绢云母对无机硅酸锌涂层磨损性能的影响

桑玮玮，陈海军，陈 丹

(河南工程学院 机械工程学院，河南 郑州 451191)

无机硅酸锌涂料[1-4]具有长效的防腐蚀性能，常被用于大型钢铁构件的重防腐防护工程中，但是由于耐磨性能不佳，一般只用作防护底漆.增强无机硅酸锌涂料的耐磨性能，可以扩大涂料的应用空间并提高经济综合效益.

无机硅酸锌涂料是一种液固两相分开的双组分体系，固相成分主要是锌粉，通常添加硬质颗粒增强相是改善涂料磨损性能最直接和最常用的方法，在涂料中应用较多的云母粉是绢云母.绢云母属于层状结构硅酸盐，具有高纵横比的晶体片状结构，为云母族矿物中呈极细鳞片状的白云母亚种，晶体结构呈二八面体，即由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体构成，四面体的顶氧(活性氧)与附加阴离子(OHˉ)位于两层六面网的中央，构成活性结晶水基团[5-8].

绢云母粉兼具云母类矿物和黏土类矿物的多种特点，具有极好的化学稳定性、自润滑性、流动性和吸水性,它径厚比大、耐磨性好、耐高温(600 ℃以上)、耐化学品腐蚀、白度高并具有良好的屏蔽紫外线和抗红外辐射等功能.本研究将绢云母添加在涂料的固相成分中，可以在保证不减弱涂层耐蚀性能的前提下，增强涂膜与基质的附着力和涂膜强度，改善涂膜的表观.并且，绢云母的活性羟基基团容易与无机硅酸锌涂料基液中的溶剂分子链相结合，可以提高涂料的耐磨性能，从而扩大涂料的应用领域.

1 实验

1.1 材料

本研究选用的液相组分为实验室自制的硅酸钾黏结剂溶液，固相组分为北京矿冶研究总院生产的KFZn系列超细高活性1 000目锌粉，绢云母作固相增强改性材料，相关技术参数见表1.涂覆基材为45钢，试样规格为60 mm×40 mm×5 mm.实验选择刷涂，涂覆每层表干后再涂覆第二层，为保证涂层厚度及质量，最终选择3层涂覆.

表1 绢云母的相关数据

1.2 绢云母的添加比例

在保证无机硅酸锌涂料固有的优良腐蚀性能不降低及磨损性能有所改善的前提下，根据前期研究，固相改性组分的添加应不高于质量分数的15%、不低于质量分数的3%.考虑到绢云母粉具有一定的触变性能，在涂料中使用会起到一定的增稠效果，实验以添加比例为固相成分质量分数的3%～10%对比，观察涂料的黏度、增稠现象及涂敷涂层的表观现象，结果见表2.

表2 绢云母的添加比例

由表2可知，为了保证涂层质量和尽可能多添加绢云母的情况下，最佳添加比例为质量分数5%(为绘图方便，下文中标定纯锌涂料为Z00，绢云母改性涂料为ZJ5).

1.3 实验设备

实验采用WMT-1型微磨损实验机，压头采用GCr15钢球，运用干磨损的方法对涂层的摩擦磨损性能进行测试.以相同载荷及时间下磨损前后涂层失质量作为判断涂层耐磨性能的指标，同时对比磨损过程中摩擦系数的变化.

采用WS2005-4型附着力自动划痕仪，参照国际标准ISO 12137∶1997《色漆和清漆——耐划伤性的测定》进行耐擦伤性测试.恒载运行方式，在相同划痕长度、划痕速度及载荷下观察涂层的声发射信号.

2 结果与讨论

2.1 磨损实验

从图1可以看出，未加绢云母的无机硅酸锌涂层的摩擦系数在0.5左右，而绢云母增强无机硅酸锌涂层的摩擦系数在0.25左右，摩擦系数明显降低.并且，摩擦系数曲线变得平缓，微磨损的失质量降低.摩擦系数的大小与其摩擦行为有关，也与摩擦力的来源有关.根据文献[9]的观点，相对滑动材料表面的摩擦系数由以下3部分组成——微凸体的变形分量、磨粒和硬的表面微凸体的犁沟作用分量以及表面间的黏着分量.由摩擦曲线可见，两种涂层很快就达到了稳定摩擦磨损状态，绢云母增强无机硅酸锌涂层的摩擦系数在实验过程中比未加绢云母涂层的小得多，并且变化幅度也不大.这是因为涂层中绢云母可以有效减少微凸体的变形分量以及磨粒和硬的表面微凸体的犁沟作用分量.

图1 固相改进磨损实验对比图

图2为低倍磨损显微形貌，可以宏观评价磨痕的大小并衡量磨损情况.图中较暗区域为磨痕，可以看到添加绢云母的涂层磨痕边缘比纯锌涂层规则，磨痕圈变窄，磨痕区域变得光滑.

图2 低倍下涂层的微磨损形貌(SEM，300×)

图3为800倍SEM，可以观察到将磨痕区域放大后涂层均出现塑性变形和犁沟，纯锌涂层反复塑变出现剥落现象，添加绢云母的涂层剥落现象不明显，磨痕区域相对平整.

图3 高倍下涂层的磨损表面形貌 (SEM,800×)

WMT-1型微磨损实验机的压头是GCr15钢球，涂层表面犁沟的产生是由于GCr15钢球表面存在硬的微凸体，涂层与钢球表面摩擦磨损过程中，钢球表面硬的微凸体压入软的涂层基体中，随着摩擦副的相对滑动，钢球表面微凸体对涂层表面产生平行与滑动方向的犁沟，这是典型的磨料磨损.

剥落产生的原因可以用剥层磨损理论[10]来解释，按照材料的剥层磨损理论，涂层的剥层磨损是由两个不可缺少的过程组成，一个是裂纹的形成，另一个是裂纹的扩展.涂层在钢球微凸体的循环挤压应力作用下，涂层表面的孔隙等裂纹缺陷将会逐渐扩展失稳或在其边缘形成新的微裂纹，最后扩展失稳导致剥落.

由于绢云母粉体的颗粒比较大，在涂层表面形成了明显微凸体，与GCr15钢球在摩擦磨损过程中，作为主要的载荷承载体，减轻了GCr15钢球表面的微凸体对涂层基体锌颗粒的磨损程度.基体锌粉颗粒硬度低，塑性变形大，在磨损过程中，锌颗粒本身首先发生塑性变形，在反复塑性变形作用下出现剥落，而绢云母由于硬度的增强不易变形或变形很小，主要以犁沟为主，剥落现象消失，摩擦系数降低，耐磨性提高.

2.2 声发射实验

针对无机硅酸锌涂层，声发射信号是由划痕时涂层表面产生裂纹或剥落时发出的声音产生的，声发射信号的强度表征了划痕时涂层表面产生裂纹的难易程度和多少，所以相同参数下涂层在划痕过程中随划痕距离的延长产生的声发射信号强度曲线对比可以评定涂层的耐擦伤性能.

相同参数下添加绢云母涂层使得声发射信号的强度相对降低，如图4所示.图5为擦伤实验低倍形貌，图中暗色区域为划痕，可以直观地看到同等条件下添加绢云母的涂层划痕宽度变窄，划痕两侧粉体堆积物减少，划痕区域表面变得平滑.高倍SEM擦伤实验的显微形貌观察可以看到，锌粉的塑性变形随改性成分的加入变弱，相同载荷下涂层剥落减轻，划痕区划痕表面变得相对光滑，如图6所示.

图4 涂层划伤时的声发射信号强度与划痕距离的关系

图5 擦伤实验低倍形貌 (SEM, 100×)

图6 擦伤实验显微形貌(SEM, 800×)

无机硅酸锌涂层在金刚石压头的滑动下，表面发生显微擦伤，故其磨损机制主要以显微擦伤为主.在这种机制的作用下，擦伤面比较光滑，看不到明显的磨沟，只有大量细小的擦痕，所以SEM图中观察不到明显的磨沟，划痕区相对平整.

高倍SEM图划痕区观察可知，纯锌涂层的塑性变形最大，剥落现象严重，添加绢云母涂层表面的锌颗粒的塑性变形不同程度地减弱，颗粒剥落的现象明显减少.原因在于锌粉自身的塑性较好，在金刚石压头的作用下发生了严重的塑性变形，而绢云母的添加在涂层中充当了增强相，一方面阻止了应力作用下引起的微裂纹的产生及扩展，另一方面改性成分增强了涂层抵抗变形和切削的能力，减弱了涂层表面的划伤程度，增强了涂层的抗擦伤性.

3 结论

(1)在干滑动摩擦磨损条件下，绢云母增强无机硅酸锌涂层的摩擦系数降低并且变得平稳；绢云母提高了涂层的承载能力，降低了磨损失质量.

(2)干滑动摩擦磨损显微组织显示，绢云母增强涂层的磨损主要以犁沟为主，磨损表面几乎没有剥落坑存在，涂层中添加适量的绢云母可以起到显著的减摩作用.

(3)在擦伤实验中，在相同的实验载荷下，添加绢云母涂层使得声发射信号的强度相对降低，表征绢云母增强无机硅酸锌涂层的抗擦伤性能显著好于未添加绢云母的无机硅酸锌涂层.

(4)擦伤磨损显微组织显示，在相同载荷下，绢云母增强无机硅酸锌涂层划痕两侧的粉体堆积物减少，划痕区域表面变得平滑，划痕上锌粉颗粒的塑性变形较小，磨损机理为显微擦伤磨损，提高了抗擦伤性能.

参考文献：

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