Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1. Нанесение покрытий для защиты от коррозии 1.1
1.2. Использование полимерных материалов для нанесения коррозионностойких покрытий 18
1.3. Технологические особенности термоструйных методов формирования защитных полимерных покрытий и их свойства 23
1.4. Цель и задачи исследования 38
1.5. Выводы по первой главе 40
Глава 2. Оборудование, материалы и методика проведения исследований 42
2.1. Разработка конструкции термораспылителя для нанесения коррозионностойких полимерных покрытий 42
2.2. Методики исследования физико-механических и физико-химических свойств покрытий, напыляемые материалы 46
2.3. Полимерные порошковые материалы и их характеристики 54
2.4. Методика проведения эксплуатационных испытаний 59
2.5. Обработка результатов исследований 61
2.6. Выводы по второй главе 62
Глава 3. Моделирование теплофизических процессов при напылении покрытий из полимерных материалов 64
3.1. Моделирование процесса нагрева полимерной частицы в факеле термораспылителя 64
3.2. Моделирование плотности теплового потока при газотермическом нанесении покрытий из полимерных материалов 74
3.3. Расчет тепловой нагруженности основы при напылении полимерных покрытий 82
3.3.1. Влияние температурного режима на процесс формирования покрытий из полимерных материалов 82
3.3.2. Решение тепловой задачи для нанесения полимерного покрытия на цилиндрическую полую деталь 84
3.4. Выводы по третьей главе 98
Глава 4. Влияние режимов напыления на физико- механические и физико-химические свойства покрытий 100
4.1. Влияние состава горючей смеси и дистанции напыления на прочность сцепления покрытий 100
4.2. Кинетика изменения адгезии покрытий в зависимости от грануляции и состава наносимой шихты 106
4.3. Исследование структурных изменений и коррозионной стойкости напыленных покрытий 112
4.4. Выводы по четвертой главе 117
Глава 5. Разработка технологии гпн полимерных коррозионностойких покрытий, эффективность применения и рекомендации по ее использованию 120
5.1. Разработка технологии газопламенного напыления полимерных коррозионно стойких покрытий 120
5.2. Нанесение экспериментальной партии защитных покрытий и определение их коррозионной стойкости 125
5.3. Экономическая эффективность разработанной технологии и область ее рационального использования 128
5.4. Выводы по пятой главе 131
Основные результаты и выводы 133
Литература
- Технологические особенности термоструйных методов формирования защитных полимерных покрытий и их свойства
- Методики исследования физико-механических и физико-химических свойств покрытий, напыляемые материалы
- Решение тепловой задачи для нанесения полимерного покрытия на цилиндрическую полую деталь
- Исследование структурных изменений и коррозионной стойкости напыленных покрытий
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из ключевых проблем безотказной эксплуатации техники является защита ее от коррозии. Коррозионная активность окружающей среды и техногенное загрязнение к настоящему времени достигли такого уровня, что потери материалов из-за коррозии стали соизмеримы с объемами их выпуска, а затраты на защиту от нее машин и оборудования - с основными производственными затратами.
В совокупности средств защиты металлов от коррозии особое место занимают полимеры, сочетающие в себе высокую химическую стойкость и непроницаемость для различных сред. Самой простой и экономичной формой полимерных противокоррозионных элементов являются покрытия, удельная материалоемкость которых (отношение массы элемента к объему защищаемого металла) в 5 - 20 раз меньше, чем у других видов полимерных средств противокоррозионной защиты. Применение полимерных покрытий отвечает также тенденции экономного расходования углеводородного сырья, ресурсы которого ограничены и практически не возобновляются.
Покрытия, формируемые из дисперсных полимеров, успешно заменяют традиционные лаки и краски, технологию гальваники, гуммирование. В частности, трудоемкость работ при замене окраски жидкими лакокрасочными материалами и гальванопокрытий на нанесение полимерных порошков снижается в 2 - 3 и 6 - 8 раз соответственно. Отделка поверхности деталей и изделий порошковыми полимерными материалами является одной из немногих отраслей промышленного производства, где не наблюдается спада.
Анализ методов нанесения полимерных покрытий показывает, что одной из наиболее экономичных и простой в реализации технологией является газотермическое напыление (ГТН), и, в частности, газопламенное напыление (ГПН), позволяющее формировать и оплавлять слой в одной технологической операции. Оборудование для ГТН имеет малый вес и габариты, не требует источников электропитания, может эксплуатироваться в нестационарных условиях. Вместе с тем, в литературных источниках отсутствуют технологические рекомендации, позволяющие создать коррозионностоикие поверхностные слои ГПН на поверхностях деталей машин и элементов конструкций.
Изложенное дает основание считать актуальной тему диссертационной работы, посвященной обоснованию и разработке технологии формирования коррозионностойких покрытий ГПН порошковых полимерных материалов.
Цель работы заключается в комплексном решении проблемы обеспечения эксплуатационной надежности металлических эле-
ментов конструкций, подверженных воздействию агрессивных сред, путем разработки технологии и оборудования для ГТН защитных покрытий из полимерных порошков, определение закономерностей влияния условий ГПН на свойства защитных покрытий из полимерных порошков.
Поставленная цель исследований достигается решением следующих задач:
разработать оборудование для ГТН полимерных порошков с коэффициентом использования материала не менее 0,85, обеспечивающее требуемый диапазон тепловых и динамических характеристик факела;
определить оптимальную величину плотности теплового потока факела при напылении порошков термопластичных полимеров;
выработать рекомендации по стабилизации температурного режима при напылении полимерных покрытий на наружную поверхность длинномерных изделий;
изучить влияние технологических параметров процесса ГТН на адгезию и структуру формируемых покрытий, а также на стойкость в агрессивных средах;
- разработать технологические рекомендации по нанесению
коррозионностойких покрытий на крупногабаритные детали и эле
менты конструкций ГТН полимерных порошков, исследовать кор
розионную стойкость покрытий и внедрить их в производство.
Научная новизна работы:
проведен теоретический анализ процесса нагрева полимерного порошка в среде продуктов сгорания пропано-воздушной смеси и определен образующийся при взаимодействии частицы и пламени удельный поток конвективной теплоотдачи газового пламени, достаточный для проплавлення частиц порошка, но не перегревающий их выше 1,5Тл,,;
выполненный теоретический расчет оптимальной плотности теплового потока при ГТН порошков из термопластичных полимерных материалов показал, что для эффективного процесса ГПН полимеров с различными теплофизическими характеристиками необходим термораспылитель, обеспечивающий управление процессом теплообмена в системе «факел - частица полимера» плавной и точной регулировкой плотности теплового потока q в пределах (1-3)-1(ГВт/м2;
разработана конструкция полимерного термораспылителя (малый патент № TJ 89), обеспечивающего эффективное ГПН порошков с максимальной производительностью 3,5 кг/ч при незначительном угле конуса распыла порошка, истекающего из сопла;
на основе решения уравнения теплопроводности получено ана-
литическое выражение для расчета температурного поля в конечном полом цилиндре при движении по винтовой линии по его наружной поверхности нормально-полосового источника тепла, учитывающего суммарное тепловложение в основу от газополимерной струи.
Практическая ценность работы:
разработаны общие и частные методики получения и исследования напыленных покрытий, а также получены результаты лабораторных и эксплуатационных испытаний;
установлено, что наибольшие значения прочности сцепления достигаются при использовании окислительного пламени и порошков с наименьшим размером частиц. Однако, для обеспечения у напыленных порошковых слоев уровня физико-механических свойств, близких к свойствам литых полимеров, необходимо свести к минимуму воздействие как факела пламени, так и окислительных свойств окружающей среды;
определено, что наиболее высокую адгезию во всем исследуемом диапазоне дистанций напыления имеют покрытия из полиэти-лентерефталата;
экспериментальными исследованиями установлено, что при нанесении различных полимерных покрытий наибольшая адгезия достигается напылением порошков с размерами частиц от 150 до 300 мкм, причем максимальная прочность сцепления покрытий с основой наблюдается при соблюдении следующего соотношения между минимальным и максимальным диаметром частиц в шихте: dmJdmin< (1,8*2,0);
методом инфракрасной спектроскопии установлено, что при газопламенном формировании полимерных покрытий с помощью разработанного оборудования и выбранных режимов напыления окислительная деструкция поверхности покрытия незначительна.
Результаты исследований апробированы и внедрены:
в ГУПО «Таджикстекстильмаш» Министерства энергетики и промышленности Республики Таджикистан-в ремонтных подразделениях при восстановлении гальванических ванн;
в Таджикском техническом университете имени академика М.С. Осими Министерства образования Республики Таджикистан при разработке комплексного модуля НИР по новым материалам, конструкциям и технологиям.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований
процесса нагрева полимерного порошка в среде продуктов сгора
ния пропано-воздушной смеси;
результаты, определяющие значения адгезии покрытий из по-лиэтилентерефталата в исследуемом диапазоне дистанций напыления;
разработанное оборудование для ГТН полимерных порошков с коэффициентом использования материала не менее 0,85:
технология нанесения коррозионностойких покрытий на крупногабаритные детали и элементы конструкций ГТН полимерных порошков;
результаты определения влияния режимов напыления на физико-механические свойства исследуемых покрытий;
аналитическое выражение решения уравнения теплопроводности для расчета температурного поля в конечном полом цилиндре при движении по винтовой линии по его наружной поверхности нормально-полосового источника тепла;
математическая модель распределения температурного поля в конечном полом цилиндре;
технико-экономическое обоснование применения разработанных коррозионностойких покрытий с целью их внедрения в производство.
Достоверность результатов исследований подтверждена:
необходимым объемом и повторяемостью экспериментальных данных, полученных в лабораторных и натурных условиях;
расчетными данными, полученными при оптимизации моделей теплового баланса деталей на персональном компьютере (ПК);
идентичностью результатов теоретических и экспериментальных исследований с помощью лабораторного оборудования и расчетных данных на ПК.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 1-ой и П-ой Международной научно-практической конференции (НПК) «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (г.Душанбе, ТТУ, 2005-2007 гг.), 1-ой Международной НПК «Научно-технический прогресс и развитие инженерной мысли в XXI веке» (г.Худжанд, Худ-жандский филиал ТТУ им. академика М.С.Осими, 2007 г.), 1-ой и П-ой Республиканской НПК «Из недр земли до горных вершин» (ГМИТ, г.Чкаловск, 2007-2008 гг.), Международной конференции, посвященной 60-летию ТГНУ (г.Душанбе, 2008 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 статей, получен малый патент Республики Таджикистан на изобретение. Из печатных работ 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 130 наименований и 2 приложений.
Общий объем диссертационной работы состоит из 152 страниц компьютерного набора. Основной текст диссертации изложен на 134 страницах, включая 36 рисунков и 16 таблиц.
Технологические особенности термоструйных методов формирования защитных полимерных покрытий и их свойства
Механизм коррозионного разрушения металлов прежде всего определяется типом агрессивной среды [46, 103, 106,]. Газовая коррозия происходит в контакте металла с химически активным газом, и в сухих окислительных газах при повышенных температурах на поверхности металлических изделий образуется слой твердых продуктов коррозии. Коррозия металлов в растворах (электрохимическая коррозия) протекает в виде двух реакций, - анодного растворения металла и катодного восстановления окислителя. Скорость и механизмы коррозионного процесса зависят от природы материала, его химического состава, состояния поверхности, наличия остаточных напряжений (внутренние факторы), а также от химического состава коррозионной среды и условий, при которых протекает процесс (внешние факторы).
Наличие агрессивных сред обусловливает преждевременный выход из строя деталей и узлов технологического оборудования, причем в 57 случаях из 100 причиной этого на предприятиях по переработке сельскохозяйственной продукции, химической, металлургической, горнодобывающей отраслей промышленности является коррозия металлов [103]. Во многих случаях, для поддержания работоспособности механизмов и элементов конструкций требуется не просто коррозионностойкий материал, а материал, который обеспечит чистоту и качество выпускаемой продукции, не повлияет на основной технологический цикл. Наиболее широко используемыми коррозионностой-кими материалами, отвечающими поставленным требованиям, являются распространенные нержавеющие стали типа 12Х18Н10Т, молибденсодержащие нержавеющие стали типа Х17Н55М16В (ЭП567) и ОН70М27Ф (ЭП496), сплавы на основе никеля, алюминия, титана, меди, а также полимеры. Помимо последних, стоимость коррозионностойких материалов достаточно высо 12 ка и их применение оказывается целесообразно только для оборудования энергетических установок, химического синтеза, авиационно-космической техники [42, 46, 80, 103, 106, 122].
Для борьбы с коррозией металлов принимают разнообразные меры, учитывающие особенности не только самого металла, но и условия его эксплуатации. К числу мер борьбы, основанных на оказании соответствующего противокоррозионного воздействия на металл, можно отнести: коррозионно-стойкое легирование, термообработку, применение различных покрытий, ингибиторов и смазок, а таюке использование электрохимической защиты [22, 47,84,90,91, 107,114].
Нанесение защитных покрытий - один из самых распространенных методов борьбы с коррозией. Создание на поверхностях деталей различного конструкционного назначения покрытий, комплексно улучшающих их служебные характеристики, относится к одному из наиболее эффективных, экономичных и широко применяемых в мировой практике приемов. В последние годы в странах СНГ и за рубежом (в Японии, Англии, США, ФРГ, Франции) проводится поиск эффективных материалов и технологий по формированию защитных покрытий на деталях, работающих в агрессивных средах, которые обеспечивали бы значительное повышение ресурса их работоспособности [4, 103, 116, 122]. Покрытия не только могут защитить от коррозии, но и придать поверхности ряд ценных физико-механических свойств: износостойкость, теплозащиту, отражательную способность, электроизоляцию или электропроводность, декоративную отделку и т.п. Для повышения коррозионной стойкости деталей наносят на заготовки из сравнительно недорогих конструкционных материалов покрытия из сплавов на основе никеля и кобальта, тантала, титана, молибдена, оксидокерамики и полимеров. Однако в Таджикистане, в настоящее время, по ряду причин технологические процессы формирования таких покрытий недостаточно отработаны, а в некоторых случаях и вовсе отсутствуют [1-4, 10, 24, 104]. Покрытия по виду (исходя из природы наносимого материала) делят на неорганические, органические и комбинированные [92]. К неорганическим покрытиям относятся металлические, стеклоэмалевые, керамические и композиционные, которые могут включать компоненты любого неорганического происхождения. Коррозионная стойкость, износостойкость и сопротивление механическому воздействию у неорганических покрытий значительно выше, чем у защитных слоев на органической основе.
Металлические покрытия наносят, используя четыре основных приема: химико-термический, химический, электрохимический и механотермическии [19,50,75,76,90,93,113,125].
Химико-термический метод объединяет способы диффузионного насыщения металлами и неметаллами поверхностного слоя основного металла при нагреве в среде, содержащей образующие покрытие элементы. Сюда входит диффузионное насыщение из твердой, паровой, газовой и жидкой фаз.
При насыщении из твердой фазы изделие помещают в порошкообразные смеси, содержащие насыщающий элемент [75]. Насыщение из паровой фазы осуществляется испарением насыщающего элемента, как правило, в вакууме с последующим осаждением его на поверхность изделия [113]. Насыщение из газовой фазы проводят из газообразных химических соединений, обычно галогенидов, или добавлением в порошкообразную смесь легкоразлагающихся соединений, продукты распада которых взаимодействуют с порошком насыщающего элемента и образуют нужную газообразную фазу. Насыщение из жидкой фазы осуществляют в расплавленных металлах и солях, содержащих насыщающий элемент.
Недостатками методов диффузионного насыщения являются изменение структуры основы вследствие действия высоких температур и невозможность покрытия крупногабаритных металлоконструкций.
Химический метод объединяет способы, при которых нанесение по 14 крытий представляет собой процесс осаждения продуктов химической реакции элементов покрываемого изделия со средой, содержащей образующие покрытие элементы, путем восстановления, внутреннего электролиза или контактного обмена. Покрытие при нанесении химическим методом формируется путем кристаллизации продуктов химической реакции на активной поверхности изделия. К химическому методу относятся способы пиролити-ческого разложения, химического никелирования и хромирования, оксидирования, фосфатирования и др. Практически метод заключается в восстановлении солей металлов из растворов [19]. При этом получаются покрытия, достаточно однородные на неровных поверхностях, обладающие повышенной твердостью и износостойкостью. Однако применение метода ограничено преимущественно нанесением никеля и хрома, кроме того, скорость осаждения сравнительно низка (около 8 мкм/мин).
Электрохимический метод объединяет способы, при которых нанесение покрытий происходит в результате процессов электрохимического выделения металлов из среды, содержащей ионы осаждаемых веществ, при пропускании электрического тока от внешнего источника через границу раздела "среда - электролит". Покрытия, получаемые электрохимическим методом, могут осаждаться из растворов солей, расплавов и соединений, находящихся в виде газа [90].
К электролитическому методу относятся способы: электрофоретиче-ский, гальванический и др. При электрофоретическом способе перемещение частиц, взвешенных в жидкости, происходит под влиянием приложенного электрического поля. При движении частицы оседают на электродах или помещенных на их пути предметах. Недостатком способа является необходимость последующего уплотнения и спекания покрытий, а также наличие нежелательных включений из электрофоретических осадков.
Методики исследования физико-механических и физико-химических свойств покрытий, напыляемые материалы
В результате теоретических исследований [96], проведенных сотрудниками ИЭС им. Патона НАН Украины установлено, что для получения плотных покрытий при минимальном содержании низкомолекулярных продуктов термоокислительной деструкции плотность теплового потока должна нахо-диться в пределах 0,5 - 1,4-10 Вт/м . При этом был сделан вывод о предпочтительности газопламенного напыления полимерных покрытий по сравнению с плазменным. Исследования, проведенные в Академии Наук Беларуси [11] подтвердили эти данные, хотя несколько расширили диапазон допустимых значений плотности теплового потока до 3,0-106 Вт/м2.
Основным недостатком всех известных пропано-воздушных термораспылителей является большой угол конуса распыла (более 30) полимерного порошка, истекающего из соплового наконечника, что отрицательно сказывается как на процессе напыления, так и на физико-механических характеристиках формируемых покрытий. Часть порошка, летящая по периферии конуса факела, не прогревается в пламени, и для ее прогрева необходимо увеличивать плотность теплового потока пламени.
Качество формируемых покрытий при газопламенном напылении во многом зависит от размера и формы частиц полимеров, их плотности и влажности, тешгофизических и электрофизических свойств, однако работоспособность покрытий во многом определяется их адгезией, обусловленной качеством подготовки покрываемой поверхности. Цель подготовки — очистить поверхность от жиров, ржавчины, окалины и других загрязнений, придать поверхности дополнительную шероховатость, активировать поверхность или создать на ней промежуточный защитный слой.
Загрязнения поверхности всех видов являются барьером, препятствующим контакту частиц напыляемого материала и материала основы. Поэтому удаление загрязнений — это устранение негативных факторов, влияющих на прочность сцепления с основой. Однако существуют и позитивные факторы, которые способствуют повышению прочности сцепления. Они от-носятся к воздействию на материал основы, что способствует активации атомов и молекул, находящихся на поверхности основного материала, т. е. повышению их среднего энергетического уровня и увеличению площади контакта материалов покрытия и основы [17].
Главные способы активирования химических процессов путем воздействия на материал основы — это повышение температуры, создание напряженного состояния поверхности (наклепа), увеличение шероховатости поверхности. Повышение температуры подложки приводит к увеличению внутренней энергии атомов и молекул, которая достигает значения, необходимого для осуществления химической реакции. Создание напряженного состояния поверхности (наклепа) приводит к аккумулированию энергии на поверхности в результате пластической деформации и, как следствие, к повышению прочности сцепления.
Увеличение шероховатости поверхности связано с образованием на ней рельефного слоя в результате механического или химического разрушения поверхности основы. Вследствие этого увеличивается количество связей с напыляемой жидкой частицей, повышается работа адгезии, а вместе с тем и прочность соединения.
Известен ряд методов формирования шероховатости [101, 102]: химическое травление, электроэрозионная и механическая обработка. Струйно-абразивная подготовка поверхности - один из способов механической обработки, представляет собой процесс, при котором измельченные абразивы или металлы, обладающие большей твердостью, чем материал очищаемой поверхности, при помощи воздуха, центробежных устройств или каким-либо другим способом подводят к поверхности очищаемой детали [97].
Струйно-абразивная обработка является наиболее распространенным методом подготовки из за возможности получения значительной шероховатости на поверхности термообработанных сталей и чугунов; простоты и доступности метода; реализации его на относительно дешевом оборудовании; легкости автоматизации. Эффективность струйно-абразивной обработки, а также степень шероховатости в основном зависят от твердости подложки, состава поверхностного оксида и толщины окисной пленки, твердости и размеров частиц абразива, скорости и угла наклона струи, расстояния от источника струи до подложки, давления и расхода воздуха (при пневматической подаче абразива).
В ряде работ, посвященных разработке процессов подготовки различных деталей технологического оборудования и транспортных систем к нанесению покрытий, исследовалось влияние основных режимов струйно-абразивной обработки на параметры шероховатости [32, 45, 59]. Показано, что с увеличением скорости потока абразива прочность сцепления возрастает, а затем появляется тенденция к ее снижению [45]. Отмечено также, что увеличение времени выдержки обработанной абразивом поверхности до момента напыления (до 24 ч) приводит к снижению прочности сцепления в два раза. В то же время при хранении обработанных абразивом образцов в сухой атмосфере в течение 27 суток снижения прочности сцепления не наблюдается, тогда как в присутствии влаги резкое снижение прочности сцепления происходит через 1 ч, а через 120 ч сцепление отсутствует [108].
Наиболее высокая прочность сцепления обеспечивается при использовании корундового порошка с размером частиц 0,8 - 1,6 мм. Однако однозначно использовать приведенные рекомендации невозможно, так как авторы публикаций в своих исследованиях использовали самые различные конструкции камер для струйно-абразивной обработки и пистолеты, имеющие разные диаметры выходных сопел.
Решение тепловой задачи для нанесения полимерного покрытия на цилиндрическую полую деталь
Адгезионную прочность полимерных покрытий, полученных газопламенным напылением, исследовали с помощью штифтового метода оценки прочности сцепления, заключающегося в отрыве штифта от слоя нормально приложенной нагрузкой [23, 73]. Методика включает следующие основные операции: подготовка образцов для напыления; нанесение полимерного покрытия; определение его адгезионной прочности.
Штифтовой метод оценки прочности сцепления прост в реализации и даёт возможность быстрого получения результатов с достаточно высокой точностью. Данные преимущества и возможность многократного применния используемых образцов для исследований обусловили его широкое распространение.
Образцы для определения адгезионной прочности штифтовым методом изготавливались из материала Сталь 45 ГОСТ 1050-88 (рис. 2.4). Образец для измерения адгезионной прочности штифтовым методом (1 - фланец — подложка, 2 - штифт, 3 - корпус).
Образец представляет собой сборочное изделие, состоящее из трёх деталей - корпуса 3, фланец - подложки 1 и штифта 2. Штифт, выполненный в виде конуса с отверстием, устанавливается в фланец - подложке, на которую наносится покрытие. Корпус предназначен для жёсткой фиксации штифта в фланец - подложке и для установки образца в приспособлении для напыления (рис. 2.5). Приспособление закреплялось в патроне токарного станка и позволяло наносить покрытия на выбранном режиме напыления или материале сразу на несколько образцов, что повышало точность получаемых результатов. После установки и фиксации в корпусе торец штифта обрабатывался совместно с поверхностью фланец - подложки для формирования ровной поверхности под напыление. Рис. 2.5. Внешний вид приспособления с установленными перед напылением образцами, предназначенными для исследования адгезии покрытий.
Непосредственно перед процессом нанесения покрытия производилась предварительная подготовка поверхности образцов под напыление, заключающаяся в удалении окисной плёнки и жировых загрязнений. Далее, согласно плану экспериментов, поверхность подготавливалась с помощью струйно-абразивной обработки, или покрывалась фосфатной пленкой. Режимы подготовки поверхности явились предметом исследования, поэтому они описаны в следующей главе.
Следует отметить, что после проведения совместной предварительной обработки торца штифта и поверхности фланец - подложки, необходимо было извлекать штифт из подложки для устранения искажений результатов эксперимента, возникающих из-за появления «спаек», образующихся в результате совместной механической обработки штифта и подложки.
После формирования покрытия и охлаждения его до комнатной температуры фланец - подложку со штифтом извлекали из корпуса и устанавливали в разрывную машину или в устройство, включающее приспособление для установки образца, динамометр для определения усилия отрыва и гидропри вод для приложения усилия. Замеряя усилие отрыва штифта от подложки и разделив полученные значения силы на площадь торца штифта (12,56 мм ), получали величину адгезионной прочности покрытия.
Для измерения толщины полимерных покрытий использовали цифровой магнитный толщиномер МТЦ-2М, разработанный Институтом прикладной физики НАН Беларуси (рис. 2.6).
Морфологию частиц полимера изучали на растровом электронном микроскопе Nanolab-7 и оптическом микроскопе Neophot-ЗО. Оптическую микроскопию использовали также для определения толщины фосфатных пленок и размеров кристаллитов при различных режимах фосфатирования перед напылением композиционных полимерных покрытий.
Для исследования изменений структуры исследуемых полимерных покрытий при выборе режимов напыления и введении модификаторов использовали рентгеноструктурный анализ. Рентгенограммы получали на дифрак-тометре ДРОН-2,0, используя излучение линии Ка от трубки с медным антикатодом, фильтрованное на длине волны Я = 1,54 А. Для оценки фазового состава исследуемых систем рассчитывали степень кристалличности полимера по формуле
Для ускоренных испытаний полимерных покрытий на коррозионную стойкость была выбрана методика, сущность которой заключается в экспериментальном определении зависимости ресурса испытаний от свойств агрессивной среды [37]. Критерием отказа (предельного состояния) являлось снижение электрического сопротивления покрытия до величины сопротивления разрушения R „р.Крит.- В основу метода положен ГОСТ 9.083 - 78, распространяющийся на химически стойкие органические покрытия, применяемые для защиты металлических поверхностей от коррозии в водных растворах кислот или щелочей. Стандарт устанавливает методы ускоренных испытаний покрытий на долговечность, определяемую их ресурсом в агрессивных средах.
Испытания проводили в два этапа. На первом этапе оценивали наличие пор и пузырей. К покрытию, нанесенному на стальную пластину, прикрепляли воронку диаметром 55 мм и заливали дистиллированную воду, подкисленную соляной кислотой до рН 5-6. При температуре воды (20±5) С измеряли электрическое сопротивление покрытия при помощи тераомметра типа МОМ-4. Покрытие считалось безпористым, если начальная величина электрического сопротивления больше 106 Ом.
На втором этапе в воронку наливали агрессивную среду и через определенные интервалы времени измеряли электрическое сопротивление покрытия. Для определения значения приведенного электрического сопротивления покрытия в предельном состоянии (предельное сопротивление разрушения) проводили измерения в одном из наиболее жестких режимов до отказа всех образцов и находили зависимость электрического сопротивления каждого образца от продолжительности испытания.
Исследование структурных изменений и коррозионной стойкости напыленных покрытий
При реализация процесса газопламенного напыления полимерных покрытий особое внимание должно уделяться соблюдению температурного режима напыления, при этом температура основы в процессе напыления должна поддерживаться в достаточно узком диапазоне, поскольку напыляемый полимерный материал должен разогреваться до температуры, с одной стороны, обеспечивающей его растекание по поверхности основы, а с другой стороны, не допускающей «сползания» полимерного покрытия с напыляемой поверхности и его деструкции. Наиболее высокие физико-механические свойства полимерных покрытий, нанесенных газопламенным напылением, получаются при напылении на достаточно коротких дистанциях (200...250 мм) [12, 77], и при этом тепловой поток от факела в верхний слой уже осевших на подложку частиц может быть соизмерим с тепловым потоком от этих частиц в основной металл. При нанесении полимеров с относительно низкой температурой плавления (ПЭТФ НТ, ПЭВД и др.) это приводит к значительному увеличению времени застывания частиц на подложке, в результате чего возможны расплавление и выдувание покрытия струей распыляющего газа. При этом на максимальную толщину слоя, который можно нанести без перегрева за один проход горелки, большое влияние оказывают дистанция напыления Ц,, температура поверхности основы Тп и плотность теплового газополимерного потока Qmm, регулируемая в термораспылителе расходом горючего газа Gsopi соотношением расхода горючего газа и газа-окислителя J3 и расходом газа активирующего потока GaKm .
Указанная на рис. 3.5 предельная толщина покрытия из полиэтиленте-рефталата, нанесенного без перегрева за один проход при различных режи 83 мах работы термораспылителя, определялась напылением на подогреваемый образец из стали 3 наружным диметром 70 мм, внутренним диаметром 60 мм и длиной 120 мм, температура поверхности которого контролировалась хро-мель-алюмелевой термопарой и потенциометром ПП-63. Снижение максимально допустимой температуры подложки при увеличении толщины покрытий объясняется экранированием поверхности основы ранее осевшими частицами, обладающими низкой теплопроводностью, и соответствующим повышением контактной температуры для последующих слоев частиц.
Таким образом, при дистанциях напыления порядка 200 - 250 мм возможно нарушение нормального процесса формирования полимерного покрытия даже при незначительном повышении температуры подложки. В связи с этим важно установить характер нагрева изделия при нанесении полимерного покрытия, а также определить конкретные технологические способы стабилизации температурного режима. При напылении покрытий на длинномерные детали (элементы металлоконструкций, направляющие станков и т.п.) тепловое состояние напыляемой поверхности определяется не только процессами передачи тепловой энергии от газовой горелки через пятно напыления, но и процессами распространения тепла в самой основе по механизму теплопроводности. Накопление тепловой энергии в основе вызывает нарушение температурных параметров напыления, оказывает влияние на протекание физико-химических процессов в зоне контакта покрытия и основы, и это вызывает необходимость оценки процессов теплопередачи в основе при напылении полимерных покрытий и корректировки технологических режимов напыления по мере перемещения горелки вдоль оси детали.
Решение тепловой задачи для нанесения полимерного покрытия на цилиндрическую полую деталь
При моделировании тепловых процессов в длинномерных трубных элементах, подвергаемых газопламенному напылению наружных поверхностей, рассматривалась тепловая задача в нижеследующей постановке.
По наружной поверхности ограниченного полого цилиндра движется по винтовой линии источник тепла B[(p,z,t), имеющий длину h и угловую ширину /3 (рис. 3.6). Требуется найти распределение температуры T[r,(p,z,t). Для упрощения расчета теплофизические характеристики материала цилиндра принимаются постоянными, теплообмен с окружающей средой отсутствует.
Похожие диссертации на Физико-химические основы формирования покрытий газотермическим напылением полимерных порошковых материалов
