Page 42 - 《摩擦学学报》2021年第1期

第 1 期 瞿学炜, 等: 石英添加量对搪瓷涂层微观结构及摩擦磨损性能的影响 39

brittle fracture. While the addition amounts of quartz were up to 8% and 12%, the enamel coatings had low porosity and
high pore density. And the size distribution of pores for 8% quartz coating was uniform, and the wear rate and wear track
depth were only one third of that of 0% quartz coating. Small pores with uniform diameter increased the energy barrier
for crack propagation during the friction process, and a dense self-lubrication accumulation layer of wear debris formed
on the worn surface because of the interception of the small uniform pores in enamel coating. The wear mechanism was
mainly abrasive wear.
Key words: quartz addition; enamel coating; porosity; density of pores; crack propagation

[18]
管道运输是继公路、铁路、海运和航空之后的第 通过增强对裂纹的束缚作用而提高涂层耐磨性 .
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五大运输方式，承担着各种能源和物料的输送任务 ， 采用一次浸搪法在Q235低碳钢表面制备不同矿
但管道常因运输物料对其的腐蚀与磨损而失效，造成 物石英(简称石英)添加量的搪瓷涂层，定量统计涂层
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巨大经济损失和灾难性事故 . 目前，工业领域油气运 气孔率和气孔密度并分析其对涂层耐磨损性能的影
输管道防腐蚀和磨损主要采用熔接环氧粉末涂层和 响规律，探究裂纹形成和扩展的机理，并得出阻碍裂
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阴极防护相结合的方式 . 然而有机涂层易老化、耐热 纹扩展的必要条件，以期为浸搪法制备搪瓷涂层并改
和耐磨性差，且与基体结合性不良等缺陷，为管道的 善其耐磨性提供实验参考和理论依据.
安全运行埋下隐患 [4-5] .
1 试验部分
搪瓷涂层是涂覆于金属表面的搪瓷釉料经700~
850 ℃高温烧结后形成的无机涂层，具有耐高温抗冲 1.1 试验材料
击、耐腐蚀抗氧化、耐摩擦抗划伤等诸多优异性能 [6-10] ， 采用搪瓷熔块、石英及黏土为主要原料制备搪瓷
但其低的断裂韧性易使涂层发生脆性断裂，且高的气 涂层，熔块主要成分列于表1中. 采用湿法球磨制备搪
孔率可增加磨损时的裂纹形核率 [11-12] . 添加磨加物可 瓷釉浆，其配合料配比数据列于表2中，以外加方式分
降低涂层气孔率，使磨损时裂纹形成和扩展受阻而改 别加入0%、4%、8%和12%的石英. 将配合料置于球磨
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善耐磨性 . 磨加物主要以硬质相颗粒和矿物添加剂 罐中，磨球采用Al O 小球，球料比为2 : 1，并加入适量
2
3
为主，其中硬质相可通过增强烧结时与气体间的相互 的水(占配合料质量50%)，经500 r/min球磨机球磨60 min
作用而降低涂层气孔率，但其因熔点高且与涂层结合 后得到搪瓷釉浆，将其过120目筛后陈腐3 ~ 6 d后进行
性差而对耐磨性改善效果不佳. 如添加SiC和WC颗粒 涂搪，其中筛余不超过配合料总质量的1%. 将尺寸为
均可增大摩擦时的阻力而使磨损过程更加剧烈 ，且 70 mm × 40 mm × 5 mm的Q235碳钢钢板置于高温电
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涂层磨损量随磨损时间的增加呈比例增长；Al O 颗 阻炉中，经650 ℃保温15 min，去除钢板表面油污后取
2
3
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粒可使涂层硬度提高，但其对气孔率影响较小 . 矿 出，采用角磨机将钢板表面氧化皮和铁锈打磨掉，并
物添加剂与涂层具有较好的相容性，并可通过改变涂 在乙醇溶液中清洗后备用.
层烧结时的黏度而影响气孔率，如长石对涂层烧结时 1.2 涂层的制备
黏度的影响较小，因此无法有效抑制摩擦时裂纹的形 通过加水将陈腐后的搪瓷釉浆搅拌均匀并使其
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核过程 ；锂辉石因其在涂层中的溶解度小，未溶解 容重调至为165~170 g / 100 ml，然后将表面洁净的钢
的颗粒易在磨损时剥落而引起大面积损伤而使磨损 板浸没在釉浆中2 s后取出，擦去背部多余的釉浆后在
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加剧 ；石英与层中具有较好的相容性和亲和力，可 空气中自然干燥2 h，然后转移至120 ℃的干燥箱中保

表 1 搪瓷熔块成分(质量百分比)
Table 1 Composition of enamel frit (weight fraction)

w(SiO 2 , B 2 O 3 )/% w(BaO+Al 2 O 3 +CaO)/% w(Na 2 O+K 2 O)/% w(CoO+NiO)/% w(TiO 2 +Sb 2 O 3 )/%
55.2 19.8 16.4 5 3.6

表 2 搪瓷釉浆配合料组成(质量百分比)
Table 2 Composition of enamel slurry(weight fraction)

w(frit)/% w(quartz)/% w(clay)/% w(adherence promotors)/% w(sodium nitrite)/%
100 0 ~ 12 6 1.5 0.2