Д.т.н. Белоцерковский М.А., студент Ярош В.И.

Белорусский национальный технический университет, Минск. Беларусь

Оценка технологических факторов, влияющих на адгезию газопламенных композиционных полимерных покрытий

В последние годы во всех промышленно развитых странах интенсивно разрабатываются технологии создания композиционных материалов на основе полимеров и методы нанесения покрытий из них. Упрочнение и восстановление быстроизнашивающихся деталей машин и элементов конструкций методом газопламенного напыления покрытий является одним из самых интенсивно развивающихся направлений в ремонтном производстве, при создании ресурсосберегающих технологий, защите от коррозии.

Целью проведенных экспериментальных исследований было определение влияния содержания неорганического наполнителя в полимерном покрытии и среднего размера частиц напыляемого полимерного порошка на прочность сцепления покрытия с основой.

Для напыления полимерного порошка на основу в исследованиях использовался порошковый полимерный термораспылитель (рисунок 1), разработанный в Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси. Терпораспылитель предназначен для газопламенного напыления покрытий порошками полимерных материалов и оплавления полимерных слоев, нанесенных на детали, которые необходимо защитить от коррозии, эрозии, кавитации, износа и других воздействий. Для работы термораспылителя необходимо наличие сетей подвода воздуха и пропана.

Адгезионная прочность полимерных покрытий, полученных газопламенным напылением, исследовалась с помощью штифтового метода оценки прочности сцепления, заключающегося в отрыве штифта от слоя нормально приложенной нагрузки. Методика включает следующие основные операции: подготовка образцов для напыления; нанесение полимерного покрытия; определение его адгезионной прочности.

Образец для определения прочности сцепления изготовлен из материала Сталь 45 ГОСТ 1050-88 и представляет собой сборочное изделие, состоящее из корпуса 3, фланца-подложки 1 и штифта 2. Штифт, выполненный в виде конуса с отверстием, устанавливается во фланец-подложку, на которую наносится покрытие. Корпус предназначен для жёсткой фиксации штифта во фланце-подложке и для установки образца в приспособлении для напыления (рисунок 3).

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 фланца-подложки для формирования ровной поверхности под напыление.

Непосредственно перед процессом нанесения покрытия производилась предварительная подготовка поверхности образцов под напыление, заключающаяся в удалении окисной плёнки и жировых загрязнений. Далее поверхность подготавливалась с помощью струйно-абразивной обработки или покрывалась фосфатной пленкой.

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 гидропривод для приложения усилия. Замеряя усилие отрыва штифта от подложки и разделив полученные значения силы на площадь торца штифта (12,56 мм²), получали величину адгезионной прочности покрытия.

Исследования по оценке влияния количества неорганического наполнителя на адгезию полимерных покрытий, полученных газопламенным напылением порошков, проводились следующим образом. В качестве неорганических добавок использовались порошки следующих веществ: ситалл (измельченное стекло марки ВВС) с размером частиц 200–300 мкм и алюминиевая пудра с размером частиц 25–50 мкм. Данные неорганические добавки вводились в различных количествах в полимерный порошок (полиэтилен высокого давления) и смешивались с образованием композиционного состава. Далее производилось газопламенное напыление полученной смеси на режимах, принятых для модифицируемого полимера. Прочность сцепления полимерного порошка без наполнителя с основой составляет 6,24 МПа. Результаты исследований приведены на рисунке 4.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что введение неорганических наполнителей в полиэтилен способствует увеличению его адгезии к стали на 15–20%. При этом следует отметить, что величина критического содержания наполнителя в ситаллополимерных покрытиях, при превышении которой наблюдается уменьшение адгезионной прочности, составляет 15%.

Экспериментальные исследования по определению влияния размера частиц напыляемого полимерного порошка на адгезионную прочность проводились следующим образом. На предварительно подготовленную поверхность методом газопламенного напыления наносились смеси полимерных порошков с ситаллом (10% от всего объема порошка) с размерами частиц до 300 мкм при d_max/d_min = 1,5 (здесь d_max – максимальный размер частиц напыляемого порошка, мкм; d_min – минимальный размер частиц напыляемого порошка, мкм). Используемые полимерные порошки: полиэтилентерефталат (ПЭТФ), полиэтилен (ПЭ), полиамид (ПА). Толщина ситаллополимерных покрытий составляла 0,5…1 мм и измерялась с помощью цифрового магнитного толщиномера МТЦ-3, разработанного Институтом прикладной физики НАН Беларуси. Результаты исследований приведены на рисунке 5.

Таким образом, при нанесении различных полимерных покрытий наибольшая адгезионная прочность достигается напылением порошков с размерами частиц от 150 до 250 мкм. Это можно объяснить следующим:

- при газопламенном напылении порошки с размерами частиц менее 100 мкм подвергаются повышенной термоокислительной деструкции, что приводит к попаданию не полностью сгоревших частиц непосредственно в зону контакта полимера и напыляемой поверхности, и, соответственно, снижению прочности сцепления;

- порошки с размерами частиц более 250 мкм не успевают расплавиться под действием тепла факела, что приводит к попаданию не полностью проплавленных частиц непосредственно в зону контакта полимера и напыляемой поверхности, и, соответственно, снижению прочности сцепления.