通过测试环氧树脂(EP)在干摩擦及水、300#液体石蜡润滑下的摩擦性能,考察了环氧树脂的磨损率与载荷和滑动速度之间的关系,并采用扫描电子显微镜对材料磨损表面进行了观察,对磨损机理进行了分析。结果表明,在不同条件下,环氧树脂磨损率有较大变化,石蜡润滑下的磨损率比干摩擦磨损率小2个数量级。干摩擦下EP的破坏是脆性断裂和剥落,水润滑下EP破坏是疲劳磨损,石蜡润滑下EP的破坏是塑性变形和剥层磨损。


环氧树脂(EP)由于具有良好的耐热性、高强度和对基材良好的粘附性能,所以在胶粘剂、密封胶和涂料等领域中获得广泛应用。另外由于其不但具有优异的耐磨损和耐酸碱性能,而且具有涂敷工艺简单、成本低廉的优点,因而被广泛应用于零件耐腐蚀磨损表面的涂覆、工件上缺陷的修补和腐蚀磨损表面的修复等,但是环氧树脂也存在脆性大的缺点,导致其耐冲击、抗剥离和耐振动疲劳等性能差。本文对EP涂层在干摩擦和水、300#液体石蜡润滑下的摩擦磨损性能进行了研究,并对聚合物的磨损机理进行了分析。
1　实验方法
1·1　EP磨损材料的制备方法
在环氧树脂中加入胺类固化剂,于室温下强力搅拌均匀,并涂于Q235钢基体金属磨块表面,并将金属磨块置入50℃干燥箱中烘烤4 h后制成环氧树脂磨损实验磨块。


1·2　耐磨性实验
首先按GB 7124—2008、GB 6329—1996标准对EP进行拉伸及剪切性能测试。磨损试验在MRH-3型高速环块摩擦磨损试验机(济南试验机厂)上对EP进行磨损性能测试。图1给出了摩擦副的接触形式示意图。磨块为所制备的涂层材料试样(涂层厚度为2·5 mm),对偶件为AISI52100钢环。环境温度为20~24℃,相对湿度40%,无润滑。研究在不同载荷和速度条件下材料的磨损性能,具体实验条件如下:转动速度200 r/min(对应的线速度为0·52 m/s)时,载荷50~200 N;载荷150 N时转动速度100~400 r/min(对应的线速度为0·26~1·04 m/s)。试验结束后用游标卡尺测量磨痕的宽度,计算磨损体积为:


1·3　SEM分析
试验后EP磨损表面喷金处理后,采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)分析EP磨痕表面形貌。
2　结果与讨论

2·1　磨损率与载荷的关系
在干摩擦和水、300#液体石蜡润滑条件下将EP在0·52m/s(转速200 r/min)滑动速度下,与钢环在不同载荷下对磨,进行摩擦磨损实验(见图2~图4)。


载荷从50~200 N变化,在干摩擦下的磨损率在10-3~10-2mm3/m,磨损率从5·8×10-3~1·8×10-2mm3/m;水润滑下的磨损率在10-3~10-4mm3/m数量级,磨损率从4·8×10-4~1·7×10-3mm3/m;液体石蜡润滑下的磨损率在10-5~10-4mm3/m数量级,磨损率从5·2×10-5~1·5×10-4mm3/m。几种润滑条件下磨损率均随着载荷的增加而增加。

2·2　磨损率与滑动速度的关系
在干摩擦和水、300#液体石蜡润滑条件下将EP在载荷150 N下,与钢环在不同滑动速度下进行摩擦磨损实验见图5~图7。随着滑动速度的变化,在干摩擦下的磨损率随滑动速度的增加明显增加;水润滑下的磨损率在滑动速度较低情况下,磨损率增加较少,而在较大速度下,磨损率增加较多;液体石蜡润滑下的磨损率的变化较小,在前3个测试点磨损率基本没变化,而在高速度时磨损率变化较大。


2·3　摩擦磨损SEM分析

EP在滑动速度为0·52 m/s、载荷分别为50 N及200N的干摩擦条件下摩擦,其磨损表面的SEM照片见图8。从图8可见,环氧树脂在载荷50 N时,其磨损表面出现塑性变形唇,载荷200 N时则出现严重的脆性断裂和剥落,向裂痕两边挤压。

水润滑下EP在0·52 m/s速度, 50 N和200 N载荷摩擦磨损表面的SEM形貌照片见图9。从图9可见, EP在较低载荷50 N时,材料磨损表面出现轻微的磨损,在较高载荷200 N材料磨损表面出现微裂纹。这表明环氧树脂在水润滑下的磨损机理主要为疲劳磨损。

300#液体石蜡润滑下EP在0·52 m/s速度50N和200 N载荷下的摩擦磨损表面的SEM形貌照片见图10所示。从图可见, EP在较低载荷50 N,材料磨损表面出现轻微的塑性变形和剥落层,表面出现的小坑为在固化时EP中形成的气泡;在较高载荷200 N,材料磨损表面出现严重的塑性变形和剥落层。这表明EP在液体石蜡润滑下的磨损机理为塑性变形和剥层磨损。

3　环氧树脂磨损机理失效分析
从前面的实验研究可以看出, EP摩擦表面的接触应力随载荷的增加而升高,摩擦表面施加应力的频率随滑动速度的增加而增加,接触应力和施加应力频率的增加能加速摩擦表面裂纹的产生和扩展,因此随着载荷和滑动速度的增加无论是在干摩擦还是水、液体石蜡润滑下EP磨损率亦明显增加。

聚合物的摩擦学实验表明,当一块硬的滑块在聚合物表面上擦过,就会在滑块的前面有能量加到聚合物里面,而在滑块的后面则会因为聚合物的回弹会有一定能量的释放并且把滑块向前推动。其中能量的总损耗和输入能与聚合物的弹性滞后损耗有关。聚合物粘着转移机理认为:柔软的聚合物材料在摩擦过程中常常向对摩面转移,这样不论对摩擦材料是金属还是无机非金属,体系的最终摩擦总是趋向于聚合物和聚合物之间的摩擦。因此聚合物的摩擦对测试条件如表面粗糙度、滑动速度、外加负荷和测试环境等因素非常敏感。聚合物的摩擦往往伴随着材料的转移,因此,聚合物的分子结构和分子强度也是聚合物摩擦的主要因素之一。另外,材料的摩擦和磨损行为受接触表面性能的影响很大,因此,如能改善聚合物材料表面的性能,最直接方法就是在聚合物与摩擦面的表面通过润滑,可以改善聚合物的摩擦磨损性能。
通过润滑可以进一步改善聚合物材料的摩擦磨损性能。固体表面按张力大小可以分为高能和低能2大类。聚合物的表面张力较低,液体较难在上面展开,也不易浸润。虽然如此,但几乎所有的聚合物材料都可以通过润滑而使其摩擦性能和磨损性能得到改善。与金属显著不同的地方还在于,大多数聚合物对润滑要求较低,不论是在半干、半液等工作条件下都能正常工作,甚至可以用水或者用一些有腐蚀性的工作介质润滑。本文在水及300#液体石蜡的润滑下,磨损率有了较大降低,说明液体润滑可以明显的改善聚合物的磨损性能。