磷酸二氫鋁膠粘涂層的耐磨性研究

磷酸二氫鋁膠粘涂層的耐磨性研究

0復(fù)合材料膠粘涂層在冶金和電工的生產(chǎn)過程中，許多設(shè)備和管道長期處于惡劣狀態(tài)。特別是在炎熱和磨損的配合下，鍋爐中的金屬管道發(fā)生了嚴(yán)重的損壞，并且經(jīng)常出現(xiàn)爆管問題，導(dǎo)致停車維護(hù)事故。而目前所采用的加蓋金屬防磨瓦和粘貼陶瓷片的方法都存在一定的局限性。近年來,膠粘陶瓷涂層得到了較快的發(fā)展,它除了用于設(shè)備的耐磨損、耐腐蝕和預(yù)保護(hù)涂層外,也用于修復(fù)設(shè)備上的各種缺陷如裂紋、劃傷。國外許多研究機(jī)構(gòu)和公司在膠粘涂層方面作了大量的研究,如美國的BelzonaMolecalar公司研制的主要有超金屬(SuperMetal)和石英材料(MagmaQuartz)、彈性體材料(Elastomer)等材料制成的膠粘涂層可用于修補(bǔ)金屬、混凝土、陶瓷等部件,也可用于航天飛機(jī)、南極站的超高溫和極冷環(huán)境下。國內(nèi)近些年已開始了這方面的研究,應(yīng)鵬展等把環(huán)氧膠涂層應(yīng)用在粉煤機(jī)磨上,其耐磨效果顯著,測(cè)得其耐磨性能為45#鋼的5倍多;耿剛強(qiáng)等研制了稀漿攪拌葉片的高耐磨環(huán)氧復(fù)合膠粘涂層,其耐磨性比原基體耐磨性提高了5～10倍。目前國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)論述的主要是有機(jī)耐磨耐高溫膠粘涂層,而無機(jī)膠粘涂層相關(guān)報(bào)道甚少。有機(jī)膠粘涂層耐高溫性能有限,而磷酸鹽耐高溫涂層屬于無機(jī)涂層,高溫下陶瓷化轉(zhuǎn)變,耐高溫,耐磨性能優(yōu)越。作者通過試驗(yàn)對(duì)磷酸二氫鋁膠粘涂層進(jìn)行制備和研究。1測(cè)試1.1試驗(yàn)原材料85%H3PO4;Al(OH)3,分析純;CrO3,分析純;Al2O3,工業(yè)級(jí);WC,400目;CuO,化學(xué)純;MgO,分析純。1.2磷酸二羥基鋁凝膠涂層的制備1.2.1粘合劑的制備磷酸鹽膠粘劑由酸式磷酸鹽、偏磷酸鹽、焦磷酸鹽或直接由磷酸與金屬氧化物、鹵化物、氫氧化物、堿性鹽類、硅酸鹽、硼酸鹽等的反應(yīng)產(chǎn)物為基料組成。本試驗(yàn)的膠粘劑制備主要采用磷酸、氫氧化鋁為主料,適當(dāng)添加一定的輔料,其具體配方設(shè)計(jì)為:磷酸,氫氧化鋁混合比例為3∶1,加熱至100～140℃,保溫8min,制得無色透明液體,氧化銅在基體中比例為5%～40%。試驗(yàn)按氧化銅加入量的變化,共分12組,其膠粘劑的調(diào)膠過程見圖1。1.2.2拉伸性能測(cè)試通過對(duì)上述磷酸鹽膠粘劑1～12號(hào)不同的配方涂覆的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)以及黏度的測(cè)定。結(jié)果表明:8號(hào)配方綜合性能評(píng)價(jià)比較優(yōu)越,其參數(shù)試驗(yàn)測(cè)得為:拉伸強(qiáng)度3.05MPa,剪切強(qiáng)度4.25MPa,黏度值為80Pa·s。在8號(hào)膠粘劑中加入WC,Al2O3為骨料,其中WC與Al2O3配比為1∶1,2.5%CrO3為酸性抑制劑,1.5%MgO為固化劑,按照8號(hào)膠粘劑和骨料重量比1∶1～1∶1.9,共進(jìn)行9組試驗(yàn)。1.3試驗(yàn)機(jī)及設(shè)備QND-4型涂-4黏度計(jì);MPX-2000磨損實(shí)驗(yàn)機(jī);MM-200拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī),SX-10-13高溫箱式電阻爐;SPHILIPSXL30W/TMP掃描電鏡。1.4性能試驗(yàn)1.4.1拉伸剪切強(qiáng)度試樣測(cè)試?yán)旒羟袕?qiáng)度按照GB7124-86拉伸剪切強(qiáng)度試樣(寬度25mm),搭接長度12.5mm,在MM-200拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)制備試樣進(jìn)行測(cè)試。1.4.2mm型磨損試驗(yàn)方法參照GB/T12444.1-1990MM型磨損試驗(yàn)方法,本試驗(yàn)采用每組5個(gè)標(biāo)樣,一個(gè)對(duì)照樣(45#鋼),施加壓力50N進(jìn)行耐磨性能測(cè)試,得出磨損量。1.4.3抗熱振動(dòng)性能參照GB/T16536-1996工程陶瓷抗熱震性試驗(yàn)方法,試樣經(jīng)加熱并在水中急冷后,采用滲透探傷得出試樣不開裂的最大溫度差。2結(jié)果與討論2.1涂層厚度對(duì)熱應(yīng)力的影響對(duì)8-1～8-9號(hào)不同的配方,每組各制備5個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試的結(jié)果取平均值。對(duì)膠粘涂層進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)時(shí)所采用的涂層厚度,試驗(yàn)前采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行涂層厚度對(duì)熱應(yīng)力影響性能模擬,確定合適厚度為0.8mm,在耐磨性能測(cè)試中45#鋼的磨損量為42.2mg。對(duì)8-1～8-9號(hào)不同的配方試樣的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表1。從表1中可以看出,磷酸鋁膠粘劑中加入的骨料在一定范圍內(nèi),相對(duì)于膠粘劑基體使拉伸和剪切強(qiáng)度略有下降,但對(duì)其它影響不顯著。涂層的抗熱震性能最高溫度為1000℃,其抗磨損性能有4組配方比45#鋼性能優(yōu)異,其中第3組配方磨損量為45#鋼的0.62倍。2.2涂層的基礎(chǔ)配方作者通過一系列試驗(yàn)對(duì)不同骨料、不同粒度的骨料的耐磨性能進(jìn)行試驗(yàn)分析,通過比較發(fā)現(xiàn):單一骨料與單一的粒度都不能得到耐磨性能良好的涂層。由磨損失重圖2、圖3結(jié)果顯示:對(duì)于不加骨料與加少量骨料、加復(fù)合骨料的不同涂層,其耐磨性能有顯著差別,圖2是加單一骨料的情況,由圖2可以看出隨著骨料的加入量增大,涂層的磨損失重逐漸減少。圖3是加復(fù)合骨料磨損失重圖,由圖可以看出:復(fù)合骨料的配比與磨損失重有很大的關(guān)系,通過試驗(yàn)得出骨料顆粒配比為1∶1時(shí)磨損失重最少,即當(dāng)骨料配比為1∶1時(shí)涂層的耐磨性能最佳。2.3氧化銅在涂層耐久性測(cè)試中的作用機(jī)理普通的氧化銅-磷酸膠粘劑的機(jī)械性能優(yōu)越,其套接和槽接時(shí)剪切強(qiáng)度可達(dá)到70～80MPa,但各文獻(xiàn)中所報(bào)道的加入氧化銅磷酸鹽膠粘劑耐高溫性能差異很大。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):涂層的配方對(duì)涂層的耐高溫性能有很大的影響,本文主要討論了氧化銅的加入量對(duì)耐高溫性能的影響。其結(jié)果如圖4所示。耐高溫試驗(yàn)是將涂層材料涂覆在經(jīng)過除油除銹處理后的金屬表面,每組配方涂3個(gè)試樣,經(jīng)過固化后放于箱式電阻爐中隨爐加溫,每隔50℃用放大倍數(shù)為300倍的電子顯微鏡觀察試樣表面涂層變化,并施加一定破壞力(50N),發(fā)現(xiàn)存在微裂紋的溫度即為最終耐熱溫度。氧化銅加入量對(duì)涂層耐高溫性能的影響,見圖4。由圖4可知,隨著氧化銅的加入,涂層的耐高溫性能逐漸下降;不加氧化銅時(shí),涂層的耐高溫性能可達(dá)1100℃,當(dāng)加入氧化銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),其耐高溫性能就有所下降(1000℃)。當(dāng)加入的氧化銅達(dá)到300%時(shí),其耐高溫性能有了顯著的變化(僅500℃)。根據(jù)SEM電鏡觀察,當(dāng)向涂層加入氧化銅時(shí),通過觀察鋼鐵材料表面的粘結(jié)層可以看到有明顯擴(kuò)散與置換,在涂層結(jié)合面可以明顯看到Cu元素的存在,并隨氧化銅加入量的增大而增大。2.4涂層體結(jié)合面分析現(xiàn)存的幾種理論包括機(jī)械互鎖理論、電子理論、弱界面層理論等都不成熟。目前對(duì)涂層與基體的結(jié)合界面機(jī)理還沒有一種成熟的理論作為基礎(chǔ),圖5、圖6是涂層與基體結(jié)合顯微圖,由圖可以看出涂層與基體存在過渡帶,有著相互滲透的過渡層,圖7的能譜分析也顯示出有明顯的過渡帶(層)。作者通過SEM電鏡對(duì)涂層的結(jié)合面分析認(rèn)為涂層材料與基體金屬的結(jié)合既有機(jī)械互鎖又有相間擴(kuò)散。從涂層界面的電子能譜圖可以看到界面既有Fe元素,又有Al2O3、WC等,從而充分說明涂層界面,金屬基體和涂層在熱硬化時(shí)由于晶格振動(dòng)而發(fā)生了原子的互擴(kuò)散,在涂層與基體之間形成了一個(gè)漸變界面。這種界面層是由金屬與涂層材料共同構(gòu)成的一過渡層。3涂層基礎(chǔ)性能1)骨料在一定范圍內(nèi)加入,相對(duì)于磷酸二氫鋁膠粘劑的力學(xué)性能影響很小,加入骨料后的膠粘涂層抗熱震性能測(cè)試最高溫度為1