KH-550量為0%）的相對(duì)耐磨性達(dá)5.36。

　　在復(fù)合涂層的沖蝕磨損過程中，膠體固化物的硬度比沖擊粒子低得多，極易磨損。隨膠體固化物的進(jìn)一步磨損，碳化硅顆粒的暴露面積不斷增大，在磨粒的不斷沖擊下，碳化硅顆粒與膠體的界面處將產(chǎn)生反復(fù)的變形，最終導(dǎo)致該處形成疲勞裂紋。裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，必將引起碳化硅顆粒與復(fù)合層內(nèi)膠體的結(jié)合失效，致使碳化硅顆粒從膠體上脫落，形成凹坑，此為磨損的一個(gè)循環(huán)過程�？梢娔z體與碳化硅顆粒間的界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)復(fù)合涂層的磨損速度有決定性影響，界面結(jié)合強(qiáng)度越大，在沖擊力下越不易失效，粒子脫落的可能性大大減小，因而復(fù)合涂層的磨損量越小。因此提高各相之間界面結(jié)合強(qiáng)度是提高復(fù)合材料耐磨性的關(guān)鍵因素。而偶聯(lián)劑則恰恰能很好地使膠體各組分相之間、無機(jī)填料及鋼基表面與所接觸的有機(jī)相之間牢固地粘合在一起，數(shù)據(jù)體現(xiàn)在各粘接強(qiáng)度得到很大提高上。

　　圖6是8號(hào)試樣在60°攻角下的沖蝕磨損形貌。從圖中可以看到，在石英砂粒子的水平切削及垂直沖擊作用下，膠體與碳化硅顆粒界面雖有少許疲勞裂紋，但SiC顆粒仍牢牢鑲嵌在膠體固化物中而沒有脫落，材料表面損耗較小，因而耐磨性較高。

　　3結(jié)論

　　1） 環(huán)氧膠粘涂層中加入KH-550后，可顯著提高其粘接強(qiáng)度，隨著KH-550加入量的增大，粘接強(qiáng)度都呈現(xiàn)一種趨勢：先增大直至最高值，然后降低。

　　2）偶聯(lián)劑的使用為遷移法時(shí)更實(shí)用一些，且使用量為3.3%時(shí)，綜合粘接強(qiáng)度最優(yōu)。

　　3）偶聯(lián)劑KH-550加入后，環(huán)氧膠粘涂層的耐沖蝕磨損性明顯提高。KH-550加入量為3.3%時(shí)耐磨性最好，與不加KH-550的涂層的相對(duì)耐磨性對(duì)比，相對(duì)耐磨性達(dá)5.36。