СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОМПОЗИТНОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD FOR OBTAINING A MULTIFUNCTIONAL COMPOSITE COATING

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к антифрикционным покрытиям, используемым в подшипниках скольжения, втулках и других сопряжениях для снижения трения, износа на металлических изделиях при действии высоких стационарных и циклических нагрузок, неблагоприятных атмосферных воздействий, в частности при использовании покрытия для втулок шарнирных соединений стрелочной гарнитуры стрелочного электропривода железнодорожных и трамвайных путей.
Известно многофункциональное защитное покрытие (Патент RU 2619687, МПК C09D 127/18, C09D 5/16, B82Y 30/00, 2015 г.), способом получения которого, предусматривает нанесение на подложку лакокрасочного материала и низкомолекулярного политетрафторэтилена, в котором используют наноструктурированный низкомолекулярный политетрафторэтилен, полученный термодеструкцией фторопласта-4 с последующей конденсацией из газовой фазы, который вводят непосредственно в лакокрасочный материал в виде дисперсии в ксилоле в количестве 1-40% от сухой массы лакокрасочного материала или путем натирания наносят сплошным слоем на поверхность лакокрасочного материала после его отверждения.
К недостаткам такого покрытия можно отнести недостаточную адгезию покрытия к подложке, при отслаивании покрытия подложка будет подвергаться внешнему воздействию и корродировать.
Известно защитное покрытие поверхности металлических изделий, содержащее внутренний термодиффузионный цинковый слой и внешний полимерный или лакокрасочный слой (см. Е.В. Проскурин, В.А. Попович, А.Т. Мороз «Цинкование». Справочник. М.: Металлургия, 1988 г., с. 127-129).
К недостаткам следует отнести низкую адгезию лакокрасочных и полимерных покрытий на цинковое покрытие и их низкую износостойкость.
Известно защитное покрытие поверхности металлических изделий (Патент RU 2353707, МПК С23С 28/00, В32В 5/00, С23С 10/36, 2007 г.), выбранное заявителем в качестве прототипа, содержащим внутренний термодиффузионный цинковый слой и внешний полимерный или лакокрасочный слой, в котором внутренний термодиффузионный цинковый слой покрыт частицами мелкодисперсного оксида цинка с размерами частиц от 0,05 до 5 мкм.
К недостаткам такого решения можно отнести высокую нерегулярную шероховатость термодиффузионного цинкового слоя, что приводит к неравномерности толщины лакокрасочного и полимерного покрытия, и отслаивание которого приводит к повышенному износу контртела. А также лакокрасочное или полимерное покрытие имеют ограниченную область применения, не обладает необходимыми антифрикционными свойствами, могут привести к повышенному истиранию металлического контртела в узле трения.
Задачей изобретения является создание способа получения долговечных многофункциональных композитных покрытий на основе металлических и полимерных материалов и их соединений, обладающих высокими антикоррозийными, антифрикционными, противоизносными свойствами.
Техническим результатом изобретения является увеличение адгезионной прочности слоев покрытия, срока службы покрытия, коррозиостойкости и износостойкости деталей узла трения и снижение затрат на обслуживание узлов трения.
Указанный технический результат достигается способом получения многофункционального композитного покрытия, включающего формирование на поверхности металлического изделия механической обработкой режущим инструментом регулярного волнистого рельефа с шагом, равным величине подаче режущего инструмента и с амплитудами высоты рельефа и шероховатости в пределах допуска на размер изделия, формирование термодиффузионного цинкового слоя с открытой пористостью до 10%, нанесение внешнего слоя из антифрикционного неметаллического композита, получаемого путем смешения связующего на основе дисперсии полимера, разбавителя и мелкодисперсных частиц политетрафторэтилена (фторопласта) размером до 5 мкм. Кроме того, внешний слой при полимеризации дополнительно подвергается нагреву, а процесс полимеризации внешнего слоя проводится при давлении 0,05-1,0 Па.
Создание механической обработкой режущим инструментом регулярного волнистого рельефа с шагом, равным величине подаче режущего инструмента, и с амплитудами высоты рельефа и шероховатости в пределах размера допуска на размер, которые при формировании термодиффузионного цинкового слоя снижается в 2-3 раза, и образование открытой пористости до 10% на поверхности термодиффузионного цинкового слоя обеспечивает высокую адгезию внешнего слоя к термодиффузионному цинковому слою, что позволяет исключить отслаивание внешнего слоя и увеличить антикоррозийную защиту металлического изделия. Введение в состав внешнего слоя частиц политетрафторэтилена (ПТФЭ) размером до 5 мкм, хорошо смачивающихся дисперсией полимера и равномерно распределенных во внешнем слое, значительно увеличивает антифрикционные характеристики покрытия (снижают коэффициент трения), износостойкость покрытия, и соответственно износостойкость металлического изделия. При трении в зоне контакта за счет повышения температуры полимерный внешний слой переходит в пластичное состояние, частицы политетрафторэтилена прилипают к поверхности контртела, второй детали узла трения, образуется слой твердой смазки и тем самым увеличивается износостойкость всего узла трения. Для обеспечения высокой прочности внешнего слоя процесс полимеризации проводят при нагреве, а полимеризация при давлении 0,05-1,0 Па позволяет получить плотный беспористый внешний слой и увеличить смачиваемую способность, тем самым улучшив адгезию внешнего слоя к внутреннему слою.
Проведенные патентные исследования не выявили идентичных технических решений, что позволяет сделать вывод о новизне и изобретательском уровне заявляемого технического решения.
Сущность изобретения поясняется проведенными испытаниями опытных образцов.
Создание предлагаемого защитного покрытия осуществляется следующим образом.
Контактные поверхности металлического изделия предварительно подвергают механической обработке тонким точением или тонким фрезерованием режущим инструментом с радиусом скругления режущей кромки до 1,2 мм, глубиной резания до 0,2 мм, подачей до 0,5 мм. Очищенные и обезжиренные от жира и грязи металлические изделия загружают в барабан установки с порошковой насыщающей смесью на основе цинка в виде частиц размером до 0,6 мм. Барабан нагревают до температуры термодиффузионного цинкования (290-440°С) и приводят во вращение для равномерного нанесения цинка на поверхность металлических изделий. В процессе термодиффузионного цинкования происходит сглаживание регулярного рельефа, шаг которого равен величине подачи режущего инструмента и предварительная шероховатость которого снижается в 2-3 раза, на поверхности слоя термодиффузионного цинкового покрытия образуется открытая пористость. Время цинкования 60-120 минут от выхода на заданный режим, в зависимости от температуры цинкования. После окончания цинкования металлические изделия извлекают из контейнера, очищают от цинкующей смеси, охлаждают и фосфатируют. Требования к термодиффузионному цинковому покрытию по ГОСТ Р 9.316-2006.
В результате, оцинкованная поверхность металлических изделий, имеет достаточно развитую поверхность с регулярным рельефом и открытой пористостью для последующего нанесения внешнего антифрикционного слоя.
Для нанесения внешнего антифрикционного слоя готовят смесь путем смешения дисперсии полимера, разбавителя и порошка мелкодисперсных частиц политетрафторэтилена (фторопласта) в соотношении, % по массе: дисперсия полимера - 50-85, растворитель - 10-30, порошок политетрафторэтилена - 5-20.
Варианты формирования внешнего антифрикционного слоя.
Нанесение внешнего слоя на основе дисперсии акрилового полимера на оцинкованную поверхность металлического изделия осуществляют методом аэрозольного напыления. Время высыхания одного слоя 0,5-1,0 час при температуре полимеризации 25-50°С.
Нанесение внешнего слоя на основе дисперсии акрилового полимера на оцинкованную поверхность металлического изделия осуществляют кистью или методом окунания. Время высыхания одного слоя 1,5-2,0 часа при температуре полимеризации 25-50°С.
Нанесение внешнего слоя на основе дисперсии эпоксидного полимера на оцинкованную поверхность металлического изделия осуществляют методом аэрозольного напыления. Время высыхания одного слоя 2,0-2,5 часа при температуре полимеризации 25-80°С и давлении 0,05-1,0 Па.
Нанесение внешнего слоя на основе дисперсии эпоксидного полимера на оцинкованную поверхность металлического изделия осуществляют кистью или методом окунания. Время высыхания одного слоя 2,5-3,0 часа при температуре полимеризации 25-80°С и давлении 0,05-1,0 Па.
Примеры осуществления изобретения.
Стендовые испытания заявляемого покрытия проведены в условиях, максимально приближенных к натурным условиям эксплуатации. Для сравнительных испытаний использовался узел трения шарнирного соединения стрелочной гарнитуры стрелочного электропривода.
Сравнительные испытания проводились в режиме сухого трения при температуре 20-25°С по схеме «втулка-ось». Ось диаметром 26 мм выполнена из стали 35 (ГОСТ 1050-88) с темродиффузионным цинковым покрытием толщиной 19 мкм. Оси совершали возвратно-поступательное движение с амплитудой 1 мм и частотой 5 Гц. Удельное давление составляло 1100 Н/м. Количество циклов - 150 тыс.
На внутреннюю поверхность диаметром 26 мм втулочных образцов длиной 27 мм, выполненных из стали 40 (ГОСТ 1050-88), нанесены варианты покрытий предлагаемого состава с различным соотношением толщин слоев. Эффективность сравнивали с типовыми втулками, изготовленных из стали 40 и смазываемых машинным маслом.
Формирование регулярного волнистого рельефа производили на станке с ЧПУ тонким растачиванием глубиной 0,2 мм, подачей 0,5 мм, режущим инструментом с радиусом скругления режущей кромки 1 мм.
Термодиффузионное цинкование проводили при температуре 350-370°С в течение 120 мин. Толщина термодиффузионного цинкового слоя 25-28 мкм. Открытая пористость внутреннего слоя 8-10%.
Во всех вариантах полимеризация внешнего слоя проводилась при температуре 30-35°С.
Пример 1
Смесь дисперсии акрилового полимера марки Сигма-спринт М, разбавителя марки растворитель Р-5 (ГОСТ 7827-74) и порошка мелкодисперсных частиц ПТФЭ в соотношении, % по массе: дисперсия полимера - 60, разбавитель - 30, порошок политетрафторэтилена - 10, наносили на изделие окунанием. Время высыхания слоя 2,5 часа. Толщина внешнего слоя 20 мкм.
Пример 2
Смесь дисперсии акрилового полимера марки Сигма-спринт М, разбавителя марки растворитель Р-5 (ГОСТ 7827-74) и порошка мелкодисперсных частиц ПТФЭ в соотношении, % по массе: дисперсия полимера - 65, разбавитель - 30, порошок политетрафторэтилена - 5, наносили на изделие аэрозольным напылением. Время высыхания слоя 2,0 часа. Толщина внешнего слоя 10 мкм.
Пример 3
Смесь дисперсии полимера на основе эпоксидной смолы марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) и отвердителя ПЭПА (ТУ 2413-357-00203447-99) в соотношении 10:1, разбавителя алкил С12-С14-глицидиловый эфир марки Epodil 478 и порошка мелкодисперсных частиц ПТФЭ в соотношении, % по массе: дисперсия полимера - 70, разбавитель - 15, порошок политетрафторэтилена - 15, наносили на изделие аэрозольным напылением. Время высыхания слоя 2 часа. Давление при полимеризации 0,1 Па. Толщина внешнего слоя 10 мкм.
Пример 4
Смесь дисперсии полимера на основе эпоксидной смолы марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) и отвердителя ПЭПА (ТУ 2413-357-00203447-99) в соотношении 10:1, разбавителя алкил С12-С14-глицидиловый эфир марки Epodil 478 и порошка мелкодисперсных частиц ПТФЭ в соотношении, % по массе: дисперсия полимера - 75, разбавитель - 10, порошок политетрафторэтилена - 15, наносили на изделие кисточкой. Время высыхания слоя 3 часа. Давление при полимеризации 0,1 Па. Толщина внешнего слоя 20 мкм.
В результате анализа полученных данных испытаний установлено, что коэффициент трения для всех образцов с покрытием, полученным предлагаемым способом, стабильный, находится на уровне 0,06-0,1 в течение всего процесса испытаний, в то время как для пары со втулкой без покрытия, смазанной солидолом, коэффициент трения равен 0,2, но по мере выработки солидола коэффициент трения увеличивается до 0,5.
По наработке 200 тыс.циклов нагружения величина износа покрытий, полученных предлагаемым способом, составила 0,05 мм для покрытий по примеру 1 и 2, и 0,03 мм для покрытий по примеру 3 и 4. Втулки без покрытия имеют износ 0,2 мм. То есть применение покрытия повышает ресурс узла трения в 4 раза, что позволяет снизить расходы на обслуживание узлов трения.
Кроме того, на втулках с покрытиями предлагаемых композиций и на осях не обнаружены следы коррозии и отслаивания. Тогда как на втулках без покрытия и осях этих узлов трения появились очаги коррозии.
Таким образом, проведенные опыты показали, что предлагаемый способ получения многофункционального покрытия на металлической поверхности изделия с регулярным рельефом, термодиффузионным цинковым и внешним антифрикционным слоями обеспечивает увеличение адгезионной прочности слоев покрытия и получение многофункциональных композитных покрытий с хорошими эксплуатационными характеристиками по коррозионной стойкости и износостойкости.