Влияние полимерных покрытий на усталостно-коррозионную прочность металлов

Основой литьевой пожаробезопасной композиции марки ВТП 1-Л является полибути-лентерефталат, в рецептуру которого введены антипирен, модификатор, эластификатор, термостабилизатор и пигменты.

Композиция ВТП 1-Л рекомендуется взамен ненаполненных полиамидов ПА 610-Л и ПА 12-Л, в том числе и окрашенных. Материал не уступает полиамидам по эксплуатационным и технологическим свойствам, а по водостойкости и характеристикам пожаробезопас-ности значительно превосходит их.

Максимальное водопоглощение ВТП 1-Л составляет 0,5%. После выдержки в воде его свойства практически не изменяются.

Дымообразование композиции значительно ниже, чем у полиамидов: Дтах в режиме пиролиза составляет < 150.

Материал может эксплуатироваться при температурах до +100оС.

Таким образом, для получения изделий конструкционного и декоративно-конструкционного назначения с пониженной горючестью могут быть рекомендованы рассмотренные литьевые термопластичные композиции на основе полисульфона (полисульфон ПСФ-150), полибу-тилентерефталата (композиция ВТП 1-Л) и поликарбоната (композиции ПК-М-2 и ПК-М-С).

УДК 629.7.023.222

Э.Я. Бейдер, Г.Н. Петрова

ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ

НА УСТАЛОСТНО-КОРРОЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Развитие современной техники предъявляет повышенные требования к коррозионной стойкости металлоконструкций. Основными способами защиты от коррозии являются гальванические, лакокрасочные и порошковые полимерные покрытия. Вместе с тем в литературе практически нет данных о возможности защиты порошковыми покрытиями изделий, подвергающихся при эксплуатации одновременному воздействию коррозионной среды и знакопеременных нагрузок.

В статье приводятся результаты исследования усталостно-коррозионной прочности стали, алюминиевых и магниевых сплавов, плакированных порошковыми полимерными покрытиями разной природы, а также, для сравнения, лакокрасочными (ЛКП) и гальваническими.

Эффективность применения и закономерности изменения защитных свойств полимерных покрытий при комплексном воздействии агрессивной среды и напряжений изучали при усталостных малоцикловых испытаниях на воздухе, в 3%-ном растворе №С1 и одномо-лярном растворе И2804. Такой метод позволяет судить о защитном действии покрытий, так как возникающие в металле напряжения превышают его предел текучести, и в течение времени, составляющего 90-95% всей долговечности, в металле происходит развитие трещин [1].

Результаты исследования влияния порошковых покрытий на усталостно-коррозионную прочность сталей 08кп и 65Г представлены в табл. 1 и 2 и на рисунке. Для испытаний использовались образцы с рабочей частью 2,5x6,0 мм. Исследования проводились с постоянной амплитудой циклических деформаций 8=0,54; 1,5; 1,7; 3,0 и 5,0% на машине ИП-2.

Свойства полимерных порошковых покрытий приведены в справочнике [2].

Таблица 1

Усталостная прочность образцов из стали 08кп с покрытием

Материал Число циклов до разрушения при испытании

покрытия на воздухе в 3%-ном растворе №0 в одномолярном

растворе H2SO4

со степенью циклических деформаций 8, %

1,7 5,0 1,7 5,0 1,7 5,0

Без покрытия 13500 480 10500 420 1160 115

Фторопласт Ф-30П (стабилизированный) - 500 - 500 - 500

Фторопласт Ф-40ДП - 450 - - - 450

Полиэтилен ВП*:

нестабилизированный термостабилизированный 11500/9500 8100/15000 370/430/590 10500/11000 7500/11800 210/350/- 6500/700 6600/12000 170/300 180/470

*В числителе данные для покрытия, нанесенного на незагрунтованную поверхность, в знаменателе - на поверхность, защищенную адгезионно-активным подслоем (ААП).

Испытания показали (см. табл. 1), что покрытия из полиэтилена ВП (ПЭВП) в зависимости от деформации в 2-10 раз повышают усталостно-коррозионную прочность стали 08кп в одномолярном растворе серной кислоты и отрицательно сказываются на долговечности стали при испытании на воздухе и в 3%-ном растворе поваренной соли. Видимо, это связано с механодеструкцией ПЭВП и взаимодействием продуктов деструкции с металлом. Введение в ПЭ термостабилизаторов (антиутомителей) повышает усталостную выносливость стали 08кп во всех средах при деформации 8 = 5,0 %, что объясняется снижением адгезионной прочности на границе раздела ПЭ-металл. Применение адгезионно-активных подслоев позволяет резко увеличить долговечность стали, особенно при испытании в растворе серной кислоты.

Для того чтобы характеризовать надежность и эффективность различных покрытий при испытании в серной кислоте был введен коэффициент влияния покрытий рп, представляющий собой отношение долговечностей (циклы) образцов с покрытием и без него (см. рисунок).

5 8, %

Влияние деформации при испытании на усталостно-коррозионную прочность

На рисунке видно, что коэффициент рп зависит от механических и адгезионных свойств покрытий и от деформации образца с покрытием.

Эпоксидные покрытия П-ЭП-177 отличаются от ПЭВП прочностью при растяжении (62 и 24 МПа) и деформативностью (модуль упругости 1050 и 300 МПа; удлинение 5 и 18% соответственно). При больших деформациях (8 > 3,0%) эпоксидное покрытие не защищает сталь в растворе серной кислоты. Наиболее эффективны в таких условиях эластичные тер-мостабилизированные ПЭ покрытия (см. рисунок, кривые 3 и 4). С уменьшением амплитуды

деформации долговечность стальных образцов увеличивается при использовании покрытий с высокими прочностными (кривая 4) и адгезионными характеристиками (кривая 1). Так, при деформациях 1,5 и 0,54% предел выносливости образцов из стали 65Г с покрытием П-ЭП-177 (по сравнению с аналогичными свойствами образцов без покрытия) увеличивается в 1,7 и 7,4 раза соответственно.

Аналогично ведут себя и ПЭ покрытия, отличающиеся адгезионной прочностью (кривые 3 и 4). При больших деформациях образцов из стали 65Г коэффициент рп одинаков для обоих вариантов (для образцов с ААП и без него), при деформации 0,54% коэффициент рп для покрытий, нанесенных по ААП, равен 6,0 (против 4,5 для обычного варианта).

Исследования образцов с фторопластовыми покрытиями показали (см. табл. 1), что такие покрытия полностью защищают металл от опасного влияния жидких агрессивных сред. Долговечность на воздухе покрытых фторопластом образцов равна долговечности образцов с покрытием в коррозионных средах.

Сравнительные усталостно-коррозионные испытания стальных образцов с гальваническими, лакокрасочными и порошковыми покрытиями убедительно демонстрируют преимущества последних (см. табл. 2).

Таблица 2

Усталостная прочность стали 65Г в одномолярном растворе Н2804

Подготовка поверхности металла Грунт Покрытие Число циклов до разрушения

Зачистка шкуркой и обезжиривание Без покрытия 620

ЭП-076 (1 слой) ЭП-140 (2 слоя) 1200

АК-070 (2 слоя) ХВ-16 (3 слоя) 2300

Без грунта КО-88 «К» (2 слоя) 1100

ААП ПЭВП (термостабилизированный) 2600

Обдувка чугунным песком Без покрытия 470

ЭП-076 ЭП-140 1800

АК-070 ХВ-16 2000

Без грунта КО-88 «К» (2 слоя) 1000

То же П-ЭП-177 (1 слой) 2500

-«- Пентапласт (1 слой) 4800

Обдувка чугунным песком и фосфатирование Без покрытия 430

ЭП-076 ЭП-140 2100

АК-070 ХВ-16 3100

Без грунта КО-88 «К» (2 слоя) 1000

То же Пентапласт 4300

Обдувка чугунным песком, кадмирование и оксидное фосфатирование Без покрытия 540

АК-070 ХВ-16 3500

Без грунта П-ЭП-177 3500

То же Пентапласт 5400

Обезжиривание Без покрытия 700

Данные показывают (см. табл. 2), что механическая обработка и гальванические покрытия значительно снижают усталостную выносливость стали 65Г в агрессивных средах. Нанесение эпоксидной (ЭП-140) и перхлорвиниловой эмалей позволяет (по сравнению с обезжиренными образцами) в 1,7 - 5,0 раз повысить долговечность стали. Хрупкая крем-

нийорганическая эмаль КО-88 «К» практически не защищает образцы при знакопеременных нагрузках. Лучшие результаты с ЛКП показали образцы, поверхность которых опескоструе-на, кадмирована, фосфатирована, покрыта акриловым грунтом АК-070 и эластичной перхло-рвиниловой эмалью ХВ-16. Такой же уровень долговечности стали 65Г достигается при однослойном покрытии П-ЭП-177, при этом значительно упрощается подготовка поверхности. Применение пентапласта значительно эффективнее лучших ЛКП и позволяет повысить долговечность образцов в 8 раз.

Усталостно-коррозионные испытания образцов из алюминиевых и магниевых сплавов подтвердили закономерности, полученные для стальных образцов (табл. 3). Гальванические покрытия снижают долговечность металлических образцов, лучшие результаты получены после химического оксидирования (сплавы А1) и «зеленого» анодирования (сплавы М§). Однослойные покрытия из порошковых красок в 9 - 15 раз повышают их усталостно-коррозионную выносливость и не требуют, в отличие от ЛКП, такой тщательной подготовки поверхности.

Таблица 3

Усталостная прочность сплавов АМц и МА18 в 3%-ном растворе ^С

Материал Подготовка Грунт Покрытие Число

подложки поверхности металла циклов до

(деформация) разрушения

Обезжиривание Без покрытия 2900

Анодирование и То же 1500

АМц наполнение в хромпике ААП ПЭВП 29100

Химическое Без покрытия 1780

оксидирование ААП ПЭВП 52200

Обезжиривание Без покрытия 6250

Оксидирование То же 3680

АК-070 (2 слоя) ХВ-16 58100

ЭП-076 (1 слой) ЭП-140 (2 слоя) 39350

ФЛ-0113 (3 слоя) ЭП-140 (2 слоя) 30200

- П-ЭП-177 64800

МА18 ААП ПЭВП 55500

«Зеленое» анодирование Без покрытия 2130

при 70 В, 30 мин ЭП-076 (1 слой) ЭП-140 (2 слоя) 24800

«Зеленое» анодирование Без покрытия 5100

при 50 В, 30 мин ЭП-076 (1слой) ЭП-140 (2 слоя) 40400

Фосфатирование Без покрытия 3300

ЭП-076 (1 слой) ЭП-140 (2 слоя) 26700

Достоверность полученных результатов подтверждена усталостно-коррозионными испытаниями высокопрочной стали 30ХГСНА (табл. 4). Испытания проводились при консольном изгибе образцов диаметром 8 мм с частотой 2500 об/мин, коррозионная среда (водопроводная вода) подавалась каплями на рабочую часть образца. Испытания показали, что в атмосфере воздуха ЛКП и порошковые покрытия (по сравнению со шлифованием) позволяют увеличить предел выносливости с 600 до 700 МПа.

Воздействие водопроводной воды на испытуемые образцы показало, что исследуемые покрытия различаются по эффективности: при использовании системы ЛКП-2 предел выносливости сохраняется на уровне 400 МПа, системы ЛКП-1 - на уровне 280 МПа, образцы без покрытия имеют а-1=100 МПа. Наиболее эффективной оказалась защита эпоксидной порошковой краской П-ЭП-177. Предел выносливости образцов, покрытых П-ЭП-177, оказался практически одинаковым при испытании на воздухе и в водопроводной воде и составил 600 МПа.

Таблица 4

Влияние состояния поверхностного слоя и типа полимерных покрытий на выносливость стали 30ХГСНА

Напряжение, МПа Долговечность, цикл, при обработке поверхности или использовании покрытий* (воздух/вода)**

Шлифование (У8) ЛКП-1 ЛКП-2 Фторопласт Ф-30П П-ЭП-177

750 1,32х105 / 2,9х104 1 х 105 / - 3х106 / 2,6х105 7,4х105 / 2,4х105 5,8х106 / -

700 2,32х105 / - 1,57х105 / - 107 / 9,5х105 107 / 5,4х105 107 / 3,36х106

600 107 / 1,1х105 1,5х106 / 1,3х105 - / 1,9х105 - / 1,02х105 - / 107

500 - / 1,5х105 - / 1,9х105 - / 3,2х105 - / 107 -

400 - / 3,9х105 107 / 7,5х105 - / 107 - -

300 - / 8,65х105 - / 2,7х105 - - -

200 - / 2,4х106 - / 107*** - - -

100 - / 107 - - - -

*Покрытия ЛКП-1, Ф-30П и П-ЭП-177 нанесены на шлифованную и фосфатированную поверхность, покрытие ЛКП-2 - на шлифованную, обдутую ме- талли-ческим песком и фосфатированную. Состав ЛКП-1 и ЛКП-2: 1 слой грунта АЛГ-14 (сушка 90оС, 2 ч) + 1 слой грунта АГ-3А (с 1,5% алюминиевой пудры) + 1 слой эмали ХВ-16 (с 2% алюминиевой пудры) + 1 слой эмали ХВ-16 (сушка 80оС, 2 ч). **В числителе - данные при испытании на воздухе, в знаменателе - в воде. ***При ст=280 МПа.

ю

7

Исследования позволили установить разный характер разрушения образцов с ЛКП и порошковыми красками. В процессе испытаний ЛКП разрушаются прежде, чем наступает разрушение металла. Изломы образцов, защищенных ЛКП, свидетельствуют, что разрушение носит, как правило, многоочаговой характер.

Разрушение полимерных порошковых покрытий происходит одновременно с металлом. Характерным является наличие одного очага усталости, что свойственно образцам, испытанным без защиты в атмосфере воздуха.

Таким образом, проведенные исследования показали эффективность применения полимерных порошковых покрытий для повышения усталостно-коррозионной прочности металлов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бейдер Э.Я., Ткачев В.И. и др. - ФХММ, 1971, № 3, с.106.

2. Бейдер Э.Я. Термопластичные, декоративно-отделочные материалы и пенопласты

//Авиационные материалы: справочник. - М.: ВИАМ, т. 8, 2002, с. 54-59.

УДК 629.023.222

Т.А. Нестерова, Т. Ф. Изотова,

М.Ф. Николаева, Э.Я. Бейдер, А.Д. Буцких*

РАЗРАБОТКА ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА «ПОЛИПЛЕКС»

Для декорирования деталей интерьера пассажирских самолетов и вертолетов (панели перегородок и потолка, фальшборт, багажные полки и другие) в РФ применяют поливинил-хлоридную пленку ПДОАЗм-23.

Основные требования, предъявляемые в авиационной технике к декоративно-отделочным пленкам, - пожаробезопасность: материалы должны соответствовать международным требованиям ИКАО (FAR 23 , FAR 25) и отечественным нормам АП-25 по огнестойкости, дымовыделению и тепловыделению.

Испытания трехслойных сотовых панелей, декорированных пленкой ПДОАЗм-23, показали, что они не отвечают требованиям по тепловыделению, поэтому для декорирования деталей интерьера самолетов приходится закупать пленку Aerfilm LHR (США).

В статье представлены результаты разработки многослойного защитно-декоративного материала, отвечающего требованиям по пожаробезопасности как в свободном виде, так и в составе трехслойных сотовых панелей и стеклопластиков.

Известно, что пленка Aerfilm LHR изготовляется экструзией. Однако в России такого оборудования нет, поэтому была разработана технология получения многослойного материала на имеющемся в России оборудовании. При разработке данного материала в качестве основы использовали стеклоткань, а в качестве фоновой, декоративной и защитной пленки -смесь фторопластов.

Формирование фторпокрытия на тканевой основе осуществляли раклевым способом послойно до необходимой толщины и внешнего вида с промежуточной сушкой каждого слоя. Разработанному материалу присвоена марка «Полиплекс».

В производственных условиях были выпущены образцы материала белого, светлосерого и голубого цветов и проведены расширенные испытания материала «Полиплекс».

Сравнительные свойства пленок «Полиплекс», ПДОАЗм-23 и Aerfilm LHR представлены в табл. 1, а результаты испытаний материала «Полиплекс» с обшивками и трехслойными сотовыми панелями - в табл. 2.

* Ген. директор ОАО «Искож»