ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ
POWDER MATERIAL FOR GAS-THERMAL SPUTTERING OF POLYMERIC COATINGS

Изобретение относится к газотермическому напылению полимерных антикоррозионных, химически стойких, износостойких покрытий на металлические и керамические изделия и конструкции.
Известны материалы на основе полиэтилена высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления, предназначенные для напыления защитных покрытий (Промышленные термопласты: справочник / В.Г.Макаров, В.Б.Коптенармусов. - М.: Химия, 2003. - С.108-128). ПЭВД является неполярным, аморфно-кристаллическим полимером с температурой плавления 103-110°С. Молекулярная масса ПЭВД промышленных марок колеблется от 30 до 500 тыс. ПЭНД является неполярным кристаллическим полимером (степень кристалличности составляет от 70 до 80%) с температурой плавления от 120-125°С. Молекулярная масса ПЭНД промышленных марок колеблется от 50 до 800 тыс. Для стабилизации ПЭВД и ПЭНД в композицию вводят ароматические амины, фенолы, фосфиты и другие антиоксиданты в количестве от 0,5 до 2,5%. Так как уровень физико-механических и химических свойств ПЭВД и ПЭНД существенно ниже, чем сверхвысокомолекулярного полиэтилена СВМПЭ, то и эксплуатационные свойства покрытий, полученных газотермическим напылением материалов на основе ПЭВД и ПЭНД, невысоки, что ограничивает области их применения.
Наиболее близкими к предлагаемому материалу по химическому составу и назначению являются порошковые смеси полиэтилена с различными функциональными добавками, описанные в RU 2051986 C1, С23С 4/04, В29С 33/62, 1996. Предлагаемые порошковые материалы для напыления полимерных покрытий имеют состав, указанный в табл.2.
Основой указанной композиции является порошок вторичного полиэтилена ВПЭ, который вырабатывается из отходов ПЭВД. Температура изделия при напылении 100-220°С. Материал подложки Ст-3. В процессе напыления материала происходит деструкция полиэтилена в формирующемся покрытии, которую авторы отмечают, как появление желтоватого оттенка покрытия. Для устранения деструкции авторы вводят в напыляемую шихту сажу. У полученных покрытий определяют адгезионную прочность, прочность при растяжении и химическую стойкость.
Задачей изобретения является получение полимерного порошкового материала для напыления покрытий на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена СВМПЭ.
6
2
3
Поставленная задача достигается тем, что в порошковый материал для газотермического напыления полимерных покрытий в качестве модификатора дополнительно вводят нанодисперсный порошок тугоплавкого соединения, имеющий размер частиц 50-300 нм. В качестве основы используют порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена со средневязкостной молекулярной массой n·10 г/моль, где n равно 2 и выше. Наполнителем является порошок AlO, имеющий размер частиц 40-50 мкм. Порошковый материал получают механическим смешиванием указанных компонентов в следующем соотношении, мас.%:
наполнитель Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10-30
нанодисперсный порошок тугоплавких соединений
5
сверхвысокомолекулярный полиэтилен
остальное
6
2
3
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в качестве основы полимерного материала используют порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена СВМПЭ со средневязкостной молекулярной массой от 2·10 г/моль и выше, наполнителя - порошок AlO, имеющий размер частиц 40-50 мкм, и модификатора - нанодисперсный порошок тугоплавких соединений, имеющий размер частиц 50-300 нм. Наполнитель вводят с целью упрочнения и повышения износостойкости полимерного покрытия. Частицы нанодисперсного порошка служат центрами кристаллизации кристаллической фазы полиэтилена при охлаждении напыленного покрытия. При этом возможны как структурная модификация кристаллической фазы, так и увеличение ее содержания в образующемся покрытии. Структурная модификация покрытия приводит к изменению его физико-механических характеристик, в частности повышению жесткости и прочности. Компоненты подвергают рассеву на определенные фракции, смешивают в требуемом соотношении. Полученные порошковые материалы наносят методом газотермического напыления на металлические и керамические изделия.
2
3
2
3
2
3
2
3
6
6
6
Процесс газотермического напыления и эксплуатационные свойства покрытий зависят от молекулярной массы СВМПЭ, количества и дисперсности наполнителя AlO и количества нанодисперсного модификатора. Было установлено, что формирование качественных, имеющих ровную поверхность покрытий при напылении на вертикально расположенную подложку порошкового СВМПЭ с молекулярной массой менее 2·10 г/моль затруднено. Это обусловлено тем, что расплав такого порошка обладает высокой жидкотекучестью, поэтому при достижении толщины более 300 мкм в процессе напыления покрытие начинает стекать по напыляемой поверхности. Покрытия, сформированные путем напыления порошка полиэтилена с молекулярной массой менее 2·10 г/моль, имеют низкую адгезионную прочность (0,8 МПа) и износостойкость. Стойкость напыленного покрытия к абразивному износу и его адгезия к подложке повышаются с ростом молекулярной массы применяемого порошка СВМПЭ, содержания наполнителя до 30 мас.% и модификатора до 5 мас.%. Покрытия с удовлетворительной адгезией, высокой химической стойкостью и износостойкостью получают из материала на основе СВМПЭ с молекулярной массой не ниже 4,5·10 г/моль с добавкой 30 мас.% порошка AlO и 5 мас.% нанопорошка модификатора. Введение в состав напыляемого материала нанодисперсного модификатора более 5 мас.% нецелесообразно, поскольку это не приводит к существенному повышению адгезии и износостойкости напыленных покрытий. Адгезия покрытий, напыленных из порошкового материала на основе СМВПЭ, содержащего более 30 мас.% наполнителя AlO, снижается. При содержании в напыляемой шихте AlO более 50 мас.% сплошное покрытие не образуется.
Гранулометрический состав порошков определяют методом ситового анализа по ГОСТ 18318-73. Насыпную плотность и текучесть порошков определяют с помощью стандартных воронок по ГОСТ 19440-74. Адгезионную прочность покрытия определяют путем нормального отрыва двух сопряженных дисков. Нижний диск является подложкой, на которую через 6 конических отверстий в верхнем диске напыляют полимерное покрытие. Триботехнические характеристики покрытий определяют по результатам испытаний, проводимых по схеме типа «вал-колодка». Испытания на износостойкость покрытий проводят в условиях абразивного изнашивания поверхности образца о незакрепленные частицы глинозема. Изностойкость оценивают по потере массы истираемого покрытия Δm.
В табл.1 приведены конкретные примеры составов порошковых материалов и физико-механические свойства газотермических покрытий.
6
3
2
3
2
Пример 1. Порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена СВМПЭ со средневязкостной молекулярной массой 2·10 г/моль, имеющий размер частиц 80-120 мкм, смешивают с 30 мас.% порошка AlO, имеющего размер частиц 40-50 мкм. В качестве модификатора добавляют 5 мас.% нанопорошка ZrO. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,45 г/см и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 2,5 МПа, износостойкость Δm 0,025 г, коэффициент трения 0,2.
6
3
Пример 2. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 6,5·10 г/моль. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,45 г/см и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 3,3 МПа, износостойкость Δm 0,02 г, коэффициент трения 0,15.
6
3
Пример 3. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 9·10 г/моль. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,45 г/см и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 3,8 МПа, износостойкость Δm 0,016 г, коэффициент трения 0,15.
6
3
2
Пример 4. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 6,5·10 г/моль, а в качестве модификатора добавляют 5 мас.% нанопорошка SiO. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,43 г/см и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 3,2 МПа, износостойкость Δm 0,022 г, коэффициент трения 0,14.
6
3
Пример 5. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 6,5·10 г/моль, а в качестве модификатора добавляют 5 мас.% нанопорошка SiC. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,42 г/см и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 3,6 МПа, износостойкость Δm 0,015 г, коэффициент трения 0,18.
6
3
2
3
2
Пример 6. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 6,5·10 г/моль, количество наполнителя - порошка AlO составляет 10 мас.%, в качестве модификатора добавляют 5 мас.% нанопорошка ZrO. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,33 г/см и текучесть 0,32 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 2,2 МПа, износостойкость Δm 0,08 г, коэффициент трения 0,11.
В табл.2 указаны составы и свойства покрытий из предлагаемого и известного материала. Видно, что покрытия, полученные из предлагаемого материала, имеют значительно более высокий уровень адгезионной прочности по сравнению с покрытиями из известного материала. Это обусловлено тем, что в предлагаемом материале в качестве основного компонента используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен, который обладает более высоким комплексом физико-механических и химических свойств по сравнению с полиэтиленом высокого и низкого давления, который применяется в известных материалах для напыления полимерных покрытий. Также в предлагаемом материале содержится керамический наполнитель и нанодисперсный модификатор, вследствие чего газотермические покрытия приобретают требуемый уровень эксплуатационных свойств.
Таблица 2
Материал
Состав
Адгезия, МПа
Предлагаемый
Наполнитель Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
30 мас.%
3,3
Модификатор нанопорошок ZrO<sub>2 </sub>СВМПЭ М=6,5·10<sup>6</sup>
5 мас.%
г/моль
остальное
Известный
Вторичный полиэтилен ВПЭ
100 мас.ч.
0,0021-0,0025
Стабилизатор ДАБИ (5(6)амино-2(п-аминофенил)-бензимидазол)
0,1-2 мас.ч.
Наполнитель сажа АГ-100
1,0-20 мас.ч.
Пластификатор низкомолекулярный полиэтилен
0,1-5 мас.ч.