不同法向載荷下環(huán)氧樹脂噴涂層的摩擦磨損特性

楊芳兒，張萬坤，王遵圣，郝茂德，姚愛國，鄭曉華

(1.浙江工業(yè)大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江金洲管道工業(yè)有限公司，浙江 湖州 313000)

金屬腐蝕在各行業(yè)中非常普遍，雖然腐蝕過程進行緩慢，但對生活生產的影響巨大。大量的工件、管道和橋梁材料無時無刻不面對著腐蝕的考驗。金屬腐蝕可能會帶來重大的經濟損失、災難性重大事故、資源與能源的巨大浪費，甚至會阻礙科技進步，延緩生產發(fā)展，所以在實際生產中需要對金屬材料進行防腐處理[1-3]。管道運輸作為一種長距離輸送液體和氣體物資的運輸方式，因其占地少、運輸量大、建設周期短和費用低等優(yōu)點，廣泛應用于石油、天然氣和水等液體的運輸。但是鋼管常年埋于地下，由于土壤、水源和微生物等原因，使得鋼管壽命遠低于預期值，在土壤中的腐蝕情況也遠比在大氣中復雜[4-6]。

管道防腐工作是管道養(yǎng)護的重要環(huán)節(jié)，也是促進管道輸送行業(yè)安全生產的重點。在管道內、外壁進行涂層處理是目前一種行之有效的防腐手段。涂覆鋼管以鋼管為基管，以塑料粉末為涂層材料，在其內表面涂覆一層塑料層，在其外表面涂覆一層塑料層或其他材料防腐層的復合管所涂覆鋼管又稱涂塑鋼管。而內外壁涂有環(huán)氧樹脂涂層的雙面涂覆鋼管，又因具有優(yōu)良的耐蝕性和水質保持能力，得到了城市供水系統(tǒng)的廣泛青睞。然而，在實際施工過程中，涂覆鋼管外壁的環(huán)氧涂層要經受現(xiàn)場泥砂、石子和鐵器等硬物的磕碰、擠壓以及運輸、拖拽中產生的刮擦等。此外，埋設在行車道兩側的涂覆鋼管在長期服役過程中不可避免地受到地面震動的影響而加速磨損，因此對涂層的耐磨性能提出了一定要求[7-11]。筆者運用雙面涂覆鋼管的涂覆工藝制備鋼板試件，通過考察不同法向載荷下試件表面環(huán)氧樹脂涂層的摩擦磨損行為，闡明環(huán)氧樹脂涂層的磨損特性，為環(huán)氧樹脂雙面涂覆鋼管的性能優(yōu)化及實際應用提供理論指導。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

選取與涂覆鋼管相同材質的Q235B鋼板(100 mm×100 mm×8 mm)為實驗材料，在加熱鋼板之前將鋼板除油、除銹，其表面除銹質量達到GB/T 8923.1—2011中規(guī)定的Sa2.5級。然后用保護氣氛爐加熱到200 ℃，升溫速率約為10 ℃/min，保溫10 min。立即用靜電噴涂機在鋼板表面噴涂環(huán)氧樹脂粉末，粉末選用商品化的二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂(簡稱雙酚A型環(huán)氧樹脂)，其各項性能指標符合SY/T 0315—2013標準。環(huán)氧樹脂粉末在鋼板表面遇熱膠化，形成一層包裹鋼板的均勻薄膜，大約5 s后薄膜開始固化，待固化冷卻完成后形成防腐保護層，涂層的厚度約0.45 mm。將試樣切割成25 mm×25 mm×8 mm的樣品備用。運用DSC200F3型差示掃描量熱儀對涂層的固化度進行測定，該涂層的固化度為98%。

1.2 表征方法

采用HX-1000TM型維氏硬度計測量樣品的硬度，加載時間為20 s，載荷分別為10，25，50，100 g。為保證數(shù)據(jù)的準確性，每個載荷均選取10 個測量點進行測試，除去一個最低值和一個最高值之后取平均值作為涂層的硬度值。采用WTE-1E型球盤式摩擦磨損試驗機測試樣品在大氣中(相對濕度≈45%)的摩擦學特性，實驗樣品作為盤試樣，對偶球為直徑3 mm的GCr15淬火鋼球(硬度≥61 HRC)，法向載荷分別為0.49，0.98，1.96，2.94 N，相對滑行速率為0.105 m/s，測試時間均為20 min。采用型號為∑IGMA的掃描電鏡觀察樣品磨損前后的表面形貌，加速電壓5 kV。首先，采用型號為SJ5701-200的表面輪廓儀測量樣品磨痕的橫截面輪廓，然后，計算出截面面積和磨損體積，最后，將磨損體積除以法向載荷和滑行距離得到樣品的特定磨損率。測量之前樣品在蒸餾水中超聲清洗10 min，每個樣品任選5 個位置進行測量。

2 結果與討論

2.1 涂層硬度

圖1所示為環(huán)氧樹脂涂層在不同測試載荷下的維氏硬度值。由圖1可知：環(huán)氧樹脂涂層的硬度隨著測試載荷的升高而先升高后降低，載荷為25 g時達到最高215 MPa。這說明涂層沿厚度方向的力學性能存在一定差異。根據(jù)維氏硬度的測量原理，可以認為涂層表面層的硬度相對較低，次表層的硬度較高，越深入涂層內部則硬度越低。這種現(xiàn)象與涂層厚度方向的交聯(lián)密度差異有關。涂層的交聯(lián)程度低，應力松弛效應大，涂層的硬度低[12-13]。

圖1 環(huán)氧樹脂涂層表面維氏硬度隨測試載荷的變化Fig.1 Vickers hardness of epoxy resin coating under different testing loads

2.2 涂層磨損前后形貌

圖2所示為涂層磨損前后的SEM形貌照片。由圖2(a)可知：磨損前涂層表面比較平整，無明顯的裂紋、孔洞等缺陷，在放大2 000倍的照片中(圖2b)可以看到許多破裂的微小氣泡(圖2b的圈內)，表明隨著涂層固化的進行，涂層內部溶解的少量空氣逸出，在固化完成后形成微小氣泡，最后破裂。從圖2(c)中法向載荷為0.49 N時的磨損形貌可以看到：磨痕寬度小(約126 μm)且無明顯的犁溝產生，只有表面的微小突起被磨掉，而載荷為0.98 N(圖2d)、1.96 N(圖2e)和2.94 N(圖2f)時樣品的磨痕寬度相對更寬，約為240，172，297 μm，說明鋼球與涂層的接觸面積更大。載荷小于2.94 N時，磨痕內并未出現(xiàn)裂紋，而在2.94 N載荷下，試樣磨痕內部出現(xiàn)了粗大的橫向裂紋(圖2f的圈內)并且磨痕兩側分布有較多的微細磨屑，這表明滑動摩擦過程中涂層已經出現(xiàn)明顯開裂，涂層因為疲勞破壞而形成細小磨屑。值得注意的是，載荷為1.96 N時的磨痕寬度比0.98 N時的窄。

圖2 涂層表面磨損前后的SEM形貌Fig.2 SEM surface morphology for the coatings before and after wear test under different loads

2.3 涂層的摩擦因數(shù)和磨損率

圖3所示為涂層樣品在不同法向載荷下的瞬間摩擦因數(shù)曲線。由圖3可知：載荷為0.49 N時樣品的摩擦因數(shù)起伏較大，這是由于涂層表面存在微小突起，在載荷相對較小的情況下，摩擦副表面之間的接觸是鋼球的凸點和涂層表面的微小凸起之間的點接觸，隨后兩者發(fā)生相對運動，因此摩擦不穩(wěn)定，摩擦曲線起伏大。而后面3 個試樣的摩擦曲線明顯地分為兩個部分，前部分屬于初始磨損階段(跑合階段)，涂層與鋼球之間主要是微凸體的接觸，摩擦因數(shù)較低；當磨損進行一段時間之后，摩擦副的真實接觸面積增大，摩擦因數(shù)升高。法向載荷為0.98，1.96 N 時，樣品摩擦的后半段變得較為平穩(wěn)，一是由于涂層表面的微小磨粒在摩擦擠壓和摩擦熱的作用下發(fā)生局部軟化，涂抹在涂層表面，形成具有減磨潤滑作用的保護膜，摩擦過程比之前平穩(wěn)；二是由于在摩擦的后半段，摩擦副的接觸由點接觸變成為面接觸，接觸面越大摩擦過程越平穩(wěn)，兩個原因共同導致后半段的摩擦曲線波動有所減弱[14-15]。由圖3可知：2.94 N載荷下涂層的摩擦因數(shù)相對平穩(wěn)，其波動幅度比0.49 N時小得多。

取摩擦過程相對平穩(wěn)的后10 min的瞬時摩擦因數(shù)求平均值，得到涂層的平均摩擦因數(shù)分別為0.39，0.50，0.49，0.58。可見隨著法向載荷的增加，涂層的平均摩擦因數(shù)總體上呈增加趨勢，但載荷為1.96 N時摩擦因數(shù)出現(xiàn)輕微下降。經典摩擦定律認為材料在發(fā)生相對滑動時，摩擦力與其受到的法向載荷成正比，而摩擦因數(shù)則與材料表面的粗糙程度有關，與法向載荷無關。事實上，摩擦副的摩擦力F可以表示為

F=A·τ

(1)

式中：A為摩擦副的實際接觸面積；τ為摩擦副單位面積上的剪切應力。根據(jù)經典摩擦定律，則有

μ=F/F1=A·τ/F1

(2)

式中：μ為摩擦因數(shù)；F1為樣品涂層表面所受的正壓力(法向載荷)。當摩擦測試中采用相同的鋼球時，公式(2)中的τ只與涂層材料本身的性質有關，所以摩擦因數(shù)與摩擦副的接觸面積成正比，而與其正壓力成反比。由于實際接觸面積隨著正壓力的變化而變化，因此μ隨著接觸面積與正壓力的比值而變，當比值增大則μ增大，反之同理。在載荷為1.96 N時，接觸面積增大的值小于正壓力增大的值，此時的μ出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象，摩擦因數(shù)的變化趨勢與圖2中磨痕寬度變化相吻合[16]。

圖3 不同法向載荷下環(huán)氧樹脂涂層的摩擦因數(shù)Fig.3 Friction coefficient of epoxy resin coating under different normal loads

圖4所示為不同法向載荷下涂層表面磨痕某處的橫向輪廓線，圖中虛線代表涂層的表面粗糙度基線。對比圖4可知：法向載荷為0.98，2.94 N時涂層磨痕兩側的突起十分明顯，而1.96 N時則要小得多，從圖上丈量的各磨痕的寬度與電鏡照片中的測量結果相近。事實上，輪廓線的大幅突起源于表面的附著物，該附著物主要是涂層受鋼球擠壓后的變形產物。由此可見，載荷為0.98 N時電鏡照片中涂層磨痕寬度較大的原因是在該載荷下涂層的磨損僅發(fā)生在相對較軟的表面層(磨痕深度≤1.5 μm)，涂層受擠壓后的變形量較大；載荷為1.96 N時磨痕寬度比0.98 N時窄的主要原因是此時涂層的磨損已經進入到硬度相對較高的區(qū)域(磨痕深度≤2.2 μm)；而2.94 N載荷下磨痕寬度大幅度增加的原因可歸結為：一方面，涂層的變形量隨著載荷的增加而增大，導致摩擦副的接觸面積增大，另一方面，隨著磨損的不斷深入，涂層的硬度有逐漸降低的趨勢(圖1)，涂層的耐磨性降低。

圖4 不同法向載荷下環(huán)氧樹脂涂層表面磨痕的橫向輪廓線Fig.4 Transverse contours of wear scars of epoxy resin coatings under different normal loads

圖5所示為環(huán)氧樹脂涂層在不同法向載荷下的磨損率。由圖5可知：隨著法向載荷的增加，涂層的磨損率先線性增加而后快速上升，2.94 N時磨損率最大，可達2.39×10-5mm3/(N·m)。因此，當涂層表面的法向載荷不超過1.96 N時，涂層具有良好的耐磨性，即使發(fā)生了磨損，磨痕內部也不易出現(xiàn)裂紋，從而不至于顯著降低涂層的耐蝕性能，而高于1.96 N時，涂層將出現(xiàn)明顯的裂紋，不僅顯著降低涂層的耐磨性能，更進一步損害涂層的耐蝕性能，將大大縮短涂覆鋼管的使用壽命。

圖5 不同法向載荷下環(huán)氧樹脂涂層的磨損率Fig.5 Wear rate of epoxy resin coating under different normal loads

3 結 論

環(huán)氧樹脂涂層的硬度沿厚度方向存在一定差異。涂層在不同法向載荷下的摩擦學特性差異顯著：環(huán)氧樹脂涂層-鋼球摩擦副在小載荷(0.49 N)下呈微凸體接觸，摩擦因數(shù)低(0.39)，跑合期不明顯，而在較高載荷(≥0.98 N)下存在較長的跑合期，穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)約為0.5～0.58。涂層的磨損率隨著法向載荷的增大呈線性增加，但在大載荷(2.94 N)時快速上升，涂層開裂明顯。涂層的磨損形式主要是疲勞破壞。