（材料学专业论文）环氧复合胶粘层的改性工艺及其浆体冲蚀磨损性能研究.pdf

摘要 通过国内外浆体冲蚀磨损以及抗浆体冲蚀磨损材料的研究现状及发展趋势 研究资料的综述，我们了解到：环氧树脂因其粘结力强、强度和硬度高、耐腐蚀 性能好等众多优点，目前已被广泛应用于金属材料表面的抗浆体冲蚀磨损胶粘层 上。但由于环氧树脂胶粘层脆性大，在较高速度的浆体冲蚀工况下，其抗浆体冲 蚀磨损性能并不理想。因而，对环氧树脂胶粘层进行增韧改性，了解各影响因素 与浆体冲蚀磨损机制作用关系，明显提高其抗浆体冲蚀性能，对于浆体冲蚀磨损 理论的研究以及工业应用具有一定的价值和意义。 本文的试验研究主要有四部分： 1 环氧树脂胶粘层交联固化度对浆体冲蚀性能的影响 2 无机填料改性环氧树脂胶粘层的改性工艺及其浆体冲蚀磨损性能试验 3 聚氨酯改性环氧胶粘层的改性工艺及其浆体冲蚀磨损性能试验 4 改性环氧胶粘层的磨损形貌与磨损机制分析讨论 浆体冲蚀磨损试验是在变频搅拌磨改制的试验机上进行的。在重量比为3 ： 1 的砂浆冲蚀下，分别试验了磨料粒径，无机填料种类、粒径、加入量，冲蚀时 间，扩链剂和聚氨酯预聚体加入量等因素对改性环氧树脂胶粘层的冲蚀磨损性能 影响关系。浆体冲蚀磨损机制的分析讨论是结合磨损试验获得各种情况下的磨损 曲线与扫描电镜观察到的磨损形貌进行分析的。 试验得出以下结论： 1 大粒径的磨料比小粒径的磨料对改性环氧胶粘层的冲蚀磨损造成的损失 要大1 3 1 5 倍。 2 当环氧胶的固化剂与树脂比例为o 9 ：1 时，其抗浆体冲蚀磨损性能最好。 3 填充还原铁粉、石墨和纳米铁粉改性的环氧树脂胶粘层抗浆体冲蚀磨损 性较纯环氧更好。 4 随着填料的平均粒径减少，改性环氧胶粘层抗浆体冲蚀磨损性能提高。 但当填料平均粒径小于5 口m 后，其提高幅度很小。 5 当微米级还原铁粉或纳米级铁粉加入量为3 0 ，改性环氧复合胶粘层 抗浆体冲蚀磨损性能最好。 6 随着冲蚀磨损时间的增加，填料为石墨改性的环氧胶粘层的浆体冲蚀性 能比纳米铁粉改性的胶粘层好，并且当加入量为l m 时，改性环氧胶粘层的抗 浆体冲蚀性能最佳。 7 当扩链剂与p u 的比值为o 1 、v l = 时，改性环氧胶粘层的抗浆体冲蚀磨损 性能最好。 8 当聚氨酯加入量为7 0 叭时，改性环氧胶粘层抗浆体冲蚀性能最好。 9 对于无机填料改性环氧胶粘层，随着冲蚀磨损时间的延长，改性环氧复 合胶粘层的磨损机制随着改性增韧效果的增加，从冲蚀粒子嵌入、破随到脱落形 成的深冲蚀坑一放射性裂纹的形成一基体的脱落为主的机制转换为以反复冲击 碾压形成的浅冲蚀坑机制为主。 l o 对于聚氨酯改性环氧胶粘层，聚氨酯加入量为1 5 、】n 改性环氧胶粘层韧 性提高程度不大，其磨损机制主要体现出脆性材料的特点，以显微切削为主；加 入量为7 0 叭聚氨酯改性环氧胶粘层韧性有很大程度的提高，其磨损机理主要 体现出韧性材料的特点，以疲劳剥落为主。 关键词：环氧树脂；改性环氧胶粘层；填料填充改性；共混改性；浆体冲蚀磨损： 磨损机理 a b s n a c t w i mm ep r c s e n ts i t u a t i o na 1 1 dd e v e l o p m e n to fs t u d yo fs l u r r ye m s i o nw e a ra i l ds l u r r y e r o s i o nr e s i s t a n c em a t e r i a l ss u m m 撕z e d ，e p o x yr e s i nh a sm a n yo b v i o u sm e r i t ss u c h a sl l i 曲b o n d i n gs 订e n g m 、 h i g hs t r e n g ma n dh a r d n e s sa n ds 打o n ge r o s i o nr e s i s t a l l c e 柚dh a sb e c o m ee r o s i o nr e s i s t a i l c ea d h e s i v ec o a t i n go fm e “e x t e n s i v e ly u n d e rm e 1 1 i g l l s p e e dw o r kc o n d i t i o n ，t 1 1 eb r i t t l e n e s so fe p o x ya d l l e s i v ec o a t i n gl e a d st oi t sb a d s l u r r ye r o s i o np e r f b n n a n c e h e n c ei ti si m p o n a n tt oa n a l y z et h er e l a t i o i l s t l i pb e 抑e e n f 她t o r sa n dm e c h a i l i s mo f s l l l r r ye r o s i o nw e 盯，i m p r o v en e x i b i l i t yo f 印o x yr e s i na n d e n h a l l c ei t ss l u r r ye m s i o np e r f b m a l l c e ，w h i c hh a ss o m ec e n a 血v a l u ea n ds i 鲥f i c a r i c e t ot 1 1 e 山e o r e t i c a lr e s e a r c ha n di i l d l l s 仃ya p p l i c a t i o n t h et e s t si 1 1 c l u d e d4p a r t sa sf o l l o w s ： 1 t h ei n n u e n c eo fm s i o n b o n d e dc u r i n gd e g r e eo fe p o x yr e s i no nt l l es 1 邺 e r o s i o nw e a rp e r f bn n c e 2 s t u d yo nm o d i f i c a t i o nt e c h n i q u e so ff i l l e de p o x yr e s i i la i l dt e s to ni t ss l u n y e r o s i o n 、v e a rp r o p e n i e s 3 s t u d yo nm o d i f i c a t i o nt e c 1 1 1 i q u e so fp u e pc o m p o s i t e 锄dt e s t0 ni t ss l u 盯y e r o s i o nw e a rp r o p e r t i e s 4 s t l l d y o n 、v e a rt o p o g r a p h ya n dm e c h a i l i s mo fm o d i f i e de p o x ya d l l e s i v e c o a t i n g u r l d e rt 1 1 ec o n d i t i o no f3 ：1 ( w e i g h tr a t i o ) s l u r r ye r o s i o n 孤db yt 1 1 es e l f - m a d e m i l l i n gm a c h i n e ，t 1 1 ei n n u e n c eo f a b r a s i v es i z e ，v 撕e t y 、p a n i c l es i z e 、a d d m o n 锄o u n t o f 访。唱a 1 1 i cf i l l e r s ， e r o s i o nt i m ea i l da d d i t i o n 锄o u n to fc h a i l le x t e n d e ra n d p r e - p o l y m e ro fp o l y u r e t l l a n eo ns l u r r ye m s i o nw e a rp r o p e r t i e so fm o d i f i e de p o x y a d h e s i v ec o a t i l l gw a st e s t e d a c c o r d i n gt ot l e 锄a l y s i so fw e a r i n gc u n r eb yt e s t sa n d w e a rt o p o 鲫h yb ys e m ， s l u r r y e m s i o nw e a rm e c h a l l i s mo fm o d i f i e de p o x y a d h e s i v ec o a t i n gw a sd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o 、v e dt h a t 1 t l l ea b r a s i o na b i l 畸o f l a 玛ea b m s i v ew a s1 3 1 5s 仃o n g e r 也a i lo f 锄a l lo n e 2 t 1 1 eo p t i i i l a lr a t i oo f 觚i o n - b o n d e dc u 血gd e g r e eo f e p o 珂r e s i i lw 硒o 9 ：1 _ 3 t l l es l u r r ye r o s i o n 、w a rp r o p e n i e so fe p o x yr e s i nc o m p o s i t ec o a 血gm o d i f i e d b yr e d u c e di r o np o 、v d e rf i l l e r 、g r a p h i t cp o w e rf i l l e r 姐d 呦。一s i z c di r d np o 、v d e r 、v e r c b e t t e rm a l le p o x yr e s i l l 4 越r e d u c t i o no f 也ea v e r a g cp a r t i c l es i z eo ff i l l e r s ，t h es l u r r ye r o s i o nw e a r p r o p e n i e so fm o d i f i e d 印o x ya d h e s i v ec o a t i n gw e r ei n c 础蝎e d h o w e v e r t h ee 雎c t w a s 脚m w b j l e 也ea v e r a g e p a n i c l es i z e l e s s t l l a i l5 m 5 m ee 彘c to f r e d u c e d 岫np o w d e ro rn a i l o - s i z e d 曲np o w e rf i l l e r 、 ，i t l l3 0 w t c o n t e mo nm ew e 盯r e s i s t a i l c ep r o p e r t i e sw a so p t i m a l 6 越p r o l o n g a t i o no fw e a r i n gt i i n e ，山es l u r r ye r o s i o nw e a rp m p e n i e so fe p o x y r e s i nc o m p o s i t ec o a 血gm o d i f i e db y 鲫t l i t ep o w e rf i l l e r 髑b e n e rt h a t ln a i l o s i z e d i r o np o w d e r w h o s eo p t i m a lc o m e mi s1 w 慌 7 m eo p t i m a lm t i oo fc h a i ne x t e n d e ra n dp r c - p o l y m e ro fp o l 脚t h a n ew 船 o 1 ：1 ，w t l i c hm a d et h es l u r r ye r o s i o nw e a rp m p e r t yo fm o d i f i e d 印o x ya d h e s i v e o p t i i l l a l 8 也ee 凰c to fp o l y u t l l a n c 试t l l7 0 州c o n t e n to nt 1 1 ew e a rr e s i s t a i l c e p r o p c r t i e sw 鹪o p t i m a l 9 p r o l o n g a t i o no fw e a r i n gm n e ，吐l es l u r r ye m s i o nw e a rm e c h a j l i s mo f e p ( yr c s i i lc o m p o s i t ec o a ：【i i 玛m o d i f i e db yi i l o r g a l l i c f i l l e r sc h a n g e df 如md e e p e r o s i o np i 乜b yt l l ep 耐o d i ce 丘t so fa b r 硒i v ee m b e d d i n g 、b r o k e na n ds h e d d i n g f o m a t i o no fr a d i a lc r a c k ( r i m o s u s ) 一m 删xs p a l l i l l gt os h a l l o we r o s i o np i t sb y p c r i o d i ci i 】1 p a c t i v er o l l i n g 1 0 t l l e s l u h ye r o s i o nw e 盯m e c h a n i s mo f 印o x yr e s i nc o m p o s i t ec o a t i n g m o d i f i e db yp o l y l l 他m a 、i t h1 5 w c c o m e mw 鹊m i c m c u t t i l l gb e c a l l s eo fi t sl o w t o u g h n e s s ，w i l i l eb yp o l y u r e t h a n e 、 ，i t l l7 0 、：v t c o n t e mw 勰f h t i g u es p a l l i i l gb e c a l l s eo f i t sl l i g ht o u g h n e s s k e yw o r d ：印o x yr e s i n ；m o d i f i e de p o x ya d h e s i v ec oa _ t i n g ；f i l l i n gm o d i f i e r ；b l e n d e d m o d i f i c a t i o n ；s l l l r r ye r o s i o nw e a r ；w e a rm e c h a i l i s m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：t 磊p 以年6 月j 日 l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 护以年6 月) 日 溺辱g 鄙日 第一章绪论 1 1 工业领域中浆体冲蚀磨损及其危害 冲蚀磨损是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面 进行冲击所造成的磨损。根据携带颗粒的介质不同，冲蚀磨损又分为气固冲蚀磨 损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀磨损等。而由液体携带固体颗粒冲击材料表面造成 破坏的冲击也称为泥浆冲蚀磨损。在工程实际中，砂浆冲蚀磨损是常见的，如水 轮机、泥浆泵、固体物料的管道输送等，其过流部分都受到砂浆冲蚀磨损的作用。 冲蚀磨损是现代工业生产中常见的一种磨损形式，它广泛存在于机械、冶金、 建材、能源、运输、航空、及军工等许多部门，成为引起设备失效或材料破坏的 一个重要原因。据有关资料统计：在所有发生事故的锅炉管道中约有1 3 是由于 冲蚀磨损造成的；泥浆泵、杂质泵的过流零部件损坏约有5 0 以上是由冲蚀磨损 引起的，冲蚀磨损占工业生产中经常出现的磨损破坏总数的8 。以武汉钢铁公 司附属各铁矿为例，所用的泥浆泵工作条件极为恶劣，在泥浆和砂石的冲刷下容 易剥落失效，目前使用的高铬铸铁泥浆泵寿命仅为1 4 周，每年用于泥浆泵方面 的支出就达数千万元。 渣浆泵及一些选矿机的过流部件是在既具有腐蚀，又具有磨损的浆体冲蚀磨 损工况下工作，这些零件承受着不同固体介质的冲击和磨损同时还抵抗着液体介 质的腐蚀。由于工况条件的恶劣，过流部件使用寿命很短，这不仅浪费大量金属 材料，也因更换设备停机带来损失。 因此，为了有效地控制和减少冲蚀磨损造成的损耗，提高设备和材料的使用 寿命，世界上许多国家都投入了大量的人力和物力开展对冲蚀磨损的专门究适合 工况条件高耐冲蚀磨损的耐磨材料。 1 2 目前国内外对抗浆体冲蚀磨损的研究现状 自1 9 4 6 年w a h l 和h a n s t e i n 写第一篇系统论述冲蚀的文章，其研究一直持续 至今，对材料的耐冲蚀磨损性能与其内在因素的关系，如脆性材料与韧性材料的 区分，以及环境、冲击角度、粒子大小、速度等因素对冲蚀的影响，研究人员持 不同态度。对于冲蚀机理的系统研究已有5 0 多年，但现有理论仍有一定的局限 性，特别是对聚合物材料的冲蚀磨损理论研究还处于起步阶段。由于材料内在因 素和冲蚀环境与冲蚀性能关系的复杂性，各种因素对冲蚀的影响还有很多不同的 观点，需要进一步研究。只有对材料内在因素和各种环境因素对冲蚀的影响规律 和机理有了更明确的认识之后，才能对耐冲蚀材料选择及其开发进行成功的指导 【l j 。 浆体冲蚀造成材料表面的破坏都是固体颗粒对表面的微切削与变形等因素 起作用。但是，液相介质产生的化学和电化学作用对材料进行腐蚀，以及其流动 的紊乱、复杂情况又加速磨损过程，使问题涉及的因素增加很多，分析更为困难。 因此对浆体冲蚀理论的探讨远未到达研究固体颗粒冲蚀磨损的程度。 1 2 1 浆体冲蚀磨损的特点 一般认为冲蚀速度不高的浆体冲蚀磨损主要是由于其中的固体磨粒造成的， 因而认为浆体冲蚀磨损的机理与固体粒子冲蚀磨损相同。但是浆体中液相的存在 必然会产生一定的影响，使浆体冲蚀磨损与气体为介质的固体冲蚀磨损之间存在 一定的差异。a v l e v y 【2 】研究了钢在煤浆下的冲蚀磨损，并与气固两相流下的冲 蚀特性进行过比较。他们发现液一固两相流下的冲蚀磨损有两个显著的特点：( 1 ) 同样的塑性材料，在颗粒特性和冲蚀参数不便的情况下，气固两相流下的冲蚀速 率要比液固两相高一个数量级；( 2 ) 冲击角影响的规律和气固两相流时表现出的 冲蚀特性完全不同。 ( 1 ) 冲蚀速度和冲蚀角 由于液体的存在，在浆体冲蚀磨损时磨粒必须穿过磨粒之间以及磨粒与靶材 表面之间的液膜才能到达靶材，产生冲蚀磨损，这必须使磨粒的冲蚀速度降低。 另外，根据流体力学理论，一束流体冲击在材料表面上，流体将沿着材料表面铺 展，如图1 1 所示。在浆体冲蚀磨损中，由于流体的粘度较大，磨粒的运动方向 将向流体运动的方向偏斜。沿v l 方向偏斜的那部分磨粒的实际冲角将比名义冲 角小，而沿v 2 方向运动的那部分磨粒的实际冲角比名义冲角大，根据计算 d d = ( 1 + c o s 口) ，2 ( 1 - 1 ) 破，d = ( 1 一c o s 口) ，2 ( 1 - 2 ) 因此，除了9 0 。外，在各种冲角下总是沿v l 方向偏斜的磨粒居多，所以铺展作 用的综合效应使大多数磨粒的实际冲角减小。 ( 2 ) 浆体的连续性 固体粒子冲蚀磨损时，固体粒子是不连续的，而浆体却是连续的。由于浆体 的铺展作用，只有铺展层中离靶材表面较远的浆体中，一部分磨粒不能参与冲蚀 而流失，所以浆体冲蚀磨损时，实际参与磨损的磨粒数目要少得多，而且这些磨 粒虽能达到靶材表面，但由于穿过液膜使冲蚀速度降低，其冲蚀作用也相应减弱。 ( 3 ) 浆体的冲刷作用 一颗磨粒冲击到靶材表面往往形成一个压坑，压坑的末端产生形变唇。在浆 体冲蚀磨损时，由于浆体的冲刷作用，使变形唇或变形的凸体很容易被冲刷掉， 2 因而在浆体冲蚀磨损中，靶材的硬度所起的作用更为重要，而延性所起的作用相 对减小。 图卜1 浆体冲蚀靶材表面的铺展作用示意图 ( 4 ) 浆体的冷却作用 固体粒子冲蚀磨损时，由于局部产生剧烈的变形和绝热剪切作用，靶材表面 局部地区产生很高的温升，使材料的组织发生变化，甚至熔化。而在浆体冲蚀磨 损时，由于液相的存在，起到冷却作用，温升不会很高，热效应大为减小。 ( 5 ) 浆体固液比 影响浆体冲蚀磨损的因素除了粒子速度和冲蚀角等影响因素之外，对砂浆冲 蚀还应该特别注意砂浆浓度即固液比，这是喷砂冲蚀中不存在的参数。在砂浆中 粒子随液体介质流动，低速情况下两者的运动方向和速度基本一致。故在试验中 以液体的流速作为粒子的速度；流速较高时，介质与粒子速度会出现一定差别， 液体在靶面上的绕流会在一定程度上缓解粒子的冲蚀，这些现象也是喷砂冲蚀中 所不存在的。 1 2 2 浆体冲蚀磨损规律 1 2 2 1 冲蚀磨损基本规律的研究概况 根据现有的研究成果报道，冲蚀磨损主要有以下几种情况： 一以弹塑性变形为主的冲蚀磨损模型 ( 1 ) f i n l l i e 最早研究了塑性变形引起的冲蚀，提出了微切削模型。因颗粒切削 冲蚀而造成的总磨损体积与颗粒的质量和速度的平方之积，即颗粒的动能成正比， 与靶材的流变应力成反比，与冲击角成一定的函数关系。后来，又经过研究证实，微 切削模型较好地解释了塑性材料在多角形刚性颗粒，低冲击角的条件下进行冲蚀 的规律。但对高冲击角或脆性材料的冲蚀偏差较大，特别是在正向冲击，冲击角为 9 0 。时，其磨损体积等于零，这与实际情况不符，表明微切削模型有严重的不足之 处。 ( 2 ) a v l e v y 等人对塑性材料受高冲击角冲蚀进行了研究，通过使用分步冲 蚀试验法和单颗粒寻迹法，提出了挤压锻造成片模型。冲击颗粒对材料不断施加 挤压力，使材料表面出现凹坑及凸起的唇片。同时颗粒的部分冲击动能转化为热 量，使表层金属软化，次表层却因受挤而产生加工硬化。随后颗粒再对唇片进行锻 打，经历严重变形后呈片屑从表面流失。该模型较好地解释了显微切削模型难以 解释的现象。 ( 3 ) j g a b i t t e r 从能量平衡的观点出发，通过对冲蚀磨损中颗粒冲入和被挤出 两个阶段的能量分析，认为9 0 。冲击角下的冲蚀磨损和颗粒冲击时的靶材变形有 关，提出了变形磨损理论，并分别推导了变形磨损方程和切削磨损方程。颗粒冲击 表面有可能产生弹性变形，也有可能产生塑性变形，但它取决于冲击应力是否达到 材料的屈服强度。反复冲击将产生加工硬化，并提高材料的弹性极限，直至应力超 过材料的强度而形成裂纹。 综上所述，微切削模型着重于低冲击角冲蚀磨损的切削作用；挤压锻造模型偏 重于高冲击角的冲蚀：而变形磨损模型则着重于不同冲击角冲击靶材后其两种变 形历程及能量变化分析。 二以疲劳裂纹为主引起的冲蚀磨损模型 n p s l l l l 就金属滑动磨损中的微裂纹形核扩展提出了著名的磨损脱层理论，对 亚表面的破坏力学有了较完整的描述。s _ j a h a 衄1 i r 讨论了颗粒冲击靶材时亚表面 的应力分布及空穴成核的影响，并指出空穴成核区出现在表面下某一深度，冲击角 越大，则空穴成核区越深。 脆性材料的磨损过程是先在冲蚀坑附近产生一定的弹塑性变形，然后引起表 面裂纹的形核及扩展。表面裂纹分为径向、横向和锥状三种，其中径向裂纹的扩 展长度与靶材的性质和冲蚀压力有关。 三二次冲蚀理论 g p n l l y 用高速摄影、筛分法和电子显微镜等研究了冲击颗粒的碎裂对塑性 材料冲蚀的影响，提出了颗粒碎裂后可产生二次冲蚀的理论。他把冲蚀过程视为 两个阶段，即颗粒直接入射造成的一次冲蚀，包括冲击颗粒的切削、凿削和犁沟挤 压；破碎颗粒造成的表面进一步损伤称二次冲蚀。这样较好地解释了脆性颗粒的 高冲击角的冲蚀问题。 颗粒的碎裂程度与粒度、速度及冲击角有关，造成第二次冲蚀的能力正比于 颗粒的动能和破碎程度，总冲蚀量应为第一次冲蚀和第二次冲蚀之和。 4 四脆性材料的冲蚀理论 脆性材料在颗粒冲击下受到应力后，几乎不发生塑性变形。当尖锐质点打击 到靶材表面存有缺陷的地方，开始形成径向裂纹；质点离开表面时，又产生了横向 裂纹，并在塑性区内扩展，基本上和靶材表面平行，很快脆断。 脆性材料的冲蚀磨损规律与塑性材料不同。发展脆性材料冲蚀模型的关键在 于建立裂纹萌生及扩展与颗粒入射速度、靶材性能之间的关系。a g e v a i l s 等人 用动态冲击理论分析，得出冲蚀率与每次冲击中材料的流失量成正比的模型。每 次冲蚀的体积与入射颗粒的冲蚀速度、颗粒的粒度和密度、材料的临界应力强度 因子、材料的硬度等参数有关。 五流体冲蚀理论 目前已建立了两个理论，一个是s p 血g e r 理论，它用以解释气蚀及液滴冲蚀中 存在孕育期、加速期、最大冲蚀及稳定冲蚀区。另一个是1 1 l i n l v e n g a d 锄理论， 它提出冲蚀强度的概念，用简单的图解法估算特定条件下材料耐冲蚀寿命与冲蚀 强度之间的关系，但与实际情况有较大的偏离。 六浆体冲蚀理论 浆体冲蚀造成材料表面的破坏都是固体颗粒对表面的微切削与变形等因素 起作用。但是，液相介质产生的化学和电化学作用对材料进行腐蚀，以及其流动的 紊乱、复杂情况又加速磨损过程，使问题涉及的因素增加很多，分析更为困难。因 此对浆体冲蚀理论的探讨远未达到研究固体颗粒冲蚀磨损的程度。 浆体冲蚀和固体颗粒冲蚀是有差异的。在浆体冲蚀中，由于液相的存在，颗粒 必须穿过液膜才能到达靶材表面，因此使颗粒的冲蚀速度降低。又因为液体粘性 较大，颗粒的运动方向将向液体的运动方向偏斜，所以使颗粒的实际冲击角减小。 由于浆体是连续的，且有铺展作用，因此实际参与磨损的颗粒数目要少得多，冲蚀 作用相对减弱。还因为浆体有冲刷和冷却作用，所以使变形唇或变形的凸体易被 冲刷，热效应大为减小，冲蚀作用比固体颗粒要小。 冲蚀磨损是一个非常复杂的过程，它往往是两种以上机理同时发生作用。当 工况条件发生变化，这些机理还可能发生转化。 近年来，研究冲蚀磨损的基本规律又得到了一些新的进展，主要有以下几方 面： ( 1 ) 加强了颗粒特性对冲蚀性能影响的研究。冲蚀磨损受颗粒尺寸的影响很 大，i f i n i l i e 和g l s h e l d o n 发现，对玻璃和高硬度的工具钢，当用较大的颗粒 1 2 0 5 0 0 目s i c 进行冲击时，显示脆性冲蚀；而用很小的颗粒1 0 0 0 目时，则表现为塑 性冲蚀。同一种材料，当颗粒特性改变时，会发生塑性冲蚀和脆性冲蚀的互相转化。 ( 2 ) 确定了材料失重的三个阶段。材料失重分三个阶段：1 ) 孕育期，材料无失重， 颗粒冲击到靶材表现只引起弹性变形；2 ) 过渡阶段，失重逐渐增加；3 ) 稳定冲蚀阶段， 冲蚀速率不再改变。材料失重是由孕育期向稳定冲蚀阶段进行过渡。材料到达稳 定冲蚀状态的迟与早和材料的加工硬化系数有关。加工硬化系数高的材料，在质 点冲击时，亚表面能较早形成一加工硬化区，利于表面小片状的分离和剥落。 ( 3 ) 开展了对多相合金冲蚀规律的研究。实验研究证明，m 1 2 s i 的共晶合金， 虽然硬度较纯铝高3 倍，但冲蚀速率却比纯m 高2 5 左右。共晶体中的s i 或过 共晶体中的初生s i ，因其固有的脆性易构成显微切削而脱落。高铬白口铁虽然是 良好的耐磨粒磨损材料，若遇到与共晶碳化物硬度相近的颗粒，如s i c 、舢2 0 3 冲击， 特别是当冲击角为9 0 。时，大块的碳化物容易碎裂，冲蚀速率更大。研究多相合金 冲蚀规律对生产具有更重要的意义。 ( 4 ) 研究了金属材料表面镀层或渗层对冲蚀性能的影响。实验研究发现，合金 的表面渗层或镀层完全改变了塑性材料或脆性材料和冲击角的关系。对材料表面 进行镀层或渗层可以控制或减少冲蚀磨损。 ( 5 ) 发现了被冲材料因热处理引起塑性脆性冲蚀的互相转化。在颗粒与冲 蚀速度不变的情况下，同一种材料因热处理引起组织性能的改变，会造成脆性冲蚀 转化为塑性冲蚀，或表现为相反的情况。 ( 6 ) 探索了在液固两相流下的冲蚀磨损规律。a v l e 、r y 【2 】等人研究了钢在煤 浆下的冲蚀磨损，并与气一固两相流下的冲蚀特性进行过比较。他们发现液一固 两相流下的冲蚀磨损有两个显著的特点：1 ) 同样的塑性材料，在颗粒特性和冲击参 数不变的情况下，气一固两相流下的冲蚀速率要比液一固高一个数量级；2 ) 冲击角 影响的规律和气一固时表现出的冲蚀特性完全不同。 1 2 2 2 浆体冲蚀磨损基本规律 由于浆体冲蚀磨损与固体粒子冲蚀磨损之间存在以上差异，因而浆体冲蚀磨 损规律与固体粒子冲蚀磨损相比，也存在许多不同之处，砂浆冲蚀比一般的其他 冲蚀要复杂得多，这不仅因为砂浆冲蚀过程中往往伴生材料腐蚀，而且流动状态 下液固两相对材料表面的作用无论理论分析还是试验测定都较其他冲蚀复杂。虽 然有人认为各种冲蚀中都存在着固体粒子冲击材料表面造成磨损的单元过程，但 材料流失却能以不同的方式进行，这点可以从入射粒子的速度对材料冲蚀率以及 攻角影响上得到证明。在气流喷砂式冲蚀中发生材料流失的速度门槛值大约在 1 0 m s ，而在砂浆磨损中l o l i l ，s 已能造成明显的冲蚀【2 】。这就意味着介质不同， 材料流失的机理也可能不同。 ( 1 ) 冲蚀角与冲蚀磨损率的关系 a v l e v y l 2 1 等人对铝、铜和软钢等延性材料进行了砂浆冲蚀磨损试验，发现 在冲蚀速度小于1 0 m s 时，随冲角口增大，材料的冲蚀磨损率占不断增加，最大 冲蚀率在9 0 。冲角处。在更高的冲蚀速度时，冲蚀磨损的t 一口关系曲线上出现 6 两个峰值，一个在4 0 。6 0 。冲角之间，另一个在9 0 。冲角处。这与固体粒子 冲蚀磨损的规律大不相同。许多研究表明，工业材料、不锈钢、脆性材料等都存 在两个峰值。 自万金1 3 】对三种工程材料在不同条件下的冲蚀率和磨损表面形貌的分析得 出，在1 ) 低角度下，选用的五种材料的耐冲蚀性 ) i 好到差依次为高铬铸铁 a 3 钢 刚玉( 9 4 7 ) ；正向冲击时，耐冲蚀性依次为a 钢 高铬铸铁 刚玉( 9 4 7 ) 。 试验还得出，a 3 钢的最大冲蚀角为3 0 。，高铬铸铁为4 5 。，刚玉( 9 4 7 ) 为9 0 。； 三种材料的冲蚀率均随粒子冲击速度、粒径增大而升高，随砂质量流量增加而降 低。 a v l e v y 【2 】等人对3 种热处理状态的钢进行3 0 。冲角浆体冲蚀磨损研究发 现，材料的冲蚀磨损率随硬度的增加而减小。浆体冲蚀磨损时，材料的延性所起 的作用不像固体粒子冲蚀磨损那样重要。这是由于固体粒子冲蚀磨损时磨屑的形 成与材料的反复变形有很大的关系，而在浆体冲蚀磨损时，材料表面一旦由于变 形形唇或产生凸起，随即被浆体的冲蚀作用去掉，所以材料硬度的影响更大，而 延性的作用相对减少。 白万金【3 】等人指出，低角冲蚀条件下，a 3 钢和高铬铸铁的冲蚀失重主要由微 切削造成，聚四氟乙烯则是微切削和裂纹萌生、扩展共同作用的结果；正向冲击。 时，a 3 钢以挤压成片机理为主，高铬铸铁由于脆性较大，除挤压成片外，还有横 向裂纹的萌生和扩展；刚玉( 9 4 7 ) 作为典型的脆性材料，无论低角还是高角冲 蚀，均以裂纹的萌生、扩展为主要机制；决定材料抗低角冲蚀磨损性能的主要因、 素是硬度和强度，抗高角度冲蚀能力取决于材料的韧性，在实际应用中需要综合 考虑这几个因素。高铬铸铁的硬度和强度高，但脆性大，若能从配方、工艺等方 面人手，在保持较高硬度和强度的前提下，提高其韧性，将获得较好的耐冲蚀性 能。 ( 2 ) 冲蚀速度与速度指数 浆体冲蚀磨损不仅由于磨粒受到流体的粘性阻力，而使磨粒减速，而且对速 度指数也有影响。a v l e v y 【2 】等人指出，浆体冲蚀磨损的速度指数随冲角而变化， 且比固体粒子冲蚀磨损时要小些。冲角口在2 0 。9 0 。时，速度指数在1 6 2 2 1 2 之间。 ( 3 ) 浆体性质对冲蚀磨损的影响 研究睇1 发现，以舢2 0 3 和s i c 作磨粒的水浆比以煤作磨粒的水浆冲蚀磨损率 大2 倍。而冲蚀磨损规律基本没有变化。煤浆的冲蚀磨损主要是由于煤粒中的硬 矿物造成的。液相的存在对冲蚀磨损的影响主要在粘度和润滑性上。与相同条件 的固体粒子冲蚀磨损相比，磨损率约小一个数量级。 浆体中固体磨粒的浓度也有较大的影响。舢2 0 3 水浆对铝和铜作9 0 。角冲蚀 时，浓度为2 0 时的冲蚀磨损率最大。而煤浆则随浓度的增加，冲蚀磨损率也 增大，在3 0 重量时冲蚀磨损率最大。 1 3 抗浆体冲蚀磨损材料研究现状及其发展趋势 1 3 1 金属基抗浆体冲蚀磨损材料的研究现状及其发展趋势 金属基复合材料学科是一门相对较新的材料科学，涉及材料表面、界面、想 变、凝固、塑性变形、断裂力学等。金属基复合材料由于同时具有金属或合金基 体和增强物的特性，因此具有高比强度、高比模量、良好的导热、导电性、耐磨 性、高温性能、低的膨胀系数、高的尺寸稳定性等等优异的综合性能，得到了飞 速的发展、成为当前国内外材料科学领域的研究热点【4 】。 长纤维增强的金属基复合材料虽然具有高强度等特点，但是由于其在性能上 具有各向异性，同时二次加工时材料的性能大幅度降低，从而使得这些材料的应 用受到很多限制。与此相比，采用短纤维或颗粒增强的复合材料则显示出其优越 性。对于金属基耐磨复合材料，现有研究普遍认为影响其耐磨性能的因素主要有 以下三个方面：1 ) 基体材料的物理化学性能，如强度、韧性、耐磨性、耐蚀性 等。2 ) 增强颗粒的硬度、纯度、耐磨性能、粒度分布、添加量等。而如何向基 体中有效地加入多的填料颗粒是提高复合材料耐磨性能以及降低成本的关键因 素。3 ) 复合材料的制备工艺。对于不同的基材与增强颗粒，选用合适的制备工 艺，是影响复合材料的耐磨性能的关键因素。 蒋业华，李祖来，周荣，卢德宏【5 】等采用负压铸渗工艺制备了w c ，铁基表面复 合材料的渣浆泵过流件内盖，分析研究了其在实际工况使用时的磨损失效机理。 结果表明：所制备的渣浆泵过流件内盖，基本上能达到整体复合，复合面比较平整， 表面质量较好，复合层厚度能保证在3 m m 以上，在实际工矿下使用7 0 天后失效。 基体对增强颗粒的“支撑效应”和颗粒对基体的“阴影效应”非常明显，内盖大 平面复合部分区域的缺陷和内盖圆柱立面复合效果较差是内盖发生失效的主要 原因。 梁作俭，邢建东，鲍崇高，王恩泽，张风华【6 】等采用真空负压工艺获取碳化钨颗 粒增强铁基表面复合材料，分析复合层微观组织结构，并模拟实际工况考察复合层 的抗浆料冲蚀磨损性能。结果表明：1 ) 采用真空负压铸造工艺制各碳化钨颗粒 增强复合材料具有工艺简单、操作方便的优点，适合于工厂生产。2 ) 增强颗粒 的阴影作用、基体材料的支撑作用及二者之间的交互作用，都有利于提高复合材 料的抗浆体冲蚀磨损性能。3 ) 碳化钨颗粒增强铁基表面复合材料具有良好的组 织结构和优异的抗冲蚀磨损性能，与高铬铸铁相比，其抗冲蚀性是高铬铸铁的3 4 8 倍。 门志慧，苏义祥等1 7 】对金属抗磨、耐蚀n i 6 7 喷焊材料进行了冲蚀磨损，表 明改材料的抗磨性能优异，与基体的结合力较高。结果显示：改材料具有优异的 综合性能，能够满足水轮机实际运行工况的要求；针对具体喷焊工件，制定相应 工艺措施，是保证涂层发挥应有效能的关键；实际运行表明，抗冲蚀n i 6 7 涂层 能够有效提高水轮机叶片的使用寿命。 李祖来，蒋业华，周荣，欧阳习科等【8 j 以z g 4 5 为基体，以多种合金粉末作为合金 化原料，通过铸渗工艺制备出较为理想的渣浆泵用铁基表面耐磨材料。铸件合金 层厚度均匀，基体组织为树枝状的奥氏体，增强相为二次碳化物( c r ，f e ) 7 c 3 和渗碳 体型碳化物f e 3 w 3 c 。在合金化过程中，主要是铁液向合金层渗透，铬向母材的渗透 也有，但量很少合金层与母材的结合良好，属于冶金结合。其冲击磨损性能和硬度 都有很大提高，耐磨性比z g 4 5 提高了6 5 倍，硬度从合金层到基体逐渐降低，合金 层硬度比z g 4 5 提高了3 倍左右。 朱保钢，赵亚忠，张秀梅等【9 】以l 洫t b c r 8 材料的化学成为为基础，适当调 整了元素的含量，提高了材料的淬透性，经热处理后对其现为组织、硬度、冲击 韧性和浆体冲蚀性能进行了研究，另进行了实际应用试验，并与常用耐磨材料进 行了对比。结果表明：1 ) 通过化学成分调整并采用分段加热淬火工艺，中铬抗 磨白口铸铁的淬透性得到提高，可用来生产较大壁厚的铸件( 3 0 m m ) ，扩大了 材料的应用范围。2 ) 中铬抗磨白口铸铁的耐磨性是n i h a r di 型的1 5 倍，比 n i h a r d 型还要高，与k m t b c r 2 6 相当；应用结果表明其使用寿命是n i h a r d i 型的1 3 1 4 倍，可推广用于在中等或中等稍强工况下工作的渣浆泵。 康进兴，赵文轸【lo 】采用氧乙炔焰粉末喷焊法制备c u 基n i 基覆层材料及其加 入w c 陶瓷颗粒的复合覆层材料，用光学显微镜分析覆层材料的显微组织，对覆层 材料的浆体冲蚀抗力进行对比研究结果表明：不同成分的n i 基覆层材料抗浆体冲 蚀性能接近；c 叫n i 覆层材料在低冲击角作用下抗浆体冲蚀能力较差，而在高冲 击角作用下与n i 基覆层材料抗浆体冲蚀能力相当n i c r s i b 加入w c 陶瓷颗粒形 成的复合覆层材料的抗浆体冲蚀能力比基体材料有了很大的提高。 1 3 2 陶瓷基抗浆体冲蚀磨损材料的研究现状及其发展趋势 陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损和耐冲刷等一系列优异性能，应用范 围越来越广，其在抗冲蚀方面的优点也逐步显现出来，在这方面的研究报告越来 越多。影响陶瓷材料冲蚀行为的因素，如环境参数( 如冲角、冲蚀速度、冲蚀时 间和温度等) 、磨粒性能( 如硬度、粒度和形状等) 、靶材性能( 如硬度、断裂韧性 和显微组织结构等) 。 一般陶瓷材料受冲蚀时的耗能方式主要靠径向裂纹和横向裂纹的断裂表面 能。于是普通陶瓷在受冲蚀时通过迅速增加断裂表面，来消耗冲击能并松弛应力 集中，结果使靶面的径向裂纹和横向裂纹迅速发展，并且相互交截破碎，造成材 料的迅速流失，尤其在高角冲蚀时冲蚀率较大。 陈明椎“佣三种磨粒进行冲蚀磨损实验，磨粒为碳化硅、刚玉和石英砂，粒 度分别为1 1 0 i a i l 和7 0 b a n ，靶材是烧结条件不同的三种碳化硅，得出的结论是冲角 对冲蚀的影响可以用es i i l “a 表示，式中对应三种靶材的n 值分别为1 5 6 ， 1 0 3 1 2 6 。并且发现这种关系与靶材性能有关，即靶材韧性的提高缩小了高 角冲蚀率与低角冲蚀率之间的差距，体现出一些塑性冲蚀特征。这主要是因为韧 性的提高，使碳化硅的冲蚀呈现类似增韧陶瓷的冲蚀特征，在低冲角时( 约2 0 。 3 0 。) 材料流失方式除了裂纹扩展和脆性断裂，还有一定的切削作用，使碳化硅 在低冲角时的冲蚀率增加。但在高冲角时，材料流失仍以裂纹扩展和脆性断裂为 主，其冲蚀率并无大的变化，从而使高、低冲角的冲蚀率差距减小，但由于靶材 韧性的提高，使材料整体冲蚀率降低。 d o n gf w a i l g 和z l l iy m a o i ”j 通过用碳化硅和石英砂粒子对热压氮化硅陶 瓷进行冲蚀实验得出冲角对冲蚀率的影响是一条类似“n ”的曲线，两个拐点分 别位于4 5 。和6 0 。 牟军i ”j 在研究用s i c 、s i 0 2 和a 1 2 0 3 三种磨粒冲击a 眩陶瓷口仁2 0 3 3 g p a ) 时 指出，粒子硬度h p 的增大可以较明显地提高冲蚀率，这主要是由于高硬度粒子 对靶材的切削和透入能力较强所致，并且认为粒子硬度对冲蚀的影响是通过其与 靶材硬度的组合方式( 硬度比h p h d 起作用的，它们对冲蚀率的影响依指数关系 变化。试验得出，s i 0 2 和a 1 2 0 3 粒子的冲蚀率比s i c 低许多，对此类情形下冲蚀行 貌的s e m 观察表明s i c 粒子以径向及横向开裂机理冲蚀，而s i 0 2 和a 1 2 0 3 的冲蚀 尚处于应力疲劳冲蚀状态基区。 陈明祥【l l l 认为陶瓷晶体内部往往存在大量的缺陷，晶界、晶相、气孔和裂纹 等因素都会造成结构上的微不均匀，对冲蚀造成大的影响：1 ) 一般来说，陶瓷的 强度随着所含气孔率的增加而下降，这一方面是由于材料固相截面减小，导致实 际应力增大，更主要的是气孔引起应力集中。一旦受到外加应力，就会使裂纹扩 展加剧而断裂；2 ) 通常晶粒越细小，抗冲蚀性能越好。这是因为晶粒较大或晶粒 大小不一，易造成晶粒之间结合不紧密，裂纹易于扩展。 陶瓷基复合材料一般指相变增韧、颗粒强化和纤维或晶须补强陶瓷，是8 0 年代后发展起来并受到重视的一类