桑瑋瑋，陳海軍，陳 丹

(河南工程學院 機械工程學院，河南 鄭州 451191)

無機硅酸鋅涂料[1-4]具有長效的防腐蝕性能，常被用于大型鋼鐵構件的重防腐防護工程中，但是由于耐磨性能不佳，一般只用作防護底漆.增強無機硅酸鋅涂料的耐磨性能，可以擴大涂料的應用空間并提高經濟綜合效益.

無機硅酸鋅涂料是一種液固兩相分開的雙組分體系，固相成分主要是鋅粉，通常添加硬質顆粒增強相是改善涂料磨損性能最直接和最常用的方法，在涂料中應用較多的云母粉是絹云母.絹云母屬于層狀結構硅酸鹽，具有高縱橫比的晶體片狀結構，為云母族礦物中呈極細鱗片狀的白云母亞種，晶體結構呈二八面體，即由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構成，四面體的頂氧(活性氧)與附加陰離子(OHˉ)位于兩層六面網的中央，構成活性結晶水基團[5-8].

絹云母粉兼具云母類礦物和黏土類礦物的多種特點，具有極好的化學穩(wěn)定性、自潤滑性、流動性和吸水性,它徑厚比大、耐磨性好、耐高溫(600 ℃以上)、耐化學品腐蝕、白度高并具有良好的屏蔽紫外線和抗紅外輻射等功能.本研究將絹云母添加在涂料的固相成分中，可以在保證不減弱涂層耐蝕性能的前提下，增強涂膜與基質的附著力和涂膜強度，改善涂膜的表觀.并且，絹云母的活性羥基基團容易與無機硅酸鋅涂料基液中的溶劑分子鏈相結合，可以提高涂料的耐磨性能，從而擴大涂料的應用領域.

1 實驗

1.1 材料

本研究選用的液相組分為實驗室自制的硅酸鉀黏結劑溶液，固相組分為北京礦冶研究總院生產的KFZn系列超細高活性1 000目鋅粉，絹云母作固相增強改性材料，相關技術參數見表1.涂覆基材為45鋼，試樣規(guī)格為60 mm×40 mm×5 mm.實驗選擇刷涂，涂覆每層表干后再涂覆第二層，為保證涂層厚度及質量，最終選擇3層涂覆.

表1 絹云母的相關數據

1.2 絹云母的添加比例

在保證無機硅酸鋅涂料固有的優(yōu)良腐蝕性能不降低及磨損性能有所改善的前提下，根據前期研究，固相改性組分的添加應不高于質量分數的15%、不低于質量分數的3%.考慮到絹云母粉具有一定的觸變性能，在涂料中使用會起到一定的增稠效果，實驗以添加比例為固相成分質量分數的3%～10%對比，觀察涂料的黏度、增稠現象及涂敷涂層的表觀現象，結果見表2.

表2 絹云母的添加比例

由表2可知，為了保證涂層質量和盡可能多添加絹云母的情況下，最佳添加比例為質量分數5%(為繪圖方便，下文中標定純鋅涂料為Z00，絹云母改性涂料為ZJ5).

1.3 實驗設備

實驗采用WMT-1型微磨損實驗機，壓頭采用GCr15鋼球，運用干磨損的方法對涂層的摩擦磨損性能進行測試.以相同載荷及時間下磨損前后涂層失質量作為判斷涂層耐磨性能的指標，同時對比磨損過程中摩擦系數的變化.

采用WS2005-4型附著力自動劃痕儀，參照國際標準ISO 12137∶1997《色漆和清漆——耐劃傷性的測定》進行耐擦傷性測試.恒載運行方式，在相同劃痕長度、劃痕速度及載荷下觀察涂層的聲發(fā)射信號.

2 結果與討論

2.1 磨損實驗

從圖1可以看出，未加絹云母的無機硅酸鋅涂層的摩擦系數在0.5左右，而絹云母增強無機硅酸鋅涂層的摩擦系數在0.25左右，摩擦系數明顯降低.并且，摩擦系數曲線變得平緩，微磨損的失質量降低.摩擦系數的大小與其摩擦行為有關，也與摩擦力的來源有關.根據文獻[9]的觀點，相對滑動材料表面的摩擦系數由以下3部分組成——微凸體的變形分量、磨粒和硬的表面微凸體的犁溝作用分量以及表面間的黏著分量.由摩擦曲線可見，兩種涂層很快就達到了穩(wěn)定摩擦磨損狀態(tài)，絹云母增強無機硅酸鋅涂層的摩擦系數在實驗過程中比未加絹云母涂層的小得多，并且變化幅度也不大.這是因為涂層中絹云母可以有效減少微凸體的變形分量以及磨粒和硬的表面微凸體的犁溝作用分量.

圖1 固相改進磨損實驗對比圖

圖2為低倍磨損顯微形貌，可以宏觀評價磨痕的大小并衡量磨損情況.圖中較暗區(qū)域為磨痕，可以看到添加絹云母的涂層磨痕邊緣比純鋅涂層規(guī)則，磨痕圈變窄，磨痕區(qū)域變得光滑.

圖2 低倍下涂層的微磨損形貌(SEM，300×)

圖3為800倍SEM，可以觀察到將磨痕區(qū)域放大后涂層均出現塑性變形和犁溝，純鋅涂層反復塑變出現剝落現象，添加絹云母的涂層剝落現象不明顯，磨痕區(qū)域相對平整.

圖3 高倍下涂層的磨損表面形貌 (SEM,800×)

WMT-1型微磨損實驗機的壓頭是GCr15鋼球，涂層表面犁溝的產生是由于GCr15鋼球表面存在硬的微凸體，涂層與鋼球表面摩擦磨損過程中，鋼球表面硬的微凸體壓入軟的涂層基體中，隨著摩擦副的相對滑動，鋼球表面微凸體對涂層表面產生平行與滑動方向的犁溝，這是典型的磨料磨損.

剝落產生的原因可以用剝層磨損理論[10]來解釋，按照材料的剝層磨損理論，涂層的剝層磨損是由兩個不可缺少的過程組成，一個是裂紋的形成，另一個是裂紋的擴展.涂層在鋼球微凸體的循環(huán)擠壓應力作用下，涂層表面的孔隙等裂紋缺陷將會逐漸擴展失穩(wěn)或在其邊緣形成新的微裂紋，最后擴展失穩(wěn)導致剝落.

由于絹云母粉體的顆粒比較大，在涂層表面形成了明顯微凸體，與GCr15鋼球在摩擦磨損過程中，作為主要的載荷承載體，減輕了GCr15鋼球表面的微凸體對涂層基體鋅顆粒的磨損程度.基體鋅粉顆粒硬度低，塑性變形大，在磨損過程中，鋅顆粒本身首先發(fā)生塑性變形，在反復塑性變形作用下出現剝落，而絹云母由于硬度的增強不易變形或變形很小，主要以犁溝為主，剝落現象消失，摩擦系數降低，耐磨性提高.

2.2 聲發(fā)射實驗

針對無機硅酸鋅涂層，聲發(fā)射信號是由劃痕時涂層表面產生裂紋或剝落時發(fā)出的聲音產生的，聲發(fā)射信號的強度表征了劃痕時涂層表面產生裂紋的難易程度和多少，所以相同參數下涂層在劃痕過程中隨劃痕距離的延長產生的聲發(fā)射信號強度曲線對比可以評定涂層的耐擦傷性能.

相同參數下添加絹云母涂層使得聲發(fā)射信號的強度相對降低，如圖4所示.圖5為擦傷實驗低倍形貌，圖中暗色區(qū)域為劃痕，可以直觀地看到同等條件下添加絹云母的涂層劃痕寬度變窄，劃痕兩側粉體堆積物減少，劃痕區(qū)域表面變得平滑.高倍SEM擦傷實驗的顯微形貌觀察可以看到，鋅粉的塑性變形隨改性成分的加入變弱，相同載荷下涂層剝落減輕，劃痕區(qū)劃痕表面變得相對光滑，如圖6所示.

圖4 涂層劃傷時的聲發(fā)射信號強度與劃痕距離的關系

圖5 擦傷實驗低倍形貌 (SEM, 100×)

圖6 擦傷實驗顯微形貌(SEM, 800×)

無機硅酸鋅涂層在金剛石壓頭的滑動下，表面發(fā)生顯微擦傷，故其磨損機制主要以顯微擦傷為主.在這種機制的作用下，擦傷面比較光滑，看不到明顯的磨溝，只有大量細小的擦痕，所以SEM圖中觀察不到明顯的磨溝，劃痕區(qū)相對平整.

高倍SEM圖劃痕區(qū)觀察可知，純鋅涂層的塑性變形最大，剝落現象嚴重，添加絹云母涂層表面的鋅顆粒的塑性變形不同程度地減弱，顆粒剝落的現象明顯減少.原因在于鋅粉自身的塑性較好，在金剛石壓頭的作用下發(fā)生了嚴重的塑性變形，而絹云母的添加在涂層中充當了增強相，一方面阻止了應力作用下引起的微裂紋的產生及擴展，另一方面改性成分增強了涂層抵抗變形和切削的能力，減弱了涂層表面的劃傷程度，增強了涂層的抗擦傷性.

3 結論

(1)在干滑動摩擦磨損條件下，絹云母增強無機硅酸鋅涂層的摩擦系數降低并且變得平穩(wěn)；絹云母提高了涂層的承載能力，降低了磨損失質量.

(2)干滑動摩擦磨損顯微組織顯示，絹云母增強涂層的磨損主要以犁溝為主，磨損表面幾乎沒有剝落坑存在，涂層中添加適量的絹云母可以起到顯著的減摩作用.

(3)在擦傷實驗中，在相同的實驗載荷下，添加絹云母涂層使得聲發(fā)射信號的強度相對降低，表征絹云母增強無機硅酸鋅涂層的抗擦傷性能顯著好于未添加絹云母的無機硅酸鋅涂層.

(4)擦傷磨損顯微組織顯示，在相同載荷下，絹云母增強無機硅酸鋅涂層劃痕兩側的粉體堆積物減少，劃痕區(qū)域表面變得平滑，劃痕上鋅粉顆粒的塑性變形較小，磨損機理為顯微擦傷磨損，提高了抗擦傷性能.

參考文獻：

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