謝騰飛， 毛錦榮， 周葉平

(江西省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院， 江西 南昌 330096)

0 前 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)工程建設(shè)的大力發(fā)展，起重機(jī)械在船舶、航空航天、電力、基材、冶金、橋梁鐵道等現(xiàn)代化生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。 然而，起重機(jī)械數(shù)量在逐年增大的同時(shí)，每年拆除報(bào)廢的數(shù)量也顯著增加，其中80%以上的起重機(jī)報(bào)廢都是因?yàn)槠錂C(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕、磨損失效導(dǎo)致[2，3]。 由于起重機(jī)械使用頻率高，工作環(huán)境相對(duì)惡劣，常被擱置于露天環(huán)境或潮濕腐蝕的環(huán)境中，其表皮油漆保護(hù)層經(jīng)常會(huì)因磨損及腐蝕損壞而喪失防護(hù)功能，進(jìn)而使得金屬機(jī)體腐蝕失效引發(fā)安全事故。 起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)材料腐蝕不僅容易引發(fā)安全事故，同時(shí)也對(duì)金屬材料造成了巨大浪費(fèi)[4，5]。 因此，在惡劣環(huán)境下，如何提高起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能，降低起重機(jī)的能耗，成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

聚脲彈性體(SPUA)是一種集塑料、橡膠、涂料、玻璃鋼等特點(diǎn)于一身的新型萬(wàn)能材料。 SPUA 的出現(xiàn)為防腐界提供了一種新型材料和施工技術(shù)，也為工程應(yīng)用提供了一種新的捷徑。 其與其他傳統(tǒng)涂層相比較，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì):如不含催化劑，能快速固化，在任何面噴涂都不產(chǎn)生流淌現(xiàn)象；施工性較好，造價(jià)便宜，適合大面積涂裝；涂層致密無(wú)縫隙，耐酸堿鹽、油等介質(zhì)長(zhǎng)期腐蝕；耐紫外線老化，在戶外長(zhǎng)期使用不開(kāi)裂等。 在涂層應(yīng)用中，涂層耐磨損能力是評(píng)價(jià)聚脲涂層使用壽命的重要指標(biāo)，且聚脲涂層技術(shù)常應(yīng)用于重工業(yè)、水利建筑等工程項(xiàng)目中，在惡劣環(huán)境下經(jīng)常經(jīng)受設(shè)備之間、泥沙污漬等的磨損，可見(jiàn)研究聚脲涂層的耐磨損性能顯得十分必要。

因此，聚脲涂層逐漸被人們重視的同時(shí)，制備出適合起重機(jī)械耐蝕耐磨的聚脲涂層具有必然的趨勢(shì)。 目前，人們對(duì)聚脲涂層在不同條件下的磨損失效形式還需深入了解，王姍等[6]將羥基硅油引入到聚脲反應(yīng)體系中成膜，發(fā)現(xiàn)涂層對(duì)織物的耐磨性有明顯提升。Walley 等[7]通過(guò)對(duì)聚乙烯樹(shù)脂涂層沖蝕磨損研究發(fā)現(xiàn)，材料的表面光潔度對(duì)涂層的斷裂機(jī)理起到至關(guān)重要的作用。 Monetta 等[8]通過(guò)EIS 技術(shù)研究低碳鋼表面的環(huán)氧有機(jī)涂層的防護(hù)性能，結(jié)果顯示涂層厚度對(duì)涂層壽命均有影響。 本工作以起重機(jī)械用Q235 鋼為基體制備了不同厚度的聚脲涂層，分析討論了涂層厚度、加載情況對(duì)聚脲涂層磨損性能的影響，進(jìn)一步探討了聚脲涂層的磨損失效機(jī)制。

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)采用的基材為Q235，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)如下:C ≤0.200，Si≤0.550，Mn 1.000～1.600，P≤0.045，S≤0.045，V 0.020～0.150，Nb 0.015～0.060，Al 0.020～0.200，F(xiàn)e 余量。

采用的聚脲涂層主要是由異氰酸酯聚合物(A 組分，15%～16%)、稀釋劑(碳酸丙二酯)和胺組分(B 組分)組合而成。 試驗(yàn)采用MMU-5G 型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)聚脲涂層的耐磨性能，通過(guò)聚脲涂層與摩擦副鋼環(huán)、涂層與涂層之間的干摩擦磨損試驗(yàn)(環(huán)環(huán)對(duì)磨)，測(cè)試涂層的耐磨性能。 根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備對(duì)試樣形狀及尺寸的要求，將磨損試樣加工成環(huán)形，其中外徑D1 ＝80 mm，內(nèi)徑D2 ＝60 mm，厚度d＝10 mm。 將加工出來(lái)的試樣放入丙酮和酒精中清洗，接著對(duì)試件表面噴砂粗化處理，在鋼環(huán)表面噴涂聚脲涂層，涂層試樣采取手工涂刷，使用細(xì)小毛刷均勻涂刷在準(zhǔn)備好的基材試樣表面，根據(jù)所需涂層厚度計(jì)算涂刷次數(shù)，待前次涂刷涂層干結(jié)后繼續(xù)涂刷，每次涂刷厚度約為0.15 mm 左右，試驗(yàn)結(jié)束后需要用儀器測(cè)量涂層厚度。 試樣分1，2，3，4 號(hào)4 個(gè)厚度，分別對(duì)應(yīng)的涂層厚度為0 mm (未加聚脲涂層)、0.6 mm、1.2 mm、2.1 mm，試樣實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 磨損試樣實(shí)物圖Fig. 1 Physical drawing of wear sample

試樣制備后，分別用電子天平(精度為0.1 mg)測(cè)量記錄試樣及對(duì)偶鋼環(huán)質(zhì)量原始值，再進(jìn)行摩擦副對(duì)偶鋼環(huán)對(duì)磨試驗(yàn)。 磨損試驗(yàn)參數(shù)如下:摩擦磨損試驗(yàn)正壓力50 N；試驗(yàn)轉(zhuǎn)速100 r/min；摩擦磨損時(shí)間20 min。 試驗(yàn)結(jié)束后，用丙酮擦拭清洗試樣，再用酒精清洗試樣，并用吹風(fēng)機(jī)吹干試樣，最后使用電子天平(精度為0.1 mg)測(cè)量試件質(zhì)量(測(cè)量3 次取平均值)，計(jì)算磨損量ΔW和磨損率η。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚脲涂層厚度對(duì)涂層磨損性能的影響

表1 為不同涂層厚度下的試樣磨損量及磨損率。從表1 可以看出，當(dāng)磨損試樣未采用涂層時(shí)，其磨損量及磨損率較高，分別為79.23 mg、1.802×10-4mg/mm。當(dāng)試樣表面覆蓋涂層時(shí)，材料磨損量及磨損率迅速下降，但隨著涂層厚度的增加，磨損量變化不明顯，其磨損量和磨損率分別約為30 mg、6.8×10-5mg/mm。 由磨損公式可知，磨損時(shí)間相同時(shí)，耐磨性能的優(yōu)劣與磨損量成反比，即基材噴涂聚脲涂層后，磨損量明顯降低，而耐磨性能明顯提高；且從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，噴涂聚脲涂層后，磨損量遠(yuǎn)低于HG/T 3831“噴涂聚脲防護(hù)材料”中所規(guī)定的小于80 mg(7.5 N，100 r/min)的標(biāo)準(zhǔn)[9]，由此可說(shuō)明噴涂聚脲涂層具有良好的耐干摩擦磨損性能。 另外，當(dāng)涂層厚度超過(guò)0.6 mm 時(shí)，涂層磨損量基本不發(fā)生變化，說(shuō)明涂層表面沒(méi)有出現(xiàn)大面積的脫落現(xiàn)象，涂層的結(jié)合性能較好。

表1 不同涂層厚度下的試樣磨損量及磨損率Table 1 Fricion and wear test results of coating with different thickness

2.2 加載對(duì)涂層磨損性能的影響

表2 為不同載荷下的涂層的磨損量及磨損率。 由表2 可以看出，隨著載荷的增大，涂層平均磨損量和磨損速率逐漸增大，當(dāng)摩擦磨損正壓力為50，100 N 時(shí)，聚脲涂層試樣的磨損量為30 mg 左右，遠(yuǎn)低于工業(yè)國(guó)準(zhǔn)HG/T 3831 中的規(guī)定，具有較強(qiáng)的耐磨性；隨著正壓力增至150 N 時(shí)，試樣磨損量陡增至76.89 mg，但聚脲涂層表面沒(méi)有出現(xiàn)大面積的脫落現(xiàn)象，同時(shí)摩擦副對(duì)偶的磨損量仍然較低，且不隨正壓力的增大而發(fā)生大變化，表現(xiàn)出較好的耐磨性。

表2 不同載荷下的涂層磨損量及磨損率Table 2 Friction and wear test results of coating under different load

對(duì)應(yīng)下表不同量值分析認(rèn)為，聚脲涂層表面與摩擦副對(duì)偶摩擦初期，兩者表面光潔度較好，在受到較小壓力時(shí)，涂層可能只發(fā)生彈性變形，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，涂層表面粗糙度不發(fā)生大的變化，所以涂層的磨損量較低。 當(dāng)所受正壓力增大到一定值時(shí)(150 N)，產(chǎn)生的摩擦力將破壞涂層內(nèi)部分子之間的結(jié)合力，此時(shí)涂層形成的塑性變形不可逆，且隨著壓力的增大，摩擦產(chǎn)生的熱量太大而來(lái)不及散失，將使涂層的硬度降低，表面粗糙度增大，涂層易產(chǎn)生刮傷及脫落現(xiàn)象，因而涂層磨損量迅速增大。

2.3 涂層之間的摩擦磨損性能

表3 為試件選用厚度同為0.6 mm 的聚脲涂層試樣，在50 N、100 r/min 條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后按照上述稱重步驟，計(jì)算材料平均磨損量及平均磨損率。

表3 試樣磨損試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Specimen wear test results

從表3 的磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，涂層與涂層之間的磨損量非常大，按照工業(yè)國(guó)準(zhǔn)HG/T 3831 來(lái)評(píng)價(jià)，涂層之間干磨損時(shí)耐磨性能很差。 同時(shí)，從兩者之間干摩擦磨損過(guò)程中發(fā)現(xiàn)涂層試樣表面溫度很高，且有大量的聚脲涂層磨屑掉落。 這是由于在干摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦力產(chǎn)生的熱量不斷增大，而聚脲涂層自身散熱能力就不強(qiáng)，摩擦熱無(wú)法及時(shí)散失掉，在涂層表面聚集，最終降低涂層表面硬度，增加表面粗糙度，涂層與涂層之間發(fā)生劇烈的磨損，故磨損量非常大。

2.4 磨損機(jī)理分析

圖2 為涂層與涂層之間摩擦磨損后試樣局部表面形貌。 由磨損形貌可知，涂層磨損表面主要包括2 個(gè)特征區(qū)域，分別為聚集在凹坑中的細(xì)小顆粒和呈片狀的暗色層。 圖中細(xì)小的顆粒是由涂層表面破裂所致或是層狀顆粒四周發(fā)生斷裂造成的，以及被剝落的微小磨屑所形成的。 聚脲涂層在磨損過(guò)程中，熱量主要來(lái)源于兩者摩擦力作功，可用公式(1)來(lái)描述總熱量:

圖2 干摩擦涂層試樣表面形貌Fig. 2 Surface morphology of dry friction coating sample

式中:F為試驗(yàn)載荷，μ為摩擦系數(shù)，ω為旋轉(zhuǎn)速度，ri與r0分別為磨痕內(nèi)外半徑。

由上文可知，當(dāng)載荷為50 N 時(shí)，因載荷較低，接觸壓力小，滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，滑動(dòng)阻力小，摩擦熱量低，傳遞到涂層表面的能量低，從而磨損破壞程度較低。 在摩擦磨損過(guò)程中發(fā)生犁削、磨粒磨損時(shí)，摩擦表面的黏著點(diǎn)少，實(shí)際接觸面積很小，表面粗糙度變化甚微，涂層表面能產(chǎn)生較大的可逆彈性變形，因此涂層不會(huì)因?yàn)槔缦髯饔枚l(fā)生大面積的脫落，聚脲涂層的磨損量較低。

載荷為100 N 時(shí)，摩擦力做功增加，涂層磨損表面中能量增加，損耗在涂層內(nèi)部能量增加；在作用力擠壓下，內(nèi)部微裂紋不斷擴(kuò)張，經(jīng)過(guò)反復(fù)摩擦后，層片狀顆粒沿著裂紋產(chǎn)生斷裂，在層與層未楔合部位結(jié)合強(qiáng)度較低，容易從涂層上脫落，形成剝落坑。 載荷繼續(xù)增至150 N，接觸壓力過(guò)大，對(duì)偶件壓入較深，局部應(yīng)力過(guò)高，導(dǎo)致涂層開(kāi)裂、剝落。 在高載荷下，摩擦產(chǎn)熱增加，磨損接觸面溫度升高，磨損面呈現(xiàn)層狀疊加。 隨載荷的增大，摩擦力做功增加，在摩擦力的作用下，能量增加，加快了裂紋擴(kuò)展，涂層相互粘結(jié)在一塊，表面出現(xiàn)大面積的黏著痕跡，涂層試樣表面大塊被撕裂，涂層的耐磨性能明顯下降。

綜述可知，在低載荷下(小于50 N)，涂層的磨損形式主要為磨粒磨損，而隨著載荷逐漸增大，涂層磨損形式主要表現(xiàn)為黏著磨損。 因此，在一定的溫度和載荷下，聚脲涂層具有較好的剛性、熱穩(wěn)定性及耐磨性，在實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)該盡量避免涂層在高載荷下摩擦運(yùn)行，且盡量減少涂層與涂層之間的干摩擦磨損。

3 結(jié) 論

(1)在一定條件下(加載為50 N，轉(zhuǎn)速100 r/min，磨損時(shí)間20 min)，當(dāng)涂層厚度由0 增加到0.6 mm 時(shí)，基材磨損量及磨損率明顯降低，聚脲涂層明顯提高了金屬結(jié)構(gòu)的耐磨性能。

(2)在100 N 載荷作用下，聚脲涂層具有良好的耐磨性能，當(dāng)正壓力增加至150 N 時(shí)，聚脲涂層的耐磨性下降較快，且磨損量較大。

(3)在低載荷下，涂層主要為磨粒磨損，隨著載荷的增大，涂層之間主要發(fā)生黏著磨損。 在實(shí)際使用過(guò)程中盡量避免涂層在高載荷下摩擦運(yùn)行，且盡量減少涂層與涂層之間的干摩擦磨損。