УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ПАТРОННЫХ ГИЛЬЗ
PLANT FOR APPLYING PROTECTIVE COATING ON SURFACE OF CARTRIDGE CASES

Изобретение относится к области производства гильз патронов стрелкового оружия и может быть использовано для нанесения антикоррозионного защитного покрытия на поверхность стальных гильз боевых, спортивно-охотничьих, строительно-монтажных и служебного назначения патронов стрелкового оружия. Данное изобретение может быть использовано как в машиностроении, так и в других отраслях промышленности, в т.ч. в производстве товаров народного потребления и изделий культурно-бытового назначения.
Известен способ нанесения защитного покрытия на поверхность патронной гильзы по патенту РФ 2420609, опубл. 10.06.2011 г., МПК B21D 51/54, C23C 28/00. Согласно данному патенту нанесение защитного покрытия на поверхность патронной гильзы из стали включает формирование на поверхности гильзы грунтового слоя с последующей его пассивацией и полимерного слоя путем обработки гильзы в водном растворе полимера полиорганосилоксана и сополимера бутадиена со стиролом и модифицирующим его полимером с последующей термической обработкой. При этом в качестве грунтового слоя последовательно формируют фосфатный слой по меньшей мере в двух ваннах, начиная с обработки в ванне с раствором с общей кислотностью в 20 точек, а затем с повышением общей кислотности до 120 точек в последующей(их) ванне(ах). Перед термообработкой в течение 1-5 мин гильзу подвергают сепарированию, удаляя с ее поверхности и из полости излишки смеси.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) к заявленному способу нанесения защитного покрытия на поверхность патронной гильзы выбран способ нанесения антикоррозионного защитного полимерного покрытия на поверхность стальной гильзы патронов стрелкового оружия по патенту РФ №2439114, опубл. 10.01.2012 г., МПК C09D 183/04, C09D 5/08, C23C 22/12, B21D 51/54. По данному способу осуществляют последовательное формирование цинкофосфатного слоя, включающее проведение операций подготовки поверхности, а именно обезжиривание, травление, фосфатирование, последующее нанесение полимерного слоя путем обработки гильз в водном растворе полимера полиорганосилоксана и сополимера бутадиена со стиролом и его модификатора, содержащего муравьиную кислоту и эпоксидно-алкидную смолу, и термоотверждение. При этом обработку гильз проводят в одну стадию в шнековом агрегате без промежуточной сушки после фосфатирования по методу «мокрый по мокрому». Для удаления избыточного слоя полимерного состава и влаги, снижения загрязнения оборудования, перед термоотверждением проводят операцию сепарирования с изменением режимов термоотверждения полимерного покрытия.
В данном способе в качестве предварительной подготовки поверхности под фосфатирование используют традиционное высокотемпературное химическое обезжиривание в одной из ванн с применением обычных моющих средств, например раствора тринатрийфосфата с концентрацией 50-100 г/л в течение 3 минут при температуре 60-70°C. Далее в другой ванне гильзы подвергают травлению в растворе серной кислоты с концентрацией 100-150 г/л в течение 3 минут при температуре 40-60°C. В последующем промытые гильзы подвергают фосфатированию в трех ваннах с нарастанием температуры по ваннам от 25-35°C до 45-55°C, что необходимо при «горячем» фосфатировании для обеспечения требуемой активации поверхности металла и образования центров кристаллизации. При этом продолжительность обработки в каждой из 3-х ванн составляет 4 минуты. Общая продолжительность процесса подготовки поверхности и фосфатирования составляет порядка 40 минут.
Основными недостатками существующего процесса нанесения защитного покрытия на поверхность патронных гильз являются:
- длительный технологический цикл с применением различных, в том числе экологически опасных, химических материалов;
- высокая концентрация и температура используемых растворов, что требует больших материальных и энергетических затрат;
- нестабильное качество фосфатного покрытия по внешнему виду и сплошности.
2
Фосфатирование - процесс образования на поверхности металла слоя из нерастворимых в воде фосфатов металлов. При этом на молекулярном уровне происходит химическое взаимодействие поверхности металла с компонентами фосфатирующего раствора, в результате которого на поверхности образуется химически связанный слой нерастворимых фосфатов металлов. Существенное влияние на процесс формирования фосфатной пленки и кристаллизации фосфатов оказывают свойства поверхности металла. Активные участки поверхности являются центрами кристаллизации фосфатов. С повышением числа активных участков, вследствие различного состояния и неоднородности поверхности, возрастает ее энергетический потенциал и увеличивается количество центров кристаллизации, что способствует ускорению формирования фосфатной пленки. Поэтому факторы, благоприятствующие росту числа активных участков поверхности и центров кристаллизации, должны способствовать также оптимизации процесса пленкообразования. Фосфатный слой под нанесение антикоррозионных покрытий должен быть достаточно плотным, мелкокристаллическим, с определенной пористостью и небольшой массой - от 1,5 до 5 г/м. Кристаллизации фосфатов способствует определенное состояние поверхности металла, обусловленное видом ее предварительной обработки. Вид предварительной обработки металла оказывает сильное влияние на все факторы процесса фосфатирования и свойства фосфатной пленки: скорость образования фосфатного слоя, его кристаллическую структуру, химический состав, адгезионные, защитные и другие свойства. Так, установлено, что предварительное травление в растворе серной кислоты 10-15% концентрации приводит к образованию неравномерной крупнокристаллической фосфатной пленки, что снижает сплошность фосфатного покрытия и, как следствие, коррозионную стойкость. Сокращение технологического цикла нанесения фосфатно-полимерного покрытия и повышение качества покрытия может быть достигнуто, прежде всего, за счет изменения технологии предварительной обработки поверхности стальных гильз под нанесение цинкофосфатного слоя.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) к заявленной установке для реализации способа нанесения защитного покрытия на поверхность патронной гильзы выбран патент РФ 2420609, опубл. 10.06.2011 г., МПК B21D 51/54, C23C 28/00, в котором описана установка шнекового типа для осуществления процесса нанесения защитного фосфатно-полимерного покрытия на поверхность гильзы. Операции формирования слоев защитного покрытия согласно патенту осуществляют при помощи установки, включающей вращающийся барабан с последовательно расположенными соответствующими проводимым операциям секциями. Вращающийся барабан смонтирован на роликах и снабжен приводом. Барабан выполнен в виде нескольких последовательно расположенных секций, соответствующих осуществляемым в процессе нанесения фосфатно-полимерного покрытия операциям. Загрузка обрабатываемых гильз в барабан осуществляется при помощи лотка через горловину первой секции нанесения фосфатного покрытия на поверхность гильз. При этом данная секция разделена на несколько дополнительных секций, в которых осуществляется нанесение фосфатного покрытия на поверхность гильз в растворе цинкофосфатного концентрата с возрастающей кислотностью. В последующей секции осуществляют обработку гильз в водном растворе смеси полимера. При этом полимерную смесь с использованием насоса и вращающегося барабана активно перемешивают и при помощи насоса и фильтра непрерывно фильтруют, удаляя из водного раствора смеси образовавшиеся сгустки и взвеси. В последующих секциях осуществляют сепарацию гильз от полимерной смеси и их термообработку. Все секции барабана выполнены перфорированными. Перемещение гильз по секциям барабана осуществляется при помощи шнека.
Существующее оборудование для нанесения защитного покрытия обладает существенными недостатками:
- имеет значительные габаритные размеры;
- повышенные энерго- и металлоемкость.
Технический результат, полученный от изобретения, заключается в создании качественно новой технологии нанесения фосфатно-полимерного покрытия с сокращенным циклом нанесения защитного покрытия, пониженным энергопотреблением на проведение непрерывных технологических операций, обеспечивающих повышение стабильности качества фосфатного грунта, а следовательно, и защитного покрытия в целом по сплошности и коррозионной стойкости, осуществляемой в едином комплексном оборудовании.
Заявленный технический результат достигается тем, что способ нанесения защитного покрытия на поверхность патронной гильзы включает последовательное проведение в едином непрерывном технологическом цикле без промежуточных сушек следующих операций: подготовка поверхности гильз под нанесение цинкофосфатного грунтового слоя, а именно химическое совмещенное обезжиривание и травление, осуществляемое в одной ванне, промывка, формирование цинкофосфатного слоя и последующее нанесение методом «мокрый по мокрому» защитного полимерного покрытия по сформированному цинкофосфатному грунтовому слою путем погружения гильз в раствор полимера полиорганосилоксана и сополимера бутадиена со стиролом и его модификатора, отверждение нанесенного полимерного покрытия. Новым в данном способе является то, что химическое обезжиривание и травление осуществляют в одной ванне в водном растворе очищающего состава, содержащего травильный компонент и биоразлагаемые добавки поверхностно-активных веществ, а процесс формирования цинкофосфатного грунтового слоя осуществляют при комнатной температуре в одной ванне в растворе цинкофосфатного концентрата.
В качестве химического обезжиривающего и травильного состава используют Фоскон-684-2 с концентрацией 180-195 г/л, при этом совмещенное химическое обезжиривание и травление осуществляют при температуре 40-50°C в течение 1-3 минут.
После совмещенного обезжиривания и травления промывку гильз осуществляют в холодной воде в течение не менее 2-х минут методом противотока.
Процесс нанесения цинкофосфатного грунтового слоя проводят в течение не более 8 минут при комнатной температуре в одной ванне в растворе цинкофосфатного концентрата.
В качестве цинкофосфатного концентрата используют Фоскон 28 с концентрацией 40-70 г/л с условно-общей кислотностью 13-19 «точек» и свободной кислотностью 0,6-1,0 «точка» с добавлением нитрита натрия в количестве 0,1-0,2 г/л.
После нанесения цинкофосфатного грунтового слоя гильзы промывают в холодной проточной воде в течение не менее 1 минуты.
Гильзы после промывки нанесенного цинкофосфатного грунтового слоя подвергают сепарированию от воды на воздухе в течение не менее 1,5 минуты.
Нанесение полимерного покрытия методом «мокрый по мокрому» проводят в течение не менее 3 минут при температуре 18-25°C путем погружения гильз в водный раствор полимерного состава ФПСМ-51 с концентрацией 35-45 г/л и модифицирующей добавки Э-МД-5а с концентрацией 50-100 г/л.
После нанесения полимерного покрытия гильзы подвергают сепарированию от полимерной смеси на воздухе в течение не менее 1,5 минуты.
Отверждение полимерного слоя проводят в течение не менее 7 минут при температуре (190±5)°C.
Установка для реализации способа нанесения защитного покрытия на поверхность патронных гильз шнекового типа содержит станину, на которой установлены ванны с технологическими жидкостями и опорные ролики, горизонтальный вал, снабженный опорными плечиками, установленными на опорных роликах, привод горизонтального вала. На горизонтальном валу последовательно расположены соединенные между собой барабаны с перфорированными стенками. Нижняя часть барабанов технологических операций, связанных с технологическими растворами, размещена в ванне соответствующей операции технологического процесса подготовки поверхности и нанесения фосфатно-полимерного покрытия. На внутренней поверхности стенок барабанов закреплены перегородки в виде шнека. Каждый барабан снабжен горловиной с сужением, ориентированным к выходному окну, соединенным с входным окном последующего барабана. На внутренней поверхности горловины закреплен шнек, являющийся продолжением шнека барабана. Установка снабжена также лотком загрузки, установленным у входного окна первого барабана.
Новым в установке является последовательное расположение технологического оборудования, соответствующее технологическим операциям реализуемого нового способа нанесения защитного фосфатно-полимерного покрытия на поверхность стальных гильз патронов стрелкового оружия. На горизонтальном валу установлены следующие барабаны для непрерывной последовательной обработки патронных гильз: барабан, размещенный в ванне с раствором для совмещенного обезжиривания и травления, барабан, размещенный в ванне для первичной промывки в воде, барабан, размещенный в ванне с раствором для нанесения цинкофосфатного грунтового слоя, барабан, размещенный в ванне для вторичной промывки в воде, барабан для сепарирования от излишков воды, барабан, размещенный в ванне для нанесения защитного полимерного покрытия, барабан для сепарирования от излишков полимерной смеси, барабан для термосушки, помещенный в сушильную камеру, снабженную нагревательными элементами для нагрева воздуха. Причем соотношение рабочих поверхностей шнеков в барабанах между собой равно соотношению времен соответствующих технологических операций, осуществляемых в этих барабанах.
С целью регулирования температуры раствора для нанесения цинкофосфатного грунтового слоя соответствующая ванна снабжена элементами для терморегулирования, например нагревательными или охлаждающими элементами, в качестве теплоносителей которых может использоваться вода или пар.
Для повышения эффективности промывки гильз патронов после совмещенного обезжиривания и травления методом противотока барабан, размещенный в ванне для первичной промывки в воде, разделен на две секции с различным направлением подачи проточной воды.
После барабана термосушки нанесенного фосфатно-полимерного покрытия на горизонтальном валу может быть установлен барабан охлаждения гильз патронов.
На Фиг. 1 представлена установка для нанесения защитного фосфатно-полимерного покрытия на стальную поверхность гильз патронов стрелкового оружия.
Установка содержит станину 1, на которой установлены технологические ванны 2 и опорные ролики 3. На опорных роликах 3 посредством опорных плечиков 4 установлен горизонтальный вал 5. Горизонтальный вал 5 вращается от привода 6, например, посредством цепной передачи 7. Установка снабжена также лотком загрузки 8.
На вращающемся горизонтальном валу 5 для непрерывной последовательной обработки патронных гильз последовательно расположены и соединены между собой барабаны 9-17 с перфорированными стенками.
Первым на горизонтальном валу 5 расположен барабан 9, нижняя часть которого размещена в ванне 2 с раствором для совмещенного обезжиривания и травления. У входного окна барабана 9 установлен лоток загрузки 8.
Далее последовательно размещены следующие барабаны: барабан 10, нижняя часть которого размещена в ванне для первичной промывки в воде; барабан 11, нижняя часть которого размещена в ванне с раствором для нанесения цинкофосфатного грунтового слоя; барабан 12, нижняя часть которого размещена в ванне для вторичной промывки в воде; барабан 13 для сепарирования гильз от излишков воды; барабан 14, нижняя часть которого размещена в ванне для нанесения защитного полимерного покрытия; барабан 15 для сепарирования гильз от излишков полимерной смеси и барабан 16 для сушки нанесенного фосфатно-полимерного покрытия, снабженный нагревательными элементами. После барабана 16 термосушки нанесенного фосфатно-полимерного покрытия на горизонтальном валу 5 может быть установлен барабан 17 для охлаждения гильз патронов.
На внутренней поверхности стенок всех барабанов 9-17 закреплены перегородки в виде шнека 18. Каждый барабан 9-17 снабжен горловиной 19 с сужением, ориентированным к выходному окну, соединенным с входным окном последующего барабана. На внутренней поверхности горловин 19 закреплен шнек 20, являющийся продолжением шнека 18 соответствующего барабана.
Ванна с раствором для нанесения цинкофосфатного грунтового слоя может быть снабжена элементами 21 для регулирования температуры раствора. Ванна 14 для нанесения антикоррозионного защитного полимерного покрытия также может быть снабжена элементами для регулирования температуры раствора (не показано).
Барабан 10, размещенный в ванне для первичной промывки в воде, разделен на две секции 10 (1) и 10 (2) с различным направлением подачи проточной воды.
Заявленный способ нанесения фосфатно-полимерного защитного покрытия на стальную поверхность гильз патронов стрелкового оружия на заявленной установке реализуется следующим образом.
Необходимое для обработки количество гильз подают посредством загрузочного лотка 8 в первый вращающийся барабан 9, нижняя часть которого размещена в ванне 2 с технологическим раствором для совмещенного обезжиривания и травления очищающим составом Фоскон 684-2, марки А ТУ 2149-305-10964029-2009 с концентрацией, например, 190 г/л и температурой 40-50°C. Данный состав наряду с травильным компонентом содержит специальные биоразлагаемые поверхностно-активные моющие добавки, молекулы (мицеллы) которых адсорбируются поверхностью металла и способствуют увеличению на ней центров кристаллизации нерастворимых фосфатных солей, обеспечивающих интенсификацию процесса последующего фосфатирования за счет ускорения образования центров кристаллизации нерастворимых фосфатных солей. Кроме того, благодаря этим добавкам повышается степень очистки поверхности гильз от различных загрязнений. За счет этого улучшается контакт фосфатирующего раствора с поверхностью металла, что способствует образованию мелкокристаллической, более плотной компактной однородной фосфатной пленки, по сравнению с фосфатной пленкой, получаемой после травления в серной кислоте.
Во время обработки гильз в указанном растворе в течение 1-3 минут происходит очистка их поверхности от загрязнений и образование центров кристаллизации нерастворимых фосфатных солей.
Затем с помощью шнека горловины 20 при вращении барабана 9 гильзы перемещают в следующий барабан 10, состоящий из двух секций 10 (1) и 10 (2) для двухкаскадной промывки в холодной воде в течение 2 минут методом противотока.
После промывки гильзы поступают в следующий барабан 11, нижняя часть которого погружена в ванну 2 с раствором цинкофосфатного концентрата Фоскон 28 ТУ 2149-137-10964029-2001 с концентрацией 40-70 г/л с условно-общей кислотностью 13-19 «точек», свободной кислотностью 0,6-1,0 «точек», содержащего смесь азотной и фосфорной кислот, воды, растворимых солей цинка и модифицирующих добавок с добавлением нитрита натрия в количестве 0,1-0,2 г/л. На данной технологической операции происходит полное формирование слоя фосфатного грунта методом «холодного» фосфатирования. Получаемое фосфатное покрытие отличается плотной мелкокристаллической структурой с равномерной сплошностью выше 60 сек, обеспечивающей повышение адгезии фосфатного покрытия к поверхности стальной гильзы, а также повышение степени химического взаимодействия последующего полимерного покрытия с фосфатной пленкой и, как следствие, повышение антикоррозионной защиты фосфатно-полимерного покрытия в целом. Процесс фосфатирования осуществляют в одной ванне в течение 8 минут при комнатной температуре.
Одним из преимуществ предлагаемого способа нанесения защитного фосфатно-полимерного покрытия является применение холодного фосфатирования. Его достоинствами являются:
- отсутствие затрат энергононосителя на разогрев и поддержание температуры раствора фосфатирования;
- невысокое испарение (требуется менее мощная вентиляция);
- структура фосфатного слоя более плотная и мелкокристаллическая по сравнению с классическим методом его нанесения.
В следующем барабане 12, нижняя часть которого размещена в ванне с холодной проточной водой, гильзы с нанесенным на них цинкофосфатным покрытием, не подвергнутым пассивированию, промывают в течение 1 минуты.
После промывки гильзы сепарируют от воды на воздухе в течение 1,5 минут в барабане 13.
После сепарирования без промежуточной сушки гильзы с цинкофосфатным грунтовым слоем передаются для нанесения полимерного покрытия методом «мокрый по мокрому» в барабан 14, нижняя часть которого помещена в ванну с водным раствором полимерного состава ФПСМ-51 ТУ 2149-054-10964029-2005 концентрации 35-45 г/л с модифицирующей добавкой Э-МД-5а ТУ 2251-01-34875572-2006 концентрации 50-100 г/л, содержащей 60-70% водный раствор в смеси этилгликольацетата и бутанола эпоксиаминокаучукового аддукта, модифицированного меламиноформальдегидной смолой К-421-02, муравьиную кислоту, эпоксидно-алкидную смолу Э-30. Процесс нанесения полимерного слоя проводят в течение 3 минут при температуре 18-25°C. При этом полимерный состав, проникая в поры фосфатного покрытия, вступает с ним в химическое взаимодействие, образуя единое антикоррозионное защитное фосфатно-полимерное покрытие, надежно защищающее от коррозии.
В целях удаления избытка полимерного раствора и снижения загрязнения полимером барабана сушки 16 гильзы перед сушкой подвергают сепарированию от излишков полимерной смеси на воздухе в течение 1,5 минуты в барабане 15.
Отверждение фосфатно-полимерного покрытия проводят в сушильном барабане 16 обдувом горячим воздухом в течение 7 минут при температуре (190±5)°C.
Время проведения последовательных технологических операций по предложенному способу составляет:
- совмещенное обезжиривание и травление 3 мин;
- первая холодная промывка в воде 2 мин;
- нанесение цинкофосфатного слоя (грунта) 8 мин;
- вторая холодная промывка в воде 1 мин;
- сепарирование от воды 1,5 мин;
- нанесение полимерного слоя 3 мин;
- сепарирование от излишков полимерной смеси 1,5 мин;
- отверждение фосфатно-полимерного покрытия 7 мин.
Соотношение длин рабочей поверхности шнеков барабанов 9-16 по соответствующим операциям составляет: 3:2:8:1:1,5:3:1,5:7.
Таким образом, при непрерывном вращении горизонтального вала 5 с заданной скоростью гильзы непрерывно перемещаются по последовательно расположенным барабанам 9-16 с точным соблюдением временных режимов проведения той или иной технологической операции.
Преимущества предлагаемого способа нанесения фосфатно-полимерного покрытия, реализуемого в предлагаемой установке, по сравнению с прототипом заключаются в следующем:
Технологический цикл нанесения защитного фосфатно-полимерного покрытия сокращен в 1,5-2,0 раза.
При реализации заявленного способа снижено энергопотребление в 1,5 раза, а использование теплоносителей (пара) в 4,0 раза.
Сплошность фосфатного покрытия повысилась в 2,0 раза, т.е. с 30 секунд до 60 секунд.
Коррозионная стойкость покрытия в целом при проверке в 3% растворе хлористого натрия повысилась до 10-15 часов вместо 4-6 часов.
Кроме того, повысилась экологическая безопасность и улучшились условия труда за счет снижения испарения агрессивных жидкостей при проведении фосфатирования при комнатной температуре и исключении операции пассивирования, выполняемой в классическом технологическом процессе фосфатирования, как правило, с использованием растворов высокотоксичных солей шестивалентного хрома.