（材料科学与工程专业论文）渣浆泵过流件耐磨复合材料的开发研究.pdf

昆明理工太学j - 程硕士学位论文 摘要 本文针对承受严重冲蚀磨损的机器零部件，一方面设计制备了碳化钨颗粒增 强表面复合材料分别选用了低铬铸铁、球墨铸铁、铸钢、灰口铸铁等几种钢铁 材料作为本体材料，研究了副门的复合效果。另一方面，本文通过寻高分子复合 材料本身及其各组分的研究现状进行了文献综述，确定了级配氧化铝颗粒增强 改性环氧树脂基复合材料制备工艺，并对改性环氧树脂固化物基体相关性能包 括剪切强度、抗拉强度、冲击韧性迸行测试，由试验数据要知它作为复合材料 的基体是合理的。 结果表明：以灰口铸铁为基材，碳化钨粒度为4 0 - 6 0 目，体积分数为2 7 ， 用同粒度高碳铬铁颗粒来调节碳化钨颗粒体积分数的方式，获得的复合材料耐 冲蚀磨损性能是高铬铸铁的2 7 倍。另外选用具有最佳耐冲蚀磨损特性的复合 材料( 级配氧化铝颗粒重量比6 0 - 7 5 目：1 5 0 - 2 0 0 目= 3 ：1 基体和级配氧化铝颗 粒的重量l t = l ：1 1 ) 涂敷叶轮。 对叶轮确定了一种合适的涂敷方法模具重力浇注法，并对复合材料的 发展提出了几点看法。 关镧萄司 ：金属基复合材料，高分子基复合材料，渣浆泵，冲蚀磨损 第l 页 昆明理工大学工程硕士学拉论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sh a sd e s i g n dt u n g s t e nc a r b i d ep a r t i c l er e i n f o r c e dc o m p o s i t eo l lt h es u r f a c e o f p a r t sa i m e da ts e v e r e l ye r o s i v ea n da b r a s i v es e r v i c ec o n d i t i o n t h ec o m p o s i t er e s u l t s o f s e r i e sm a w i e e s ( 1 0 wc h r o m i u mc a s ti r o n ) h a v eb e e ni n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y o nt h e o t h e rh a n d , t h i sp a p e rh a sp r o c e e d e dl i t e r a t u r es u m m a r y , t h r o u g ht h er e s e a r c hs t a t u so f t h ep o l y m e rc o m p o s i t e sa n da p i e c ec o m p o s i t i o n , i nt h i sp a p e rj th a se n s u r e dt h e p r e p a r a t i o np r o c e s so fp a r t i c l ew i t hg r a d 缸o ne n h a n c e dp o l y u r e t h a n em o d i f i e de p o x y c o m t x r s i t e sa n dh a st e s t e dt h er e l a t i v ep r o p e r t i e so f l h es o f i d i t i e dp o l y u r e t h a n em o d i f i e d e p o x ys u b s t a n c e ，i n c l u d i n gc u t - r e s i s t m a c e ，c r o s s - r e s f s l a n c e ，s t r i k e - t o u g t m e s s a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n td a t u r 巩t h et h e s i sc o n s i d e r e di ti sr a t i o n a lt oa c ta st h ec o m p o s i t e s b a s e m e n t t h er e s u l ts h o w e dt h a t , e r o s i v er e s i s t a n c eo fp a r t i c l er e i n f o r c e dm a t a lm a t r i x c o m p o s i r e , i nw h i c ht h em a t r i xi s 0 3 1 5 i n r nt o0 4 0 0 m mw i f l l2 7 i nv o l u m e f i - a c t i o n ，i s2 7t i m e sa st h a to fr d g hc h r o m i u mc a s ti r o n ，i na d d i t i o n , t h i sp a p e rh a s c h o s e nt h ec o m p o s i t e sg a a tt a k eo i lt h eb e s tp r o p e r t i e sw i t he r o s i v er e s i s t a n c e ( a id p a r t i c l ew e i g h tr a t i oi so 1 3 5 m m - 0 2 0 0 m m ：0 1 0 0 m m - o 0 7 i m m = 3 ：1 ；t h ew e i g h tr a t i oo f p o l y i 鹏t 脚m o d i f i e d e p o x y ：a i x ) p a r i c l e w i t h g r a d a t i o n 2 1 ：1 1 f o rt h ei m p e l l e r , t h i sp a p e ra s c e r t a i n e dao p t i o n a ls m e a r i n gp l a n l o t f l d - w e i g h t f i l l i n g ，a n d p u t f o r w a r ds e v e r a l o p t i o n s t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e c o m p o s i t e s 【k e y w o r d s ：m e t a l m a l f i x c o m p o s i t e s ，p o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t e s , s l u r r y p u m p ，e r o s i v e w e a r 第2 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 磨损是机械零件失效的主要形式( 磨损、腐蚀和疲劳) 之，也是 摩擦学三大课题( 摩擦、磨损、润滑) 之一。根据不完全统计，能源的 1 3 1 2 消耗于摩擦与磨损；对材料来说，约8 0 的零件失效是磨损引 起的o 。在冶金、矿山、建材、电力、化工、煤炭、农机等行业，其磨 损占生产成本较大的比例，如矿山其碎矿、磨矿过程中所消耗的耐磨材 料占其选矿成本的一半。据不完全统计，我国仅工件的磨料磨损一年就 消耗钢材1 5 0 万吨以上，而在云南有着丰富的有色金属矿产资源，是冶 金、建材、火电、化工企业较多的省份，其每年消耗的各类主要耐磨件 据云南省耐磨耐蚀耐热材料协会1 9 9 4 年统计消耗总量达8 万吨，价值 2 ，5 亿元。而包括所有磨损形式在内，云南省耐磨件年消耗总量在】4 万吨以上，价值约5 亿元以上。随着云南省这几年将有色金属开采加工。 磷化工作为四大支柱产业之一来发展，云南省每年所消耗的耐磨材料也 将大大增加。 复合磨损工况是指磨损与腐蚀并存或磨损与高温并存，两者交互作 用，加剧零件的磨损失效。这一类工况广泛存在于冶金、建材、矿山、 火电、化工等许多行业中，如矿山使用的各种杂质泵，其过流部件在承 受磨损的同时受介质的腐蚀，使用寿命极短；又如选矿各种精尾矿输送、 化工厂废渣排放的管道，均受物料磨料磨损和腐蚀介质的腐蚀的双重作 用；立式水泥窑卸料塔，需承受磨料磨损和高温的双重作用；钢铁行业 中轧制所需要的导尾板，也是承受磨损和高温的双重作用。这些复合磨 损工况条件下使用的零部件的数量是惊人的，以杂质泵中的砂泵、杂质 泵为例：9 8 年仅全国有色金属行业消耗的过流部件达5 8 7 万吨。云南 省杂质泵年服役量1 9 9 4 年省耐磨材料协会所统计约7 5 0 0 台左右，雨目 前所用杂质泵的过流部件采用合金铸铁、铸钢，其寿命很短，一般使用 寿命仅为1 5 - 3 0 天，有的甚至不到7 天。全省年消耗杂质泵过流件在 3 0 0 0 - 3 4 0 0 吨，这不仅消耗了大量的金属材料，而且由于严重磨损， 第1 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 杂质泵的效率大大降低，能耗增高。同时由于频繁更换造成设备乃至生 产线停机，大大降低了生产效率。因而每年这一项的经济损失是巨大的。 由此，开发研制一种能在复合磨损工况下使用、寿命长的新材质显得极 为重要。 高分子基耐磨复合涂层则主要是针对保护过流部件的工作表面而研 究开发的。高分子树脂材料具有极优异的耐酸、耐碱腐蚀的特性。以 这种材料为基体，添加陶瓷颗粒而制成的复合材料，更具备了优异的耐 冲蚀磨损性能。将其作为耐磨涂层材料应用于各类过流部件的表面，其 涂敷工艺简单，成本低廉，无热影响区及变形。这种复合材料除了可用 于零件表面耐腐蚀、耐磨损的预置涂层及零件腐蚀磨损表面的修复之 外，还广泛用于修补工件上的各种缺陷如裂纹、划伤、尺寸超差及铸造 缺陷等，其应用前景十分广阔 2 删。另外，国外许多部门在耐磨复合涂 层方面作了许多研究并取得了较满意的成果。如美国的高分子修补剂、 工业修补剂，德国及瑞士的系列涂层产品已进入中国市场并在许多领域 得到了应用 t - 9 。但国内在这方面的研究才刚起步，因此，在材料的制 备工艺、涂敷工艺、磨损机理等有待于科研工作者去进一步探索、开发。 1 2 冲蚀磨损工况下的磨损机制及理论研究现状 1 2 1 材料的冲蚀磨损机制 冲蚀磨损机制主要有：( 1 ) 由于冲击粒子的切削作用，材料以切屑 形式脱离表面；( 2 ) 由于不断冲击时，材料加工硬化最后发生断裂，材 料以薄片屑形式从冲击形成的层状表面脱离；( 3 ) 由于冲击时表面唇状 物或其它凸起部分发生断裂，材料以簇团屑形式脱离表面。形成切屑是 单颗粒冲击情况下材料磨损的唯一形式；薄片屑的形成是多次冲击的综 合结果。当磨粒开始冲击表面时，一般把材料挤压到坑的边缘，随后连 续不断地冲击揉搓表面层，从而形成一种强烈变形的表面结构，终因加 工硬化造成表层脆性断裂，形成薄片状屑。表面的层状结构和磨粒嵌入 都有助于断裂。磨粒嵌入的作用之一，就是在表面形成“铁砧”，当遭 受磨粒冲击时，这些“铁砧”就是应力集中区。簇团屑的脱离是由于冲 蚀形成了极端不平的表面形貌，表面吸收大部分冲击能都转化为表面能 第2 页 昆明理工大学工程硕士学住论文 耗散在材料内部。如果表面凸起部分受到磨粒冲击，表面的几何形状会 降低冲击点的散热速度，因而在局部地区产生高温，使凸起部分软化， 就可能断裂而脱离表面l 。 l - 2 2 影响冲蚀磨损的因素 由于冲蚀磨损过程本身的复杂性，影响冲蚀磨损的因素也是多方面 的，主要有： 1 2 2 1 磨粒方面 a 磨粒硬度的影响一般认为冲蚀磨损量是磨粒硬度的函数，其 关系式为= k h 2 。3 。 b ，磨粒形状的影响圆球形磨粒冲蚀时，靶材以犁沟变形为主； 而多角形磨粒则以切削为主。多角形磨粒比圆球形磨粒的磨损量要大得 多。 c 磨粒尺寸的影响一一靶材的冲蚀磨损量随着磨粒尺寸增大而增 加，当磨粒尺寸增大到一定值时，磨损几乎不再增加。 d 磨粒破碎的影响磨粒在冲击靶材表面过程中会破碎出大量碎 片，这些碎片能除去磨粒在以前冲击时在靶材表面形成的挤出唇或翻 皮，构成二次磨损。 e 磨粒嵌镶的影响对于延性材料，磨粒较容易嵌镶于靶材的基 体，使靶材表面的性能变坏，往往使冲蚀磨损量增加。 1 2 2 2 靶材方面 a 宏观硬度的影响小冲角时，材料的宏观硬度越大则耐冲蚀磨 损性越高；而冲角为9 0 。时，耐冲蚀磨损性随材料的硬度增大而降低。 b 加工硬化的影响加工硬化能提高小角度冲蚀磨损的耐磨性， 而对大角度冲蚀磨损的影响则相反。 c 材料组织的影响在小冲角时，马氏体比珠光体耐磨，高碳马 氏体比低碳马氏体更耐磨，在基体上有大量碳化物存在时耐磨性会明显 提高；而大角度冲蚀磨损时，硬度高的组织比硬度低的磨损加剧。 1 2 2 3 流体方面 a 冲蚀速度的影响因为冲蚀磨损与磨粒的动能有直接的关系， 所以冲蚀速度对冲蚀磨损影响很大。研究表明冲蚀磨损量与磨粒的速 第3 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 度存在指数关系。 b 流体温度的影响温度对冲蚀磨损的影响有两种完全不同的结 论。一些试验结果表明，随着温度升高，冲蚀磨损加剧；但另一些实验 且有相反的结果。 c 冲角的影响一一冲角是指磨粒与靶材表面之间的倾角。延性材料 的冲蚀磨损开始随冲角增加而增大，当冲角为2 0 。3 0 。时，磨损最 大，然后随冲角继续增大而减小；脆性材料则随冲角的增加，磨损量不 断增大，当冲角为9 0 。时，磨损最大。 1 2 3 浆体冲蚀磨损和固体粒子冲蚀磨损【l l j 液体介质携带固体粒子以一定的角度和速度对材料表面进行冲击， 使材料表面产生磨损的现象称为浆体( 液体一固体) 冲蚀磨损。浆体冲 蚀磨损在工矿生产中也很常见，例如泥浆泵中泥浆对泵体和叶轮的磨 损，原煤管道输送中煤浆对管道的磨损等等。对于浆体冲蚀磨损的研究 迄今还很不深入，一般认为冲速不高的浆体冲蚀磨损主要是由其中的固 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 以气体为介质的固体冲蚀磨损之间存在一定的差异。 1 2 4 浆体冲蚀磨损与固体粒子冲蚀磨损之间的差异 1 24 1 冲蚀速度和冲蚀角 由于液相的存在，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表面，产生冲蚀磨损，这必然使 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， 由于流体的粘性较大，磨粒的运动方向将向流体运动的方向偏斜。沿v 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 ，方向运动 的那部分磨粒的实际冲角将比名义冲角大，据计算 d ，d = ( 1 + c o s a ) 2( 式1 1 ) 昆明理工大学工程硕士学位论文 d 2 d = ( 1 一c o s 2 图1 1 浆体冲击靶材表面的铺展作用示意圈 因此，除9 0 。外，在各种冲角下总是沿v 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。 1 2 4 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近的那些磨粒能冲击 到材料表面产生磨损，而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。 1 2 4 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，压坑的末端产生变形 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，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。 1 2 4 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， 靶材表面局部地区会产生很高的温升，使材料的组织发生变化，甚至熔 第5 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 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。 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，也有许多不同之处。 1 2 5 浆体冲蚀磨损规律与固体粒子冲蚀磨损规律的比较 1 2 5 1 冲蚀角与冲蚀磨损率的关系 莱维等人对铝、铜和软钢等延性材料进行研究发现，在冲蚀速度小 于1 0 m s 时，随冲角a 增大，材料的冲蚀磨损率e 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e a 关系曲线 上出现两个峰值，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，如图1 2 所示。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。 冲 蚀 磨 损 塞 冲蚀角n 图1 2 浆体冲蚀磨损与固体粒子冲蚀瘗损的e a 关系对比 1 2 5 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。莱维等人的研究指出，浆体冲蚀磨损的速度 指数n 随冲角而变化，且比固体粒子冲蚀磨损时要小些。冲角n 在2 0 。9 0 。时，速度指数n 在1 6 2 2 1 2 之间。 1 2 5 3 浆体性质对冲蚀磨损的影响 研究发现，以a i ，o ，和s i c 作磨粒的水浆比以煤作磨粒的水浆冲蚀 第6 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 磨损率大2 倍。而冲蚀磨损规律基本上没有变化。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。a 1 ，o ，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 2 6 冲蚀磨损工况对工件材质的要求 1 2 6 1 组织要求 材料的性能通过合适的组织来实现，对于冲蚀磨损工况条件下工作 的耐磨件而言亦是如此。常见的钢铁耐磨材料组织有以下两种类型： a 单一组织 钢铁耐磨材料常见的单一组织有马氏体( m ) 、贝氏体( b ) 、珠光体( p ) 和奥氏体( a ) 。各种组织耐磨性随硬度增加而增加，奥氏体、贝氏体组 织耐磨性优于珠光体和马氏体。此外，各种组织中合金含量、含碳量不 同，其耐磨性也会有较大变化。在实际生产中，由于马氏体组织硬度一 般较高，具有较好的耐磨性且容易获得，使用较多。在相同硬度水平下， 贝氏体组织则比马氏体组织具有更高的耐磨性。单一珠光体组织硬度 低，与渗碳体混合后的整体硬度也很难超过h v 5 5 0 ，基本上己被淘汰； 单一奥氏体组织材料以高锰钢为代表，虽然其硬度低，但在高能量冲击 磨损作用下会发生加工硬化而达到较高的表面硬度，因此在高冲击工况 条件下也可以获得较好的耐磨性，但在冲击强度不足以使其表面充分加 工硬化时并不耐磨，这已成为工程实践结果所证实。 b 复相组织 有意获得复相组织的目的是为了改善材料韧性、取得良好的强韧性 配合，获得单一组织无法获得的高耐磨性。如马氏体+ 贝氏体组织，它 们比单相马氏体韧性好比单相贝氏体硬度高，从而其耐磨性较好。虽然 从抗腐蚀性的角度来看，复相组织增加了相界面、相与相之间有电位差 异会促进电化学腐蚀导致在有腐蚀的工况条件下的耐磨性变坏，但获得 性能优良的贝氏体一马氏体复相组织仍有利于工件寿命的提高。 第7 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 1 2 6 2 性能要求 1 1 较高的硬度 硬度在一定程度上反映了材料的耐磨性。一般而言，在其它条件一 致的情况下，材料的硬度越高，耐磨性能越好m 1 。r i c h a r d s o n 等人认为， 材料的耐磨性和材料与磨料之间的硬度比值h m h a ( h m 为材料硬度， h a 为磨粒硬度) 有如下关系：h m h a o 8 时为软磨料磨损， 若0 8 h m h a 1 3 时，硬度的提高易导致材料在磨损过程中产 生疲劳裂纹、宏观剥落，使得耐磨性下降，但若能保证材料同时具有良 好的韧性，防止疲劳、剥落等失效的发生，则仍是硬度越高越耐磨 1 3 - 1 4 】。 此外，对于钢而言，硬度和强度之间存在一定的对应关系5 l ，硬度越高， 钢的屈服强度、抗拉强度越高，不易发生塑性流变，故对于耐磨钢而言， 应具有较高的硬度，一般而言硬度在h r c 4 5 以上较为合适m 1 。但需要 注意的是，钢铁材料的硬度和韧性是一对相互矛盾的性质，通常是硬度 高则韧性差，在以往的耐磨材料研究和应用中，一般认为耐磨材料的硬 度越高越好，从而只规定硬度的下限要求。然而事实上，将宏观硬度 ( h r c ) 与断裂韧性数值作统计处理后，可以发现它们之间存在大致 的反比关系，即硬度增加会导致断裂韧性下降，当硬度超过h r c 6 0 以后，材料的韧性下降很快，在使用过程中容易发生断裂、脆性剥落等 失效，使得其耐磨性和安全性大大下降 1 2 , 1 8 】。因此，在设计使用耐磨钢 时，对其硬度不仅应规定下限值，也应规定上限值。 b 良好的韧性 对于磨料磨损工况条件下工作的耐磨件而言，韧性是一项很重要的 性能指标，决定了其使用寿命。韧性好，一方面可以防止工件出现宏观 断裂等宏观失效的出现，另一方面也使得材料由于断裂机制引起的材料 去除得以抑制。一些研究者在实验的基础上指出【1 9 1 。工件的冲击韧性值 a 。应根据具体的工况条件提出要求，但一般不宜低于1 0 j c m 2 这一数 值。 昆q l 理x - 大学工程硕士学住论文 c 良好的耐腐蚀性能 在冲蚀磨损工况下，磨损件与有一定酸碱度的物料直接接触，必然 会产生腐蚀，腐蚀弱化材料表面，使磨损所需能量降低；而磨损形成微 观沟槽与压坑，增加腐蚀表面积，并使腐蚀集中。这样腐蚀和磨损交互 作用，会在很大程度上加速材料的流失。有关钢铁耐磨材料在有腐蚀的 工况条件下的耐磨性研究尚无明确的结论，但在实际应用中，必须考虑 腐蚀的影响。 d 良好的工艺性能 主要指在熔炼过程中易于控制、浇注成型、热处理时易于生产操作。 以往对耐磨材料的研究往往着重于材质研究和热处理工艺研究，而对其 本身的工艺性能研究和成型工艺研究较少，然而这些问题是极端重要 的，在很大程度上影响钢铁耐磨材料的实际使用效果。如在空冷贝氏体 钢研究中，含b 的钢种由于b 在冶炼时难以控制，过量易在晶界凝淀 出f e b 或f e ，( c b ) 。，促进等轴状铁索体形成；过低会导致奥氏体晶粒 变粗，使得其推广应用困难【2 0 】。又如中锰球墨铸铁成本低而具有一定的 耐磨性，但由于其在熔炼过程中铁水中的球化处理和孕育难以控制，导 致其中碳化物含量不稳定，易产生铸造缺陷，使得其耐磨性难以得到充 分发挥，大大限制了它的使用。 此外，钢铁耐磨件一般都是在铸造后一次成型直接使用，因此进行 铸造工艺研究、防止铸造缺陷具有重要意义。一些耐磨件早期运行时表 现良好，运行一定时期后一旦有缩松、气孔等缺陷暴露出来，磨损便突 然加速乃至断裂或局部磨穿，使整个工件失效。 针对变化的复杂磨损工况，其耐磨耐热耐腐蚀性难以取得突破性进 展。在今后一个时期内，铸造抗磨材料将向着合理选材、优胜劣汰的方 向发展，新技术在这个领域将会更快地与生产结合，复合材料的开发正 顺应了耐磨材料的这一发展趋势。 1 3 高分子基复合材料文献综述 一般来说，高分子基耐磨复合材料应由以下几个部分组成 2 1 ：基 体、增强体、固化剂、偶联剂、其它辅助材料等。 第9 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 对于抗磨类非金属复合材料，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乜：1 ：1 ) 基体本身的物一化性能。如强度、韧 性、耐磨性、耐蚀性等。而固化剂的种类、增韧剂的特性和添加比例以 及改性物质的选择等因素都会对其产生影响。2 ) 填料的硬度、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更多的填 料颗粒是提高复台材料耐磨性能的关键因素。3 ) 基体与填料的配合。 包括基体材料对填料颗粒的粘附质量、填料颗粒在基体中的分布均匀性 以及复合材料的致密性等。针对这三个方面的问题，国内外已经做了相 当多的研究工作。 1 3 1 高分子基体 环氧树脂可用于金属与非金属或不同质的材料之间的粘接，该类胶 粘剂与其它胶粘剂相比，具有如下优点旧： ( 1 ) 粘接强度高。在环氧树脂中有羟基，环氧基醚键等极 性基团。由于极性基团对被粘表面分子产生强电磁亲和力或化学键力， 因而具有高粘接性能。( 2 ) 改变性能的范围大。与其它树脂相比，环氧 树脂的固化剂种类繁多，而且可以加入许多材料改性以及加入不同填料 而j ! 导到多种性能的环氧类胶粘剂。( 3 ) 工艺性能良好。它在室温下加压 或不加压都可固化并能获得良好的强度。在不加入固化剂和不含有碱 性组分时，其可以长期保存。( 4 ) 耐介质性能好。因为在固化体系中， 醛基苯环和脂肪羟基能够耐酸、碱的侵蚀，由于它的树脂分子链紧密， 且交联密度大，故i i j 溶剂性、耐油性和耐湿热性能较好。( 5 ) 使用温度 范围广。一般双酚a 型环氧树脂的使用温度为一6 0 一十1 7 5 ，有时也可短 时达到+ 2 0 0 。( 6 ) 固化时收缩率低。环氧胶在固化时不产生低分子副 产物，而且在液态时高度缔合。由于它在固化时直接形成，对未改性体 系其收缩率小于2 ，若在中间加入适当的填料，则收缩率更小，大约 为0 1 左右，且线膨胀系数也相应的降低了，并可作到接近被粘物的膨 胀系数。( 7 ) 固化后在一定情况下可进行机加工。缺点是韧性差，但是 可以通过合适的改性方法在一定程度上加以克服和改进。近年来环氧树 脂及其固化剂品种有很大发展，所以得到了广泛地应用。 1 3 1 1 高分子基体磨损特性的研究现状 第10 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 树脂基颗粒增强复合材料( 涂层) 一般采用环氧树脂系列、聚胺酯、 有机硅树脂等 2 2 , 2 4 。经大量实验研究得出了几种广泛使用的基体材料 的耐磨性能及粘接性能。具体数据见表卜t 。 表1 - 1 几种高聚物的耐磨性和粘接性能 序 高聚物名称磨损失重( g )附着力( 级) 号 1 环氧一聚酰胺 o 0 1 8 31 - 2 2 环氧一酚醛 o 0 1 5 3l 一2 环氧改性单组分 30 0 4 2 42 聚胺酯 4 开环环氧聚氨酯0 0 0 9 8 1 2 5 弹性聚氨酯 0 0 0 3 0 差 有机硅改性聚氨 60 0 5 5 62 3 酯 7 环氧改性有机硅 0 0 9 1 32 - 3 8s 0 1 聚氨酯0 0 1 0 5 2 由上表可以看出，弹性聚胺酯的耐磨性最佳。这是因为其具有两相 结构的特点艟“，即柔性的聚酯连续相或聚醚段上存在着由二异氰酸酯 和二醇反应制得的刚性链段，同时两项通过氢键作用形成物理交联。由 于这种结构，弹性聚胺酯能够最大限度吸收来自外部的冲击作用，同时 维持自身足够的刚度和机械强度，因此，它具有优异的耐磨性能。但是 弹性聚胺酯对金属底材的附着能力极差，直接用于涂料有一定的困难， 特别是需要经过加温固化才能达到最佳的物理性能，因此明显限制了它 作为涂层材料的应用。 虽然环氧树脂系高聚物的耐磨性低于弹性聚胺酯，但是它作为涂层 材料来使用时，除其本身具有良好的粘接性能之外，还可以经过改性处 理等方法提高其耐磨性，因此，环氧树脂系列也可作为耐磨复合涂层的 基体材料。 第11 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 对高分子材料包括环氧树脂的冲蚀磨损特性的研究表明 2 5 - 2 8 ：材 料的冲蚀磨损率随着材料的硬度及弹性模量的增加而增加；根据扫描电 镜的结果分析，在冲蚀磨损条件下，环氧树脂的显微脆性断裂明显。由 此可见，环氧树脂固化之后的高脆性是影响其耐磨性的主要因素。目前 解决这一问题的主要途径是对环氧树脂进行改性，赋予其良好的柔韧性 及弹性。 目前对环氧树脂的改性工艺有以下几类汜” ：双马来酰亚胺改性、 聚酰胺改性、弹性橡胶改性、弹性聚胺酯改性等。在以上这几种改性工 艺中，采用聚胺酯预聚体改性环氧树脂具有操作简单、工艺参数易于控 制等优点，改性后体系的固化条件与纯环氧树脂固化条件相同。根据有 关资料研究表明乜：用聚胺酯预聚体改性环氧树脂可明显提高体系的 各项力学性能及粘接性能。与纯e 一4 4 双酚h 型环氧树脂相比，粘接试 样的剪切强度提高4 0 ，不均匀扯离强度提高4 0 以上，浇铸体的弯曲 强度提高7 0 ，拉伸强度提高1 4 0 ，冲击强度提高3 5 0 。观察其微观 体系的结构，其内部相分离程度适当，弹性体颗粒析出量适中。 1 3 2 填料 1 3 2 1 填料种类、加入量及粒度对耐磨性的影响 耐磨填料一般多使用高硬度磨料如氧化铝、金刚砂、碳化硅及金属 氧化物等。不同填料对涂层耐磨性的影响见表卜2 2 2 ，3 0 。 表卜2 填料对复合材料耐磨性( 失重g ) 的影响 耐磨性耐磨性 编号填料编号填料 ( 失重) ( 失重) l 无0 0 4 8 37 二氧化硅 0 0 3 9 0 2 二氧化钛 0 0 3 6 08 碳化硅0 0 0 7 4 3 三氧化锑 o 0 3 1 09 氮化硼 0 0 1 5 0 4 三氧化铁 0 0 3 9 01 0 铁粉 o 0 1 5 0 5 三氧化铬 o 0 1 7 01 1 铜粉 0 0 1 5 6 第12 页 昆明理工夫学工程硕士学位论文 厂丁 一厂 f 6 i 氧化铝l 0 0 0 7 41 2 i 铝粉j 0 0 1 5 6 表中数据是以开环环氧树脂为基体，加入各种填料为样品进行测 试的结果。试样编号l 为没有加入填料的涂层耐磨性，其它编号为加入 各种填料的涂层耐磨性。可以看出，两者相比有显著的差异。尤其是加 入氧化铝、金刚砂、三氧化二铬填料的涂层耐磨性最好。 再以三氧化二铬作为填料进行试验，通过改变填料添加量测试涂层 的耐磨性。不同的颗粒加入量对涂层耐磨性影响见表卜3 m 3 。 表卜3 三氧化二铬加入量对涂层耐磨性影响 编号三氧化二铬加入量耐磨性( 失重) g 100 0 4 6 8 23 0 o 。0 1 5 7 35 0 o 0 1 2 5 41 0 0 0 0 1 0 0 51 5 0 o 0 1 5 9 由表1 - 3 可以看出，在一定加入量以下，随着三氧化二铬用量的增 加，涂层的耐磨性明显提高，但当增加到1 5 0 后，其耐磨性反而下降， 这可能是因为填料用量过多，不能充分包容于树脂中的缘故。另外，涂 层的耐磨性随颗粒粒度的增加而增加，3 ，如表1 - 4 所示，但结合实 际应用时，为满足涂层的厚度及表面光洁度要求，填料颗粒不宜过大 衄7 表1 - 4 填料粒度对涂层冲蚀磨损率的影响 冲蚀磨损率 编号填料粒度( t a m ) ( m m z k g ) 1 1 8 5 5 21 7 ，51 2 0 3 1 6 83 2 0 41 65 2 0 根据已有的试验和表面分析结果得出的结论m 。“，填料的磨损一 第13 页 昆明理工大学工程硕士擘住论文 般是以脆性破碎为主( 除了整体脱落之外) 。当磨料的粒度比较小、冲 蚀速度比较低或填料的粒度比较大时，磨损只能在表面进行，因而磨损 率很低：当磨料的粒度增大、冲蚀速度增大或填料的粒度减小时，填料 的破碎就会增大，裂纹会扩展到填料的内部：当填料的粒度比较小而且 磨损的粒度比较大时，填料就有可能发生严重的破碎，此时填料己不能 起到抗磨作用。 影响耐磨涂层除有上述几种因素外，还有一个很重要的因素即是级 配的填料颗粒对复合耐磨涂层的影响口。 1 3 2 2 填料级配模型的建立 填料的级配理论理想地认为复合材料体系内部每一个填料颗粒与包 覆于其表面的胶体形成了一个理想的刚性球体，这些刚性球体以最密集 的排列方式堆积，而复合材料体系则是由这些呈最密集的排列方式堆积 起来的球体以及充填于这些球体之间的空隙中的胶体组成。在两球体相 切处的胶体膜厚度即为能够维持胶体对颗粒的最佳粘接的最小厚度，若 刚性球体的直径单一，经计算，则它以最密集的排列方式对一定空间的 填充率约为7 4 。当加入小颗粒后，可理想的认为它与包覆在其表面的 胶体膜所构成的刚性球体均匀的填充在大球体之空隙中，这样，既不影 响胶体对填料的粘接强度，又可以提高体系内耐磨颗粒的含量，即相当 于增加了体系内任意平面上硬质相的面积，从而提高了复合材料的耐磨 性能。 1 2 2 3 填料级配参数的确定 相关资料从理论上计算出了在理想状态下颗粒的级配指标，且通过 试验证明了该理论的正确性，具体配比为 3 ：大、小颗粒的粒径之比 为3 ：1 ：重量比约为3 8 ：1 ，又由于颗粒实际形状的不规则性，最终级 配比确定为3 ：l 。 1 3 3 固化剂 环氧树脂本身是热塑性的线型结构，不能直接应用，必须再向树脂 中加入第二组分在一定温度下进行交联反应，生成体型网状结构的高聚 物后才能使用。这个第二组分就叫做固化剂n 。 加成聚合型固化剂是固化剂的一种，而多元胺和酸酐又是加成聚合 第14 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 型固化剂最重要的两类，多元胺的一般使用量约为酸酐的三倍。聚酰胺 是多元胺的一种，它的特点是添加量的容许范围比较宽，固化物的机械 性能比较均衡，耐热冲击性优良，对范围很广的各种材料具有优良的粘 接性，多元胺单独使用时对人体的皮肤和粘膜有刺激性，经过环氧化合 物的改性处理后，对人体的皮肤和粘膜有刺激性大幅度降低，而且提高 了固化反应的活性 3 “。 1 3 4 辅助材料 辅助材料包括偶联剂、稀释剂等。其作用是改善复合材料的韧性、 抗老化性能以及降低基体粘度，提高涂敷质量等。 1 3 5 树脂基颗粒增强复合涂层冲蚀磨损特性的研究现状 耐磨环氧树脂基复合涂层的冲蚀磨损特性有以下几点伸“。”：涂 层材料的冲蚀磨损是由粘接基体的磨损和增强颗粒的磨损组成。通过扫 描电镜观察磨损面的形貌，可以看出基体材料出现塑性变形唇，即基体 具有半塑性的冲蚀磨损特性。同时，若基体材料的塑性、韧性较差，当 塑性变形量累计到一定程度时，基体就会出现裂纹，并以片状或者块状 等形式脱落。断口形貌有明显的脆性断裂特征。填料颗粒的磨损主要有 两种形式：颗粒的脆性破碎以及整体脱落。脆性破碎主要发生在颗粒的 尖角部分和薄弱的边缘部分。若填料颗粒的粒形较为圆整，如球形或圆 角形，则复合涂层的耐磨性有所增加。颗粒整体脱落主要由于填料颗粒 的耐磨性明显优于胶体基体，磨损过程中材料表面会发生选择性磨损而 使填料颗粒逐渐露出。随着时问的延长，填料颗粒的露出越来越明显， 而填料颖粒与胶体基体的粘接面积会不断减少，这相当于填料颗粒被磨 料逐渐从胶体基体中挖出。当填料颗粒与胶体基体的粘接面积减少到一 定程度后，填料颗粒与胶体基体的粘接强度不足以抵抗磨料的冲击力， 于是填料颗粒会整体脱落下来。 冲蚀角度的大小对复合涂层的磨损率也有明显的影响。有关资料报 道了纯胶体及复合涂层材料在不同的冲蚀角度下的体积磨损率，结果表 明n 9 ) ：纯胶体材料的最大磨损出现在冲蚀角度为4 5 。时，而复合涂层 材料的最大磨损出现在冲蚀角度为7 0 。时。这是因为纯胶体材料的硬 度较低、韧性较好，因此材料的最大失重出现在小角度冲蚀区：添加了 第l5 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 氧化铝颗粒后，材料宏观硬度及脆性增加，故此最大冲蚀角亦随之增加。 填料颗粒的加入量对耐磨环氧树脂基复合涂层冲蚀磨损的影响也有 相关资料报道n ”。其研究的耐磨复合涂层的基体材料为双酚a 型环氧 树脂，填料为9 0 目的氧化铝颗粒。磨料为1 2 0 胃的石英砂，冲蚀浆料 的含砂量为1 5 ( w t ) 。选用正火态、硬度为h b 2 0 0 的4 5 号钢作为对比 试样，试验在其自行设计的冲蚀磨损试验机上进行。耐磨复合涂层的最 终磨损结果以相对耐磨性来体现，如表卜5 所示。 表卜5 填料含量对涂层相对耐磨性的影响 编号 相对耐磨性( )填料含量( w t ) 1 1 93 0 2 2 74 0 33 65 0 44 76 0 5 7 27 0 6 8 27 5 77 58 0 84 o9 0 上表结果表明：磨面上的胶体较之填料更容易被磨削掉；当填料含 量较少时，填料颗粒之间的距离较大，磨料容易把填料周围的基体材料 磨损掉而造成填料脱落；当填料含量过多时，基体不能充分粘接填料， 同样会使填料脱落。当填料含量在7 5 左右时，填料能够紧密排列，磨 料较难造成基体的磨损，因而涂层的耐磨性较好口“。 1 3 6 影响涂层粘接特性的诸因素分析 复合涂层体系的形成主要是由胶体材料在陶瓷颗粒表面的浸润和粘 附而连接起来的。同时该类材料的工业化实现的前提也是能够与待涂敷 表面粘接良好。所谓粘附是由胶粘剂和被粘材料在界面上的机械嵌合 力、分子之间的作用力和个别化学键力所共同形成的n o 】。由于粘接主 要靠表面粘附，因此被粘材料的表面特性就成为决定涂层材料耐久性的 重要因素。如果被粘材料的表面上有一个单分子层污染物，那它就会阻 碍胶粘剂在其表面上的正常浸润和粘附。若粘接界面上有一个弱界面层 存在，就有可能成为粘接界面非正常破坏的薄弱环节。现有研究结果表 第16 页 昆明理工大学工程硕士学拉论文 明”：粘接表面的清洁度、表面化学结构及表面粗糙度等都与粘接表面 的强度密切相关。另外，体系在固化过程中会产生收缩应力n “，这也 会造成涂层强度的下降、胶接界面的剥离以及涂层材料的老化等。因此， 减弱甚至消除收缩应力，是提高涂层材料使用寿命的一个重要途径。 1 3 7 粘接层结构及涂敷工艺对涂层使用效果的影响 耐磨复合材料涂层在实际应用过程中的另一种主要失效形式是整体 剥落”“。一方面是由于涂层材料本身的质量不高造成的，另一方面涂 层材料的涂敷工艺和涂层结构也是一个重要的影响因素。此外，涂层材 料的涂敷工艺和涂层结构也关系到该类材料在实际生产中的推广普及， 具有十分重要的现实意义。 a 粘接层结构对涂层使用效果的影响 工件与涂层体系可被近似地看作一个粘接剂与被粘接件系统。工 件与涂层的粘接界面即相当于胶接件的粘接接头，它是由被粘物、粘接 层以及粘接界面所组成的。根据粘接接头破坏所发生的部位，可分为四 种破坏类型”“：被粘物破坏、粘接层内聚破坏、界面破坏和混合破坏“。 b 涂敷工艺对涂层使用效果的影响 耐磨复合材料涂层在实际应用过程中的另一种失效形式是受到体积 较大的固体物料的撞击而从涂敷的零件表面整体剥落n ”。由于涂层的 这种失效形式不属于正常的磨损失效，因此在实际生产中很难采取预防 措施来避免它所造成的危害。如何有效的解决复合材料涂层整体剥落的 问题具有非常重要的实际意义。 整体剥落问题的产生除了由于涂层材料本身的质量不高造成涂层结 构不合理之外，还有一个很重要的影响因素即涂层材料的涂敷工艺。 目前，对工件表面涂敷耐磨涂层的工艺方法主要有手工涂敷和重力 浇注填充这两种n2 1 “ 。手工涂敷效率较低，并且较难满足涂层厚度及 表面光洁度的要求：重力浇注填充只能满足少数形状简单的工件的涂 敷，并且涂敷质量不易保证。而且前针对这一问题所进行的工作还不多 见，因此有必要进行该方面的研究工作。 第17 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 第二章课题的提出和总体研究方案 2 1 课题提出的目的 本论文主要研究的是杂浆泵各零部件耐磨层的设计以及考虑其耐磨 性，由于金属基复合材料和高分子基复合材料的制各工艺不相同，再由 于各零部件不同形状，所以本文对护套和内盖采用前种方法，叶轮采用 后种方法即涂敷高分子耐磨涂层的方法。 设计得到界面结合牢固、颗粒分散均匀的钢铁基陶瓷颗粒增强复合 材料；对实现局部复合的复合工艺和铸造工艺进行实验及探索，确定一 种在普通铸造设备条件下全新的在铸造过程中能获得局部复合材料的制 备方法，使局部复合材料耐磨层厚度不小于3 m m 、浇注方式简单可靠、 能进行复杂表面( 曲面) 的复合。并针对云南锡业公司选矿厂的实际工 况，以矿山用47 渣浆泵过流件为实验室小试产品，获得并优化适合于 云锡矿山所用渣浆泵过流件的复合工艺、铸件的铸造工艺，包括零件尺 寸、壁厚对复合效果的影响：铸件浇冒系统对复合效果的影响；铸型、 泥芯性能对复合效果的影响；浇注参数对复合效果的影响等等；初步探 讨复合层的热物理过程。 通过前一章文献综述，本论文采用了改性环氧树脂作为耐磨复合材 料的基体及有级配的氧化铝颗粒作为填料，且考察了改性基体及级配颗 粒对耐磨性的影响规律：通过试验总结出制备耐磨性最佳的复合涂层的 工艺；同时结合耐磨件的实际工作情况，设计出一套涂敷工装及涂敷工 艺。通过以上的工作，可更深入的了解耐磨复合涂层磨损失效的机理， 且为以后该工作的进一步完善提供了较好的基础， 2 2 金属基复合材料的总体试验方案 2 2 1 制备工艺拟定 为了较好地解决陶瓷颗粒均匀分散问题和基于浇注方法简单可靠的 要求，宜选用铸渗法来实现复合材料的制备。采用无压渗透法可节约设 备投资、减少生产工序、提高生产效率，但铸渗深度小，基材与复合层 第18 页 昆明理工大学工程硕士学位论文 结合不良；而采用真空密封铸造负压铸渗工艺则可获得较大的铸渗深 度，不足之处在于工序复杂、生产组织较为麻烦，且对复杂零件型芯造 型困难。结合两种复合工艺的优点，并根据渣浆泵的受磨损面为内表面， 复合层应在芯部成型的实际情况，拟采用混合工艺，即用传统的造型制 芯方法加上负压吸铸。这种混合工艺的优点在于： 1 ) 造型制芯工艺简单，对工人的技术要求低，生产效率高。 2 ) 能得到合适的铸渗深度并可以保证有较好的复合效果。在负压作用 下，根据文献“铸渗深度与真空度的关系式为： h ：= r ( p + 2 c r c o s o r ) r 2 r 其中，h 为铸渗深度，r 为颗粒问毛细管半径，p 为真空度，o 为 金属液的表面张力，0 为颗粒与金属液间的润湿角，t 为金属液保持液 态时间，r l 为