CN101381580B - 基于改性环氧树脂和SiC颗粒的耐磨涂层及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改性环氧树脂和SiC颗粒的耐磨涂层及制备方法，耐磨涂层按质量百分比，由30％～40％的改性环氧树脂和60％～70％的SiC颗粒组成，上述组份总量100％；其中的改性环氧树脂，按质量百分比，由67％～72％的环氧树脂、12.5％～13.5的固化剂、2.5％～4.5％的固化促进剂、12.5％～13.5％的增韧剂和0.5％～2％的偶联剂组成，各组份总量100％。将改性环氧树脂和SiC颗粒混合均匀后涂覆于表面经过处理的钢表面，室温下固化，在钢表面制得耐磨涂层。本发明涂层具有较高的耐磨、耐热和耐腐蚀性，可延缓低应力冲蚀工况下工作的零部件的磨损，延长其使用寿命。

Description

基于改性环氧树脂和SiC颗粒的耐磨涂层及制备方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种耐磨涂层，具体涉及一种基于改性环氧树脂和SiC颗粒的耐磨涂层，本发明还涉及该耐磨涂层的制备方法。

背景技术

磨损是机械零件失效的主要形式之一。其中的低应力冲蚀磨损更是广泛存在于现代工业生产的机械设备和系统中，如矿山、电厂等行业使用的灰浆泵、泥浆泵和灰浆泵中的过流部件、管道与阀门等零部件，在工作过程中不仅要承受固体粒子的冲蚀与磨削，还要承受液体介质的腐蚀及高温的作用，工作环境极其恶劣，导致这些零部件磨损严重，使用寿命较短。为此，将具有较高硬度和抗腐蚀能力的高铬铸铁作为制造渣浆泵的材料，并取得了一定的效果。但随着实际生产量的增大以及渣浆泵的大型化，液体浆料的输送速度增加，高铬铸铁难以抵抗高速固体粒子的冲蚀磨损和液体介质引起的腐蚀和气蚀，致使高铬铸铁制成的渣浆泵磨损严重。

陶瓷材料具有较高的硬度和较好的耐蚀性能，将其与加工性、韧性和强度良好的金属复合形成表面复合材料，既可以充分发挥两种材料各自的性能，又可以针对不同工况条件人为地进行材料性能和结构的设计，以满足不同工况下对零部件性能的要求。但是由于陶瓷材料制备、加工困难，生产成本高，且脆性大，使其应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于改性环氧树脂和SiC颗粒的耐磨涂层，将其应用于渣浆泵等工况条件较差设备的过流部件、管道与阀门等零部件的表面，在提高该零部件耐磨、耐热和耐腐蚀性的同时，降低成本，且加工简单，应用不受限制。

本发明的另一目的是提供一种上述耐磨涂层的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于改性环氧树脂和SiC颗粒的耐磨涂层，按质量百分比，由以下组份组成：

改性环氧树脂                   30％～40％

SiC颗粒                        60％～70％

上述组份总量100％；

其中的改性环氧树脂，按质量百分比，由67％～72％的环氧树脂、12.5％～13.5的固化剂、2.5％～4.5％的固化促进剂、12.5％～13.5％的增韧剂和0.5％～2％的偶联剂组成，各组份总量100％。

本发明所采用的另一技术方案是，一种将上述耐磨涂层涂覆于金属表面，在该金属表面形成耐磨保护层的方法，按以下步骤进行：

步骤1：对需涂覆涂层的钢表面进行处理

取需涂覆涂层的钢，对其表面进行处理；

步骤2：制备改性环氧树脂

按质量百分比，分别取环氧树脂67％～72％、固化剂12.5％～13.5、固化促进剂2.5％～4.5％、增韧剂12.5％～13.5％和偶联剂0.5％～2％，各组份总量100％，均匀混合，制得改性环氧树脂；

步骤3：对SiC颗粒进行处理

取SiC颗粒，放入丙酮中浸泡0.5h～2h，然后，清洗10分钟～30分钟，烘干；

步骤4：制备涂层

按质量百分比，分别取步骤2制得的改性环氧树脂30％～40％和步骤3处理后的SiC颗粒60％～70％，各组份总量100％，混合均匀，然后，均匀涂覆于经步骤1处理后的钢表面，厚度为3mm～8mm，室温固化，在金属表面形成耐磨保护层。

本发明耐磨涂层通过改性环氧树脂将SiC粒子粘接于金属表面，使得SiC粒子很好的分布于金属的表面，且涂层中的SiC粒子不仅粒子排列比较紧密，无聚团现象，而且SiC粒子被环氧树脂很好的粘接在一起，在金属表面覆盖一层均匀的碳化硅，其结合状态良好，没有明显的裂纹。在提高金属耐磨、耐热和耐腐蚀性的同时，降低成本，且加工简单，形成的涂层脆性小，其应用不受限制。

附图说明

图1是本发明涂层横截面断裂形貌的SEM照片；

图2是本发明涂层SiC颗粒与环氧树脂粘接边缘断裂形貌的SEM照片；

图3是本发明涂层中环氧树脂断裂界面形貌的SEM照片；

图4是将本发明涂层与Q235钢、高铬铸铁和低铬铸铁置于石英砂浆料中进行冲蚀得到的冲蚀角度与失重量关系的对比直方图；

图5是将本发明涂层与高铬铸铁和低铬铸铁置于石英砂浆料中进行冲蚀得到的相对于Q235钢的相对耐磨性与冲蚀角度的关系对比直方图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明耐磨涂层，以SiC粒子为增强相，采用改性环氧树脂将SiC粒子粘接于钢铁材料基体表面，形成耐磨涂层，该耐磨涂层具有较好的耐磨、耐热和耐腐蚀性。

本发明耐磨涂层，按质量百分比，由以下组份组成：

改性环氧树脂                   30％～40％

SiC颗粒                        60％～70％

上述组份总量100％；

其中的改性环氧树脂，按质量百分比，由67％～72％的环氧树脂、12.5％～13.5的固化剂、2.5％～4.5％的固化促进剂、12.5％～13.5％的增韧剂和0.5％～2％的偶联剂组成，各组份总量100％。

环氧树脂由E-44环氧树脂和E-51环氧树脂按质量比1：1混合组成。

SiC颗粒的粒度为550μm～850μm。

固化剂选用改性胺T31、二乙烯三胺、邻苯二甲酸酐或二氨基二苯基甲烷中的一种。

固化促进剂选用2，4，6三(二甲胺基甲基)苯酚-30、三乙胺或苄基二甲胺苄基三乙基氯化胺中的一种。

增韧剂选用丁腈橡胶、聚氨酯预聚体或聚醚酰胺中的一种。

偶联剂选用γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三过氧丁基硅烷或丙烯基三过氧基异丙基硅烷中的一种。

无机碳化硅粒子与有机高分子材料环氧树脂、环氧树脂与金属钢粘接过程中，存在无机材料与有机材料之间难以浸润的缺陷，本发明涂层通过在环氧树脂中添加固化剂、固化促进剂和偶联剂对其进行改性，并选择适当的组份配比，在无机碳化硅粒子与环氧树脂之间、环氧树脂与金属钢之间形成有效的化学键连接，形成牢固的涂层。

环氧树脂具有很好的粘接性能，但其与金属和碳化硅之间难以浸润，影响粘接效果，通过偶联剂对其进行改性。利用偶联剂水解后，其分子链既带有与无机物形成共价键的无机基团，也带有与环氧树脂相结合的有机官能团的特性。在其与环氧树脂的反应过程中使环氧树脂分别与SiC和金属很好的粘接。

未经固化的环氧树脂几乎没有多大的实用性，加入固化剂可使环氧树脂固化生成三维网状结构，形成固化物，具有优良的机械及粘接性能，能达到使用要求。

固化促进剂对环氧树脂的固化反应起催化作用，可加快固化反应的速度、降低固化温度、缩短固化时间，同时，改变固化机制，降低固化内应力，改善固化后形成的胶层的韧性、强度、耐热、耐水等综合性能。

增韧剂一般都含有活性基团，与环氧树脂发生反应并不完全相容，有时还会产生分相，能够获得较理想的增韧效果，明显改善胶体的抗冲击性能。

在金属表面涂覆本发明涂层的方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：对需涂覆涂层的钢表面进行处理

取需涂覆涂层的钢表面进行除锈、除油和去除污迹处理，然后，用砂纸打磨光亮；

步骤2：制备改性环氧树脂

按质量百分比，分别取环氧树脂67％～72％、固化剂12.5％～13.5％、固化促进剂2.5％～4.5％、增韧剂12.5％～13.5％和偶联剂0.5％～2％，各组份总量100％，均匀混合，制得改性环氧树脂；

步骤3：对SiC颗粒进行处理

取粒度为550μm～850μm的SiC颗粒，放入丙酮中浸泡0.5h～2h，然后，置于超声波清洗器内清洗10分钟～30分钟，烘干；

步骤4：制备涂层

按质量百分比，分别取步骤2制得的改性环氧树脂30％～40％和步骤3处理后的SiC颗粒60％～70％，各组份总量100％，混合均匀，然后，均匀涂覆于步骤1处理后的钢的表面，涂敷厚度3～8mm，静置，室温固化，得到耐磨涂层。

实施例1

按质量比1：1分别取E-44环氧树脂和E-51环氧树脂，混合得到环氧树脂，按质量百分比，分别取该环氧树脂67％、改性胺T31 13％、2，4，6三(二甲胺基甲基)苯酚-304.5％、聚氨酯预聚体13.5％和γ-氨丙基三乙基硅烷2％，混合均匀，制得改性环氧树脂；取粒度为550μm～650μm的SiC颗粒，放入丙酮中浸泡0.5h后，置于超声波清洗器内清洗10分钟，烘干；按质量百分比，分别取制得的改性环氧树脂胶30％和处理后的SiC颗粒70％，混合均匀，然后，均匀涂覆于处理后的钢表面，涂敷厚度3mm，静置，室温固化，得到耐磨涂层。该耐磨涂层横截面的断裂形貌如图1所示，从图中可以看出，碳化硅粒子与环氧树脂粘接牢固，且分布均匀。

实施例2

按质量比1：1分别取E-44环氧树脂和E-51环氧树脂，混合得到环氧树脂，按质量百分比，分别取该环氧树脂72％、二乙烯三胺12.5％、三乙胺2.5％、丁腈橡胶12.5％和乙烯基三过氧丁基硅烷0.5％，混合均匀，制得改性环氧树脂；取粒度为650μm～750μm的SiC颗粒，放入丙酮中浸泡2h后，置于超声波清洗器内清洗30分钟，烘干；按质量百分比，分别取制得的改性环氧树脂40％和处理后的SiC颗粒60％，混合均匀，然后，均匀涂覆于处理后的钢表面，涂敷厚度8mm，静置，室温固化，得到耐磨涂层。该耐磨涂层横截面的断裂形貌如图2所示，从图中可以看出，改性环氧树脂牢固粘接SiC颗粒，涂层的断裂过程中，不仅改性环氧树脂发生断裂，碳化硅粒子也随之断裂。说明，改性环氧树脂将碳化硅颗粒很好的粘接在一起，并牢固粘接于钢表面，改性后的环氧树脂具有很高强度的粘接性。

实施例3

按质量比1：1分别取E-44环氧树脂和E-51环氧树脂，混合得到环氧树脂，按质量百分比，分别取该环氧树脂68.5％、邻苯二甲酸酐13.5％、苄基二甲胺苄基三乙基氯化胺3.5％、聚醚酰胺13％和丙烯基三过氧基异丙基硅烷1.5％，混合均匀制得改性环氧树脂；取粒度为750μm～850μm的SiC颗粒，放入丙酮中浸泡1h后，置于超声波清洗器内清洗20分钟，烘干；按质量百分比，分别取制得的改性环氧树脂35％和处理后的SiC颗粒65％，混合均匀，然后，均匀涂覆于处理后的钢表面，涂敷厚度6mm，静置，室温固化，得到耐磨涂层。该耐磨涂层横截面的断裂形貌如图2所示，从图中可以看出，从中可以看出，断裂大部分发生在环氧树脂内部，少部分发生在环氧树脂与碳化硅粘接处，形成锯齿层状的断裂形貌，表明组织结合较牢固。

本发明涂层中的SiC粒子很好的分布于钢表面，该SiC粒子不仅粒子排列比较紧密，无聚团现象，而且SiC粒子被环氧树脂很好的粘接在一起。在钢表面覆盖一层均匀的碳化硅，其结合状态良好，没有明显的裂纹。

将本发明涂层与Q235钢、高铬铸铁和低铬铸铁置于粒度为300μm～800μm石英砂浆料中进行冲蚀磨损，得到如图4所示的失重量与冲蚀角度间的关系曲线图。由图中可以看出，本发明涂层的最大失重量出现在冲蚀角为60°时，而冲蚀角为30°时，该涂层的冲蚀磨损率最小。在冲蚀角小于90°的范围内时本发明涂层的失重量明显低于其它三种材料，高铬铸铁和低铬铸铁的失重量均随冲蚀角的增大而先增加后减小，在冲蚀角60°时它们的失重量达到峰值，表现出了典型的脆性材料在浆体冲蚀磨损过程中的冲蚀磨损特征。Q235钢的最大失重量出现在冲蚀角为45°时，冲蚀角大于45°后其失重量随冲蚀角的增大而减小，表现出了典型的塑性材料的冲蚀磨损特征。冲蚀磨损过程中，本发明涂层与钢复合形成的材料的相对软质相环氧树脂胶体在承受石英砂粒子不断冲击的同时，还受到石英砂粒子的切削和犁沟作用，发生塑性变形逐渐疲劳剥落，导致涂层中的碳化硅粒子逐渐高出钢基体，而浆料介质是以一定角度冲蚀材料表面，于是产生所谓的“保护效应”，处在碳化硅颗粒阴影中的环氧树脂胶体材料得到碳化硅颗粒的良好保护，其遭受石英砂粒子冲击和切削的几率小、程度轻，可充分粘接碳化硅颗粒并发挥其“支撑作用”，进一步为碳化硅粒子提供强有力的支撑。因此在保护效应和支撑作用的互相促进之下，SiC涂层与钢基形成的表面复合材料的磨耗大大减小，整体抗冲蚀磨损性能得到显著提高。

将涂覆有本发明涂层的钢与高铬铸铁、低铬铸铁放入粒度为850μm的石英砂浆进行冲蚀得到的相对于Q235钢的相对耐磨性与冲蚀角度的关系曲线，如图8所示。从图中可以看出，涂覆有本发明涂层的钢的相对耐磨性最大值出现在冲蚀角为30°时，在冲蚀角小于90°的范围内，涂覆有本发明涂层的钢的相对耐磨性都优于其它三种材料。

表1是冲蚀角为30°时，将本发明涂层与Q235钢、高铬铸铁、低铬铸铁进行冲蚀得到的冲蚀磨损试验结果。

表1  材料的冲蚀磨损试验结果(冲蚀角30°)

从表1中可以看出，将本发明涂层涂覆于钢表面形成的复合材料的冲蚀磨损耐磨性明显优于其它的材料，其冲蚀磨损耐磨性大约为Q235钢的2倍。

采用改性环氧树脂将SiC颗粒粘接于钢基表面形成耐磨涂层，该耐磨涂层中作为增强相的SiC颗粒，其硬度和刚度比石英砂高许多，足以有效抵抗石英砂粒子的冲击和切削，对基体材料起到保护作用。涂层内的SiC颗粒被胶体粘接于金属表面，而石英砂浆料以一定角度冲蚀材料表面，本发明涂层产生“保护效应”，使处于碳化硅颗粒阴影中的胶体材料遭受冲击和切削的几率减小、受损程度减轻，较好地保护了钢基体，同时，充分发挥钢基体的“支撑作用”，进一步为碳化硅颗粒提供强有力的支撑。在保护效应和支撑作用的互相促进下，改性环氧树脂粘接SiC颗粒钢基表面耐磨涂层的磨耗大大减小，整体抗冲蚀磨损性能得到显著提高，对钢基体起到了有效的保护作用。

Claims (6)

1.一种基于改性环氧树脂和SiC颗粒的耐磨涂层，其特征在于，按质量百分比，由以下组份组成：

改性环氧树脂        30％～40％

SiC颗粒             60％～70％

上述组份总量100％；

其中的改性环氧树脂，按质量百分比，由67％～72％的环氧树脂、12.5％～13.5的固化剂、2.5％～4.5％的固化促进剂、12.5％～13.5％的增韧剂和0.5％～2％的偶联剂组成，各组份总量100％；

所述的SiC颗粒，其粒度为550μm～850μm；

所述的环氧树脂由E-44环氧树脂和E-51环氧树脂按质量比1∶1组成。

2.根据权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于，所述的固化剂选取改性胺T31、二乙烯三胺、邻苯二甲酸酐或二氨基二苯基甲烷中的一种。

3.根据权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于，所述的固化促进剂选用2，4，6三(二甲胺基甲基)苯酚-30、三乙胺或苄基二甲胺苄基三乙基氯化胺中的一种。

4.根据权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于，所述的增韧剂选取丁腈橡胶、聚氨酯预聚体或聚醚酰胺中的一种。

5.根据权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于，所述的偶联剂选用γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三过氧丁基硅烷或丙烯基三过氧基异丙基硅烷中的一种。

6.一种将权利要求1所述耐磨涂层涂覆于金属表面，在该金属表面形成耐磨保护层的方法，其特征在于，按以下步骤进行：

步骤1：对需涂覆涂层的钢表面进行处理

取需涂覆涂层的钢，对其表面进行处理；

步骤2：制备改性环氧树脂

按质量百分比，分别取环氧树脂67％～72％、固化剂12.5％～13.5％、固化促进剂2.5％～4.5％、增韧剂12.5％～13.5％和偶联剂0.5％～2％，各组份总量100％，均匀混合，制得改性环氧树脂；

步骤3：对SiC颗粒进行处理

取SiC颗粒，放入丙酮中浸泡0.5h～2h，然后，清洗10分钟～30分钟，烘干；

步骤4：制备涂层

按质量百分比，分别取步骤2制得的改性环氧树脂30％～40％和步骤3处理后的SiC颗粒60％～70％，各组份总量100％，混合均匀，然后，均匀涂覆于经步骤1处理后的钢表面，厚度为3mm～8mm，室温固化，在金属表面形成耐磨保护层。

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