專利名稱：基于改性環(huán)氧樹脂和SiC顆粒的耐磨涂層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種耐磨涂層，具體涉及一種基于
改性環(huán)氧樹脂和SiC顆粒的耐磨涂層，本發(fā)明還涉及該耐磨涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
磨損是機械零件失效的主要形式之一。其中的低應(yīng)力沖蝕磨損更是廣泛 存在于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的機械設(shè)備和系統(tǒng)中，如礦山、電廠等行業(yè)使用的灰漿 泵、泥漿泵和灰漿泵中的過流部件、管道與閥門等零部件，在工作過程中不 僅要承受固體粒子的沖蝕與磨削，還要承受液體介質(zhì)的腐蝕及高溫的作用， 工作環(huán)境極其惡劣，導(dǎo)致這些零部件磨損嚴重，使用壽命較短。為此，將具 有較高硬度和抗腐蝕能力的高鉻鑄鐵作為制造渣漿泵的材料，并取得了一定 的效果。但隨著實際生產(chǎn)量的增大以及渣漿泵的大型化，液體漿料的輸送速 度增加，高鉻鑄鐵難以抵抗高速固體粒子的沖蝕磨損和液體介質(zhì)引起的腐蝕 和氣蝕，致使高鉻鑄鐵制成的渣漿泵磨損嚴重。
陶瓷材料具有較高的硬度和較好的耐蝕性能，將其與加工性、韌性和強 度良好的金屬復(fù)合形成表面復(fù)合材料，既可以充分發(fā)揮兩種材料各自的性 能，又可以針對不同工況條件人為地進行材料性能和結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以滿足不 同工況下對零部件性能的要求。但是由于陶瓷材料制備、加工困難，生產(chǎn)成 本高，且脆性大，使其應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于改性環(huán)氧樹脂和SiC顆粒的耐磨涂層，將
其應(yīng)用于渣漿泵等工況條件較差設(shè)備的過流部件、管道與閥門等零部件的表 面，在提高該零部件耐磨、耐熱和耐腐蝕性的同時，降低成本，且加工簡單，
應(yīng)用不受限制。
本發(fā)明的另一目的是提供一種上述耐磨涂層的制備方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是， 一種基于改性環(huán)氧樹脂和SiC顆粒的耐磨
涂層，按質(zhì)量百分比，由以下組份組成
改性環(huán)氧樹脂 30% 40% SiC顆粒 60% 70% 上述組份總量100%;
其中的改性環(huán)氧樹脂，按質(zhì)量百分比，由67% 72%的環(huán)氧樹脂、 12.5% 13.5的固化劑、2.5% 4.5%的固化促進劑、12.5% 13.5%的增韌劑 和0.5% 2%的偶聯(lián)劑組成，各組份總量100%。
本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是， 一種將上述耐磨涂層涂覆于金屬表 面，在該金屬表面形成耐磨保護層的方法，按以下步驟進行
步驟l:對需涂覆涂層的鋼表面進行處理 取需涂覆涂層的鋼，對其表面進行處理；
步驟2:制備改性環(huán)氧樹脂
按質(zhì)量百分比，分別取環(huán)氧樹脂67% 72%、固化劑12.5% 13.5、固 化促進劑2.5°/。 4.5%、增韌劑12.5% 13.5%和偶聯(lián)劑0.5% 2%,各組份 總量100%，均勻混合，制得改性環(huán)氧樹脂；
步驟3:對SiC顆粒進行處理
取SiC顆粒，放入丙酮中浸泡0.5h 2h，然后，清洗10分鐘 30分鐘， 烘干；
步驟4:制備涂層
按質(zhì)量百分比，分別取步驟2制得的改性環(huán)氧樹脂30% 40%和步驟3 處理后的SiC顆粒60% 70%，各組份總量100%，混合均勻，然后，均勻 涂覆于經(jīng)步驟1處理后的鋼表面，厚度為3mm 8mm，室溫固化，在金屬 表面形成耐磨保護層。
本發(fā)明耐磨涂層通過改性環(huán)氧樹脂將SiC粒子粘接于金屬表面，使得 SiC粒子很好的分布于金屬的表面，且涂層中的SiC粒子不僅粒子排列比較 緊密，無聚團現(xiàn)象，而且SiC粒子被環(huán)氧樹脂很好的粘接在一起，在金屬表 面覆蓋一層均勻的碳化硅，其結(jié)合狀態(tài)良好，沒有明顯的裂紋。在提高金屬 耐磨、耐熱和耐腐蝕性的同時，降低成本，且加工簡單，形成的涂層脆性小， 其應(yīng)用不受限制。


圖1是本發(fā)明涂層橫截面斷裂形貌的SEM照片；
圖2是本發(fā)明涂層SiC顆粒與環(huán)氧樹脂粘接邊緣斷裂形貌的SEM照片；
圖3是本發(fā)明涂層中環(huán)氧樹脂斷裂界面形貌的SEM照片；
圖4是將本發(fā)明涂層與Q235鋼、高鉻鑄鐵和低鉻鑄鐵置于石英砂漿料
中進行沖蝕得到的沖蝕角度與失重量關(guān)系的對比直方圖5是將本發(fā)明涂層與高鉻鑄鐵和低鉻鑄鐵置于石英砂漿料中進行沖蝕
得到的相對于Q235鋼的相對耐磨性與沖蝕角度的關(guān)系對比直方圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。 本發(fā)明耐磨涂層，以SiC粒子為增強相，采用改性環(huán)氧樹脂將SiC粒子
粘接于鋼鐵材料基體表面，形成耐磨涂層，該耐磨涂層具有較好的耐磨、耐
熱和耐腐蝕性。
本發(fā)明耐磨涂層，按質(zhì)量百分比，由以下組份組成
改性環(huán)氧樹脂 30% 40% SiC顆粒 60% 70% 上述組份總量100%;
其中的改性環(huán)氧樹脂，按質(zhì)量百分比，由67% 72%的環(huán)氧樹脂、 12.5% 13.5的固化劑、2.5% 4.5%的固化促進劑、12.5°/。 13.5%的增韌劑
和0.5% 2%的偶聯(lián)劑組成，各組份總量100%。
環(huán)氧樹脂由E-44環(huán)氧樹脂和E-51環(huán)氧樹脂按質(zhì)量比1: 1混合組成。 SiC顆粒的粒度為550lam 850pm。
固化劑選用改性胺T31、 二乙烯三胺、鄰苯二甲酸酐或二氨基二苯基甲 烷中的一種。
固化促進劑選用2,4,6三(二甲胺基甲基)苯酚-30、三乙胺或芐基二甲 胺芐基三乙基氯化胺中的一種。
增韌劑選用丁腈橡膠、聚氨酯預(yù)聚體或聚醚酰胺中的一種。
偶聯(lián)劑選用，氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三過氧丁基硅烷或丙烯基三 過氧基異丙基硅垸中的一種。
無機碳化硅粒子與有機高分子材料環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂與金屬鋼粘接過 程中，存在無機材料與有機材料之間難以浸潤的缺陷，本發(fā)明涂層通過在環(huán) 氧樹脂中添加固化劑、固化促進劑和偶聯(lián)劑對其進行改性，并選擇適當(dāng)?shù)慕M 份配比，在無機碳化硅粒子與環(huán)氧樹脂之間、環(huán)氧樹脂與金屬鋼之間形成有 效的化學(xué)鍵連接，形成牢固的涂層。
環(huán)氧樹脂具有很好的粘接性能，但其與金屬和碳化硅之間難以浸潤，影
響粘接效果，通過偶聯(lián)劑對其進行改性。利用偶聯(lián)劑水解后，其分子鏈既帶 有與無機物形成共價鍵的無機基團，也帶有與環(huán)氧樹脂相結(jié)合的有機官能團
的特性。在其與環(huán)氧樹脂的反應(yīng)過程中使環(huán)氧樹脂分別與SiC和金屬很好的粘接。
未經(jīng)固化的環(huán)氧樹脂幾乎沒有多大的實用性，加入固化劑可使環(huán)氧樹脂 固化生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成固化物，具有優(yōu)良的機械及粘接性能，能達到 使用要求。
固化促進劑對環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)起催化作用，可加快固化反應(yīng)的速 度、降低固化溫度、縮短固化時間，同時，改變固化機制，降低固化內(nèi)應(yīng)力， 改善固化后形成的膠層的韌性、強度、耐熱、耐水等綜合性能。
增韌劑一般都含有活性基團，與環(huán)氧樹脂發(fā)生反應(yīng)并不完全相容，有時 還會產(chǎn)生分相，能夠獲得較理想的增韌效果，明顯改善膠體的抗沖擊性能。
在金屬表面涂覆本發(fā)明涂層的方法，具體按以下步驟進行 步驟l:對需涂覆涂層的鋼表面進行處理
取需涂覆涂層的鋼表面進行除銹、除油和去除污跡處理，然后，用砂紙 打磨光亮；
步驟2:制備改性環(huán)氧樹脂
按質(zhì)量百分比，分別取環(huán)氧樹脂67% 72%、固化劑12.5% 13.5%、 固化促進劑2.5% 4.5%、增韌劑12.5% 13.5°/。和偶聯(lián)劑0.5°/。 2%，各組 份總量100%，均勻混合，制得改性環(huán)氧樹脂；
步驟3:對SiC顆粒進行處理
取粒度為550pm 85(^m的SiC顆粒，放入丙酮中浸泡0.5h 2h，然后，
置于超聲波清洗器內(nèi)清洗10分鐘 30分鐘，烘干；步驟4:制備涂層
按質(zhì)量百分比，分別取步驟2制得的改性環(huán)氧樹脂30% 40%和步驟3 處理后的SiC顆粒60% 70%，各組份總量100%，混合均勻，然后，均勻 涂覆于步驟l處理后的鋼的表面，涂敷厚度3 8mm，靜置，室溫固化，得
到耐磨涂層。 實施例1
按質(zhì)量比1: 1分別取E-44環(huán)氧樹脂和E-51環(huán)氧樹脂，混合得到環(huán)氧 樹脂，按質(zhì)量百分比，分別取該環(huán)氧樹脂67%、改性胺T31 13%、 2,4,6三(二 甲胺基甲基)苯酚-30 4.5%、聚氨酯預(yù)聚體13.5%和Y-氨丙基三乙基硅烷2%， 混合均勻，制得改性環(huán)氧樹脂；取粒度為550nm 65(Him的SiC顆粒，放入 丙酮中浸泡0.5h后，置于超聲波清洗器內(nèi)清洗10分鐘，烘干；按質(zhì)量百分 比，分別取制得的改性環(huán)氧樹脂膠30%和處理后的SiC顆粒70%，混合均勻， 然后，均勻涂覆于處理后的鋼表面，涂敷厚度3mm，靜置，室溫固化，得 到耐磨涂層。該耐磨涂層橫截面的斷裂形貌如圖l所示，從圖中可以看出， 碳化硅粒子與環(huán)氧樹脂粘接牢固，且分布均勻。
實施例2
按質(zhì)量比1: 1分別取E-44環(huán)氧樹脂和E-51環(huán)氧樹脂，混合得到環(huán)氧 樹脂，按質(zhì)量百分比，分別取該環(huán)氧樹脂72°/。、 二乙烯三胺12.5%、三乙胺 2.5%、 丁腈橡膠12.5%和乙烯基三過氧丁基硅垸0.5%，混合均勻，制得改性 環(huán)氧樹脂；取粒度為65(Him 750^im.的SiC顆粒，放入丙酮中浸泡2h后， 置于超聲波清洗器內(nèi)清洗30分鐘，烘干；按質(zhì)量百分比，分別取制得的改 性環(huán)氧樹脂40。/。和處理后的SiC顆粒60。/。，混合均勻，然后，均勻涂覆于處 理后的鋼表面，涂敷厚度8mm，靜置，室溫固化，得到耐磨涂層。該耐磨
涂層橫截面的斷裂形貌如圖2所示，從圖中可以看出，改性環(huán)氧樹脂牢固粘 接SiC顆粒，涂層的斷裂過程中，不僅改性環(huán)氧樹脂發(fā)生斷裂，碳化硅粒子 也隨之?dāng)嗔?。說明，改性環(huán)氧樹脂將碳化硅顆粒很好的粘接在一起，并牢固 粘接于鋼表面，改性后的環(huán)氧樹脂具有很高強度的粘接性。 實施例3
按質(zhì)量比1: 1分別取E-44環(huán)氧樹脂和E-51環(huán)氧樹脂，混合得到環(huán)氧 樹脂，按質(zhì)量百分比，分別取該環(huán)氧樹脂68.5%、鄰苯二甲酸酐13.5%、芐 基二甲胺芐基三乙基氯化胺3.5%、聚醚酰胺13%和丙烯基三過氧基異丙基 硅烷1.5%，混合均勻制得改性環(huán)氧樹脂；取粒度為750^im 850^im的SiC
顆粒，放入丙酮中浸泡lh后，置于超聲波清洗器內(nèi)清洗20分鐘，烘干；按
質(zhì)量百分比，分別取制得的改性環(huán)氧樹脂35。/o和處理后的SiC顆粒65n/。，混 合均勻，然后，均勻涂覆于處理后的鋼表面，涂敷厚度6mm，靜置，室溫 固化，得到耐磨涂層。該耐磨涂層橫截面的斷裂形貌如圖2所示，從圖中可 以看出，從中可以看出，斷裂大部分發(fā)生在環(huán)氧樹脂內(nèi)部，少部分發(fā)生在環(huán) 氧樹脂與碳化硅粘接處，形成鋸齒層狀的斷裂形貌，表明組織結(jié)合較牢固。
本發(fā)明涂層中的SiC粒子很好的分布于鋼表面，該SiC粒子不僅粒子排 列比較緊密，無聚團現(xiàn)象，而且SiC粒子被環(huán)氧樹脂很好的粘接在一起。在 鋼表面覆蓋一層均勻的碳化硅，其結(jié)合狀態(tài)良好，沒有明顯的裂紋。
將本發(fā)明涂層與Q235鋼、高鉻鑄鐵和低鉻鑄鐵置于粒度為300pm 800^im石英砂漿料中進行沖蝕磨損，得到如圖4所示的失重量與沖蝕角度間 的關(guān)系曲線圖。由圖中可以看出，本發(fā)明涂層的最大失重量出現(xiàn)在沖蝕角為 60°時，而沖蝕角為30°時，該涂層的沖蝕磨損率最小。在沖蝕角小于90° 的范圍內(nèi)時本發(fā)明涂層的失重量明顯低于其它三種材料，高鉻鑄鐵和低鉻鑄
鐵的失重量均隨沖蝕角的增大而先增加后減小，在沖蝕角60。時它們的失重 量達到峰值，表現(xiàn)出了典型的脆性材料在漿體沖蝕磨損過程中的沖蝕磨損特 征。Q235鋼的最大失重量出現(xiàn)在沖蝕角為45。時，沖蝕角大于45。后其失重 量隨沖蝕角的增大而減小，表現(xiàn)出了典型的塑性材料的沖蝕磨損特征。沖蝕 磨損過程中，本發(fā)明涂層與鋼復(fù)合形成的材料的相對軟質(zhì)相環(huán)氧樹脂膠體在 承受石英砂粒子不斷沖擊的同時，還受到石英砂粒子的切削和犁溝作用，發(fā) 生塑性變形逐漸疲勞剝落，導(dǎo)致涂層中的碳化硅粒子逐漸高出鋼基體，而漿 料介質(zhì)是以一定角度沖蝕材料表面，于是產(chǎn)生所謂的"保護效應(yīng)"，處在碳化 硅顆粒陰影中的環(huán)氧樹脂膠體材料得到碳化硅顆粒的良好保護，其遭受石英 砂粒子沖擊和切削的幾率小、程度輕，可充分粘接碳化硅顆粒并發(fā)揮其"支 撐作用"，進一步為碳化硅粒子提供強有力的支撐。因此在保護效應(yīng)和支撐 作用的互相促進之下，SiC涂層與鋼基形成的表面復(fù)合材料的磨耗大大減小， 整體抗沖蝕磨損性能得到顯著提高。
將涂覆有本發(fā)明涂層的鋼與高絡(luò)鑄鐵、低鉻鑄鐵放入粒度為850|am的 石英砂漿進行沖蝕得到的相對于Q235鋼的相對耐磨性與沖蝕角度的關(guān)系曲 線，如圖8所示。從圖中可以看出，涂覆有本發(fā)明涂層的鋼的相對耐磨性最 大值出現(xiàn)在沖蝕角為30°時，在沖蝕角小于90。的范圍內(nèi)，涂覆有本發(fā)明涂 層的鋼的相對耐磨性都優(yōu)于其它三種材料。
表1是沖蝕角為30。時，將本發(fā)明涂層與Q235鋼、高鉻鑄鐵、低鉻鑄 鐵進行沖蝕得到的沖蝕磨損試驗結(jié)果。
表1材料的沖蝕磨損試驗結(jié)果(沖蝕角30°)
。、 。 相對耐磨性
磨損試樣 磨損率S/mg/h
Q235 11.7 1.00
高鉻鑄鐵 9.4 1.24
低鉻鑄鐵 13 0.9
涂覆有本發(fā)明涂層的鋼 5.91 1.98
從表l中可以看出，將本發(fā)明涂層涂覆于鋼表面形成的復(fù)合材料的沖蝕 磨損耐磨性明顯優(yōu)于其它的材料，其沖蝕磨損耐磨性大約為Q235鋼的2倍。
采用改性環(huán)氧樹脂將SiC顆粒粘接于鋼基表面形成耐磨涂層，該耐磨涂 層中作為增強相的SiC顆粒，其硬度和剛度比石英砂高許多，足以有效抵抗 石英砂粒子的沖擊和切削，對基體材料起到保護作用。涂層內(nèi)的SiC顆粒被 膠體粘接于金屬表面，而石英砂漿料以一定角度沖蝕材料表面，本發(fā)明涂層 產(chǎn)生"保護效應(yīng)"，使處于碳化硅顆粒陰影中的膠體材料遭受沖擊和切削的 幾率減小、受損程度減輕，較好地保護了鋼基體，同時，充分發(fā)揮鋼基體的 "支撐作用"，進一步為碳化硅顆粒提供強有力的支撐。在保護效應(yīng)和支撐作 用的互相促進下，改性環(huán)氧樹脂粘接SiC顆粒鋼基表面耐磨涂層的磨耗大大 減小，整體抗沖蝕磨損性能得到顯著提高，對鋼基體起到了有效的保護作用。
權(quán)利要求
1. 一種基于改性環(huán)氧樹脂和SiC顆粒的耐磨涂層，其特征在于，按質(zhì)量百分比，由以下組份組成改性環(huán)氧樹脂 30％～40％SiC顆粒 60％～70％上述組份總量100％；其中的改性環(huán)氧樹脂，按質(zhì)量百分比，由67％～72％的環(huán)氧樹脂、12.5％～13.5的固化劑、2.5％～4.5％的固化促進劑、12.5％～13.5％的增韌劑和0.5％～2％的偶聯(lián)劑組成，各組份總量100％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨涂層，其特征在于，所述的SiC顆粒，其 粒度為55(Vm 850|xm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨涂層，其特征在于，所述的環(huán)氧樹脂由 E_44環(huán)氧樹脂和E-51環(huán)氧樹脂按質(zhì)量比1: 1組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨涂層，其特征在于，所述的固化劑選取改 性胺T31、 二乙烯三胺、鄰苯二甲酸酐或二氨基二苯基甲烷中的一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨涂層，其特征在于，所述的固化促進劑選 用2,4,6三(二甲胺基甲基)苯酚-30、三乙胺或芐基二甲胺芐基三乙基氯化 胺中的一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨涂層，其特征在于，所述的增韌劑選取丁 腈橡膠、聚氨酯預(yù)聚體或聚醚酰胺中的一種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨涂層，其特征在于，所述的偶聯(lián)劑選用， 氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三過氧丁基硅垸或丙烯基三過氧基異丙基硅烷 中的一種。
8. —種將權(quán)利要求1所述耐磨涂層涂覆于金屬表面，在該金屬表面形成 耐磨保護層的方法，其特征在于，按以下步驟進行-步驟h對需涂覆涂層的鋼表面進行處理 取需涂覆涂層的鋼，對其表面進行處理； 步驟2:制備改性環(huán)氧樹脂按質(zhì)量百分比，分別取環(huán)氧樹脂67% 72%、固化劑12.5% 13.5、固 化促進劑2.5% 4.5%、增韌劑12.5% 13.5°/。和偶聯(lián)劑0.5% 2%，各組份 總量100%，均勻混合，制得改性環(huán)氧樹脂；步驟3:對SiC顆粒進行處理取SiC顆粒，放入丙酮中浸泡0.5h 2h，然后，清洗10分鐘 30分鐘， 烘干；步驟4:制備涂層按質(zhì)量百分比，分別取步驟2制得的改性環(huán)氧樹脂30% 40%和步驟3 處理后的SiC顆粒60% 70%，各組份總量100%，混合均勻，然后，均勻 涂覆于經(jīng)步驟1處理后的鋼表面，厚度為3mm 8mm，室溫固化，在金屬表面形成耐磨保護層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于改性環(huán)氧樹脂和SiC顆粒的耐磨涂層及制備方法，耐磨涂層按質(zhì)量百分比，由30％～40％的改性環(huán)氧樹脂和60％～70％的SiC顆粒組成，上述組份總量100％；其中的改性環(huán)氧樹脂，按質(zhì)量百分比，由67％～72％的環(huán)氧樹脂、12.5％～13.5的固化劑、2.5％～4.5％的固化促進劑、12.5％～13.5％的增韌劑和0.5％～2％的偶聯(lián)劑組成，各組份總量100％。將改性環(huán)氧樹脂和SiC顆?；旌暇鶆蚝笸扛灿诒砻娼?jīng)過處理的鋼表面，室溫下固化，在鋼表面制得耐磨涂層。本發(fā)明涂層具有較高的耐磨、耐熱和耐腐蝕性，可延緩低應(yīng)力沖蝕工況下工作的零部件的磨損，延長其使用壽命。
文檔編號C09D163/00GK101381580SQ20081023190
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者呂振林, 永 崔, 邢志國, 鑫 魏 申請人:西安理工大學(xué)