СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD OF APPLICATION OF METAL POLYMER COATING

Изобретение относится к способам нанесения защитных покрытий, в частности, коррозионностойких, антифрикционных и эрозионностойких покрытий, и может применяться для защиты изделий в химической, машиностроительной, авиационной, приборостроительной промышленности и других областях техники.
Металлополимерные покрытия могут наноситься электролитическим, электрофлотационным, электрозвуковым, термическим, механохимическим методами и методом вытеснения.
Сущность электролитического метода получения металлополимеров состоит в том, что при электролизе водных растворов соответствующих солей частицы металла, выделяющиеся на катоде, переносятся в органический слой ванны, содержащий раствор полимера, и взаимодействуют с ним.
Данный способ нанесения металлополимерного покрытия имеет низкую производительность. При нанесении покрытия необходимо погружать изделие в комплексный электролит, т.е. габаритные изделия не могут обрабатываться подобным способом. Электролит после использования требует утилизации, что сопряжено с экологическими сложностями, а в ряде случаев электролит представляет серьезную опасность для здоровья и жизни человека, поскольку обладает канцерогенными свойствами.
Электрофлотационный метод получения металлополимеров осуществляется в установках с неподвижным катодом, через поры которого при электролизе непрерывно подается раствор низкомолекулярного или полимерного поверхностно-активного вещества в органическом растворителе.
Термический метод основан на том, что некоторые органические и неорганические соединения металлов, нагретые до определенной температуры в восстановительной атмосфере или в вакууме, разлагаются с выделением высокодисперсных частиц металла. При разложении таких соединений в органической среде могут образовываться высокодисперсные органозоли металлов. К соединениям, легко разлагающимся при сравнительно низких температурах, относятся соли органических кислот - формиаты и оксалаты меди, висмута, свинца, серебра, а также ферро- и феррицианиды железа. В качестве органической среды при разложении таких солей могут быть использованы термопластичные и термореактивные полимеры. Металлополимеры, полученные термическим методом, характеризуются высокой дисперсностью и равномерностью распределения частиц металла в объеме полимера, а также значительной необратимой адсорбцией макромолекул на поверхности частиц металла в момент их образования.
Механохимический метод получения металлополимеров основан на том, что при механических воздействиях на систему грубодисперсный металл - полимер происходит разрыв молекул полимера с появлением свободных радикалов, которые, взаимодействуя с поверхностью металла, могут привести к возникновению побочных адсорбционно-химических связей. Характер взаимодействия полимерных молекул с поверхностью частиц металла зависит от природы полимера и металла, условий контакта между полимером и металлом. Хемосорбционное взаимодействие макромолекул с поверхностью металла, высокая дисперсность частиц металла, а также равномерность распределения их в объеме полимера обеспечивает значительное повышение показателей физико-механических и физико-химических свойств металлополимеров по сравнению с обычными полимерами, наполненными металлами.
Нанесение металлополимерных покрытий из жидкости, путем совмещения в одном технологическом процессе гальванического осаждения на поверхность, являющуюся катодом, металлического слоя и электроосаждения полимерного водорастворимого материала.
Нанесение покрытия из металлополимеров путем разложения металлсодержащих прекурсоров (формиатов, оксалатов, карбонилов и т.д.) в среде расплава полимера при температуре термолиза при погружении изделия в расплав.
Нанесение покрытия путем газотермического напыления полимера с металлическими включениями.
Ближайшим аналогом является способ получения металлополимерного покрытия (RU 2332524, опубликовано 27.08.2008). Способ заключается в нанесении на металлическую основу покрытия из металла и полимера из горячего газового потока. Покрытие наносят способом плазменного напыления на подогретую металлическую основу. В плазменную установку при этом подается смесь порошков полимера и металлосодержащего прекурсора, состоящего из формиата, оксалата или карбонила металлов, составляющих металлическую компоненту покрытия.
Недостатки данного способа
1. Покрытие наносится на поверхность, предварительно нагретую до температуры, превышающей температуру плавления полимера, причем нагрев производится газовым потоком. Такой способ нагрева имеет ограниченную эффективность, а тепло, при этом, постоянно уходит в тело изделия. Таким образом, нанесение покрытия на крупногабаритные изделия существенно замедляется, а энергозатраты возрастают.
2. Нагрев изделий до необходимых температур (приведены рабочие температуры 220-240°C) может вызвать термические деформации изделия, а в ряде случаев, нагрев просто недопустим.
3. Металлическая компонента покрытия формируется путем разложения металлосодержащего прекурсора, т.е. металлическая компонента не может состоять из коррозионно-стойкого сплава, а только из чистого металла, например никель, с достаточно ограниченной стойкостью к химическим воздействиям, таким образом, сочетание интенсивного химического и механического воздействия является для такого покрытия фатальным. Смешивание прекурсоров также не обеспечит формирование химически стойкой металлической компоненты, поскольку разложение прекурсоров происходит при разных условиях и контролируемое обеспечение необходимого соотношения практически невозможно, кроме того, при разложении смеси прекурсоров происходит формирование смеси или псевдосплава, с неконтролируемой стойкостью к химическим воздействиям.
4. Невозможно формирование градиентной структуры покрытия.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является получение комбинированного покрытия с эксплуатационными характеристиками, превосходящими характеристики полимерных и металлических покрытий, химической стойкостью и антифрикционностью выше, чем у покрытий из соответствующего металла, адгезия и физические характеристики выше, чем у соответствующего полимера.
Техническим результатом является получение покрытия толщиной 50-1000 мкм и более, имеющего высокую адгезию и стойкость к различным видам износа и обладающего минимальной или нулевой пористостью.
Технический результат достигается тем, что сначала на подготовленную металлическую основу наносят слой металла таким образом, чтобы слой имел проницаемость, затем наносят слой полимера способом, обеспечивающим формирование сухого газопроницаемого слоя полимера, после чего обеспечивают нагрев металлического слоя покрытия, таким образом, чтобы нагревался газопроницаемый слой полимера до температуры плавления.
Металлическое покрытие наносят любым способом - газотермического напыления, наплавки, напайки, гальваническим, погружением в расплав и т.п.
Подготовка металлической основы, необходимая для обеспечения чистоты, активации поверхности перед нанесением металлического слоя, может включать в себя, например, способ абразивно-струйной обработки или другие виды обработки, обеспечивающие необходимую подготовку.
Проницаемость металлического покрытия могут обеспечивать созданием пористости, обусловленной режимами нанесения металлического покрытия.
Проницаемость металлического покрытия могут обеспечивать перфорацией, например лазерной перфорацией.
Проницаемость металлического покрытия могут обеспечивать внедрением при нанесении металлического покрытия частиц материалов, которые могут в дальнейшем быть удалены из металлического слоя путем растворения или выпаривания (выжигания), например, водорастворимый силикат натрия или легкоплавкий полимер.
Любым другим способом, обеспечивающим проницаемость металлического покрытия.
Слой полимера могут наносить в виде жидкой суспензии без связующего, так что после ее высыхания образующийся слой не образует газонепроницаемой пленки.
Слой полимера могут наносить в виде порошка методом электростатического напыления или любым другим способом, обеспечивающим газопроницаемость слоя полимера.
В качестве способа нагрева металлического слоя применяют индукционный нагрев (или другой способ нагрева, обеспечивающий нагрев металлического слоя, например нагрев в печи).
В процессе нагрева металлического слоя газы, заполняющие поры и/или отверстия, обеспечивающие проницаемость металлического слоя, расширяются и уходят во внешнюю среду через газопроницаемый полимерный слой. Нагрев полимера производят до состояния, близкого к расплавлению (или пластичного), и образования равномерного плотного покрытия. После прекращения нагрева и, поскольку, полимер находится в состоянии, близком к расплавлению (или пластичном), и блокирует поры и/или отверстия металлического слоя покрытия от проникновения газов обратно, а тепло быстро уходит в основной металл изделия, в порах и/или отверстиях металлического слоя покрытия образуется пониженное давление, которое «засасывает» расплавленный полимер в толщу металлического слоя.
Образовавшееся покрытие состоит преимущественно или полностью из металлического слоя и слоя полимера, который на поверхности покрытия образует сплошной слой.
В зависимости от способа нанесения металлического слоя и обеспечения его проницаемости содержание полимера в покрытии может быть равномерным по толщине или градиентно возрастать, а содержание металлического слоя равномерным или градиентно убывать от металлической основы к поверхности покрытия. Толщина покрытия, при нанесении металлического слоя газотермическим способом, может быть от десятков до тысячи микрометров
На фиг. 1 и 2 представлены фотографии микроструктур металлополимерных покрытий, на которых явно выражено глубокое проникновение полимера в неровности каверны и поры металлического слоя и формирование на поверхности ровного слоя полимера.
Пример 1
Образец металлографического среза образца металлополимерного покрытия из сплава «монель» и фторопласта. Проницаемость металлического слоя обеспечена режимом нанесения металлического покрытия. На его поверхности нанесен слой суспензии фторопласта, высушен и обработан индукционным нагревателем.
Покрытие имеет неравномерно-градиентную структуру с металлической основой и полимерной поверхностью (фиг. 1).
Пример 2
Образец металлографического среза образца металлополимерного покрытия из сплава бронзы и фторопласта. Проницаемость металлического слоя обеспечена поверхностной лазерной обработкой металлического покрытия. На его поверхности нанесен слой суспензии фторопласта, высушен и обработан индукционным нагревателем.
Покрытие имеет равномерно-градиентную структуру с металлической основой и полимерной поверхностью (фиг. 2).