СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ
METHOD OF PRODUCING COMPOSITIONS FOR MAKING ANTIFRICTION COATINGS ON METAL SURFACES

Изобретение относится к области нанесения антипригарных, коррозионностойких, износостойких и антифрикционных покрытий, которые могут быть использованы на изделиях, применяемых в пищевой, химической, машиностроительной областях промышленности, а также - к композициям для нанесения покрытий.
Известен способ получения композиции для покрытия, содержащей дисперсию политетрафторэтилена (ПТФЭ), деминерализованную воду, слюду (покрыта двуокисью титана), красящий пигмент (содержит окись железа, деминерализованную воду, олеиновую кислоту, триэтаноламин, бутилкарбитол, толуол), смесь, содержащую триэтаноламин, олеиновую кислоту, толуол, бутилкарбитол, причем смесь дополнительно содержит метилметакрилат и сополимер (40% водная дисперсия) (см. патент Великобритания №1557230, кл. C09D 127/18, 1976 г.).
Композицию получают введением в дисперсию фторопласта указанных компонентов.
В результате анализа данного изобретения необходимо отметить, что покрытие на основе указанной композиции недостаточно устойчиво к термоударам, а также обладает низкой термической стойкостью, что сокращает ресурс работы покрытия в условиях эксплуатации.
Известен способ получения антифрикционной композиции путем смешения соли полиамидокислоты, включающей в свой состав фурфуриловый спирт и N-метилпирролидон, воду с дисперсией белого пигмента, с дисперсией политетра фторэтилена и силиконовым препаратом. При этом дисперсию белого препарата получают путем перемешивания двуокиси титана, воды и смеси триэтаноламина и олеиновой кислоты (GB №1563814, 1976 г.).
Однако данная композиция не обеспечивает достаточной адгезионной прочности с подложкой и имеет недостаточно хорошие антифрикционные свойства. Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнителей и других элементов узлов трения путем смешивания политетрафторэтилена с неорганическими наполнителями различной химической природы (Истомин Н.П. и др. «Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов» М.: Наука, 1987, с.147).
Эти материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, что снижает их работоспособность, и они не пригодны для антифрикционных покрытий. Известен способ получения композиционного материала путем смешивания политетрафторэтилена с ультрадисперсным неорганическим наполнителем β-сиалоном общей формулы Si 6-х Al ON 8-х, обладая высокой износостойкостью в сочетании с высокими упрого-эластичными характеристиками, материал характеризуется нестабильностью коэффициента трения и сильным износом в области верхнего предела эксплуатации материала в составе изделия (0,5-1,0 мас.) (ТУ 301-05-120-81) «Композиции фторопластовые малонаполненные антифрикционного назначения). Данный материал, кроме того, не используется в качестве покрытий.
Известен способ получения композиции для получения антифрикционного покрытия путем приготовления раствора в органическом растворителе фторорганического поверхностно-активного вещества - эпиламаперфтороксиалкиленового или перфторированного соединения полиалкиленоксида в виде их азотсодержащих производных (RU 2139902, 20.10.1999).
Из RU 2278875, 27.06.2006 известен способ получения композиции для получения антифрикционного материала путем смешивания политетрафторэтилена с фторсодержащим олигомером, например, марок «Эпилам» или «Фолеокс» и медьсодержащим углеродным наполнителем.
Недостатками известных способов является то, что они, во-первых, не обеспечивают создания покрытия, обладающего необходимой износостойкостью и предохраняющего от разрушения поверхность изделия, подверженную значительным нагрузкам и высоким температурам. Указанный недостаток обусловлен тем, что известный способ не обеспечивает глубокое проникновение относительно вязкого антифрикционного состава во все микропоры, микротрещины на поверхности изделия и связывание атомарных кислорода и водорода, что не позволяет защитить поверхностный слой металла от коррозии и охрупчивания, вызываемых атомарными кислородом и водородом в указанных микропорах и микротрещинах, которые являются источниками распространения коррозии, не обеспечивает необходимого снижения газопроницаемости материала. При этом микропоры и микротрещины концентрируют напряжение и становятся центрами разрушения поверхности изделия, что увеличивает коэффициент трения, снижает срок службы изделия. Кроме того, известный способ не позволяет удалить из микропор и микротрещин продукты коррозии, способствующие коррозии на поверхности металла, которая увеличивает коэффициент трения. Недостаточное снижение газопроницаемости материала изделия, вызывающей старение материала изделия, и относительно высокий коэффициент трения обусловливают недостаточный срок работы изделия, на поверхность которого известным способом нанесено антифрикционное покрытие.
Известный способ обеспечивает проникновение антифрикционного состава лишь в часть указанных пор и микротрещин, однако находящиеся там вследствие недостаточно полной очистки продукты коррозии, вытесняемые на поверхность изделия антифрикционным составом, ухудшают качество полученного покрытия. Кроме того, как показали эксперименты, полученные известным способом покрытия, могут находиться в работоспособном состоянии при относительно невысоких температурах (до 150°С). Во-вторых, способом по RU 2278875, 27.06.2006 получают композиции, которые используют в машиностроении для изготовления узлов трения машин и механизмов различного назначения, но не используемых для покрытий по металлическим поверхностям.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и достигаемому результату является известный способ получения антипригарных, антифрикционных покрытий на металлических поверхностях на основе фторопластов Ф-4Д или смеси его с фторопластом Ф-4МДБ (на основе политетрафторэтилена и сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом в сочетании с лаком на основе полиамидокислоты из частично гидролизованной полиамидокислоты, этерифицированной моно-этаноламином в смеси растворителей N-метилпирролидона, диметилформамида и воды, путем введения в лак водной суспензии фторопласта Ф-4Д или смеси ее с водной суспензией фторопласта Ф-4МДБ и водной паты наполнителей, содержащих слюду, дисульфид молибдена и технический углерод, предварительно затертых в водных растворах, содержащих поливинилпирролидон и эмульгатор ОП-10. Состав перемешивают и вводят ксилол, этилцеллозольв и далее воду. Состав может содержать пигменты - двуокись титана, оксиды железа и другие добавки (одноатомные спирты, олеиновую кислоту и т.д.). RU Патент №2170286 от 26.11 1999 г. «Способ нанесения покрытия на металлическую поверхность, композиции грунтовочного покрытия и композиции для облицовочного покрытия».
Покрытия на основе данной композиции, полученной известным, указанным способом, обладают хорошими физико-механическими, антикоррозионными свойствами, обладают антипригарными и антифрикционными свойствами, однако известный способ имеет ряд недостатков.
Недостатки, как показали исследования, заключаются в исходной композиционной системе, полученной известным указанным способом, путем введения в лак на основе полиамидокислоты из частично гидролизованной полиамидокислоты, этерифицированной моноэтаноламином, в смеси растворителей N-метилпирролидона, диметилформамида и воды, водной суспензии фторопласта Ф-4Д или смеси ее с водной суспензией фторопласта Ф-4МДБ, а также водные пасты наполнителей, содержащих слюду, дисульфид молибдена, технический углерод, затертых в водных растворах поливинилпирролидона и эмульгатора ОП-10, после перемешивания вводят растворители - ксилол, этилцеллозольв и воду, а также могут быть введены диоксид титана, оксиды железа и др.
Указанный способ введения компонентов и их смесей при получении композиционной системы не обеспечивает их равномерное распределение, рассредоточение в массе составляющих, происходит частичная агломерация отдельных компонентов за счет «обволакивания» их растворителями различной по своей природе сольватирующей способности.
При нанесении известной композиции на металлическую поверхность агломераты ухудшают растекаемость композиции по поверхности, что создает разнотолщинность покрытия, неравномерность сосредоточения в пленке покрытия компонентов, что отражается на физико-механических свойствах, в частности устойчивости к нагрузкам и истирании, трибологическим параметрам: коэффициент трения на различных участках поверхности имеет различные значения.
Технической задачей заявляемого изобретения является стабилизация антифрикционных свойств покрытия, повышение значений коэффициента трения.
Поставленная техническая задача достигается способом получения композиции для получения антифрикционных покрытий на металлических поверхностях на основе водной суспензии политетрафторэтилена в сочетании с лаком на основе полиамидокислоты, поливинилпирролидоном и вспомогательными добавками, такими как наполнители, эмульгатор, органические растворители и вода, и состоящей из следующих стадий: а) приготовление лака на основе полиамидокислоты, включающей:
I - получение раствора полиамидокислоты растворением полиамидокислоты в смеси, содержащей N-метилпирролидон, моноэтаноламин и воду при (20-25)°C;
II - смешивание раствора со стадии I со смесью для лака, содержащей N-метилпирролидон, этилцеллозольв, бутиндиол;
б) приготовление смеси для смазки, содержащей эмульгатор на основе оксиэтилированных алкилфенолов, ксилол, этилцеллозольв и воду;
в) приготовление водной пасты на основе слюды, содержащей слюду, эмульгатор на основе оксиэтилированных алкилфенолов, поливинилпирролидон и воду;
г) обработка мелкодисперсных волокон с наноразмерами смесью для смазки со стадии (б);
д) приготовление водной сажевой пасты, содержащей сажу, обработанные мелкодисперсные углеродные волокна с наноразмерами (со стадии г), эмульгатор на основе оксиэтилированных алкилфенолов, поливинилпирролидон и воду;
ж) совмещение лака на основе полиамидокислоты со стадии (а) с пастой на основе слюды со стадии (в);
з) совмещение водной суспензии политетрафторэтилена с компонентами, полученными на стадиях д), ж), б), с поливинилпирролидоном и водой при перемешивании до получения однородной тонкодисперсной смеси (состава), при этом компоненты получаемой композиции содержатся в ней в следующих соотношениях, мас.ч.:
Водная суспензия политетрафторэтилена
27,8-8,5
Лак на основе полиамидокислоты
30,0-55,0
Указанная паста на основе сажи
7,3-1,0
Указанная паста на основе слюды
16,0-8,5
Смесь для смазки
10,7-18,8
Поливинилпирролидон
6,0-1,2
Вода
2,2-7,0
При приготовлении данной композиции для покрытия в композицию дополнительно может быть введена водная суспензия сополимера тетрафторэтилена с гексафторприпиленом.
При приготовлении данной композиции мелкодисперсные углеродные волокна с наноразмерами, используемые при приготовлении сажевой пасты, предварительно обрабатывают указанной выше смесью для смазки, используемой для приготовления композиции.
В качестве водной суспензии политетрафторэтилена при осуществлении способа по изобретению используют, например, водную суспензию (55-56%-ную) политетрафторэтилена марки Ф-4Д, (содержит политетрафторэтилен, эмульгатор на основе оксиэтилированных алкилфенолов, воду). В качестве водной суспензии сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом используют, например, водную суспензию Ф-4МДБ (53-54%-ную). В качестве эмульгатора на основе оксиэтилированных алкилфенолов используют, например, вспомогательные вещества ОП-6, ОП-7, ОП-10. В качестве углеродного волокна с наноразмерами (мелкодисперсные) используют, например, мелкодисперсные углеродные волокна с размером от 0,01-0,1 мкм.
Ниже приведены примеры водных паст на основе слюды, сажевой пасты, смеси для смазки, используемых при приготовлении композиции для антифрикционного покрытия согласно данному изобретению.
Пример 1 (Состав для смазки в мас.ч.):
ксилол
2,5-8,9
этилцеллозольв
6,7-1,5
эмульгатор ОП-10
2,0-4,2
вода
3,7-9,2
Пример 2 (Паста на основе сажи в мас.ч.):
сажа
1,2-0,2
углеродные мелкодисперсные волокна
(с размером 0,01-0,1 мкм)
0,25-0,05
эмульгатор ОП-10
1,2-0,12
поливинилпирролидон
1,0-0,05
вода
2,0-0,40
Пример 3 (Паста на основе слюды в мас.ч.):
слюда
1,8-5,6
эмульгатор ОП-10
0,6-2,0
поливинилпирролидон
0,4-1,3
вода
3,7-10,4
Пример 4 (Приготовление композиции по изобретению, с размером 0,01-0,1 мкм):
Сначала готовят лак на основе полиамидокислоты путем приготовления раствора полиамидокислоты в смеси, содержащей моноэтаноламин, N-метилпирролидон и воду. Далее в лак добавляют смесь для лака, содержащую этилцеллозольв, N-метилпирролидон, бутиндиол, и получают, таким образом, раствор лака на основе полиамидо-кислоты с сухим остатком 7,5-9,0%.
Готовят пасту на основе сажи (сажевую пасту), пасту на основе слюды, а также - смесь для смазки. При этом углеродные волокна мелкодисперсные предварительно обрабатывают смесью для смазки. Смешивают полученный лак на основе полиамидокислоты с полученной пастой на основе слюды.
В водную суспензию политетрафторэтилена Ф-4Д (54-56%-ную) вводят полученную смесь лака на основе полиамидокислоты с пастой на основе слюды, смесь для смазки, пасту на основе сажи, содержащей указанные углеродные волокна, поливинилпирролидон и воду. После введения каждой указанной смеси (порции) компонентов все тщательно перемешивают. Приготовленная композиция имеет условную вязкость 14-20 секунд (по ВЗ 246 с диаметром - 4).
Пример 5.
Композицию готовят аналогично примеру 4, но дополнительно при ее приготовлении используют водную суспензию ф-4МДБ (на основе сополимера тетрафторэтилена и гексафторпропилена).
Пример 6.
Полученные композиции испытывают по показателю - «внешний вид», что отражает тонкодисперсное состояние системы. Для этого пробу композиции, например, 10 мл разбавляют 10 мл воды, перемешивают и выливают на чистое фотографическое стекло. В полученной на стекле пленке отсутствуют сгустки, агломераты не распределенных в общей массе состава компонентов, в отличие от ранее известной композиции для покрытий на металлическую поверхность. Полученные по данному заявляемому изобретению композиции для антифрикционных покрытий используют как в качестве грунтовочных, так и в качестве облицовочных покрытий. Наносят композиции для получения антифрикционных покрытий на предварительно подготовленные металлические поверхности (алюминий, сталь, чугун и т.д.).
Подготовку металлических поверхностей осуществляют любым из известных для данного металла способом, обеспечивающим полное отсутствие жировых (масляных) и других загрязнений (обезжиривание и т.д.). Наносят композицию известными методами, например, методом аэрозольного распыления или валкового наката. На подготовленную металлическую поверхность осуществляют нанесение композиции для получения покрытия по изобретению в несколько слоев. Количество наносимых слоев, их толщина определяются конкретным назначением, условиями эксплуатации получаемого покрытия, типом (видом) изделий, на которые наносится композиция (подшипники скольжения, пресс-формы, газодинамические подшипники, термопары и т.д.). Общая толщина нанесенного многослойного покрытия может составлять 40-55 мкм, при толщине одного слоя от 3 до 19 мкм.
После каждого нанесенного слоя покрытия по данному изобретению предусмотрена сушка при 75-85°C в течение 5-10 мин и термообработка при 275-310°C в течение от 10 до 30 мин. Окончательную термообработку покрытия на основе композиции по предлагаемому изобретению проводят при 350-400°C. Покрытие подвергают следующим испытаниям:
- на адгезию, баллы - 1;
2
- прочность на отрыв, кгс/см - не отделяется от подложки;
- прочность при ударе кг - 50 - дефекты отсутствуют;
- прочность при изгибе - 1 - дефекты отсутствуют;
- прочность при вытяжке - дефекты отсутствуют (трещины, отслоения);
- на износ;
- коэффициент терния в динамическом режиме нагружения при нагрузке на образец 6,7 кг.
В таблице 1 представлены данные по антифрикционным свойствам покрытий на основе композиции, получаемой способом по заявляемому изобретению.
Таблица 1
Наименование параметра
В начале испытаний
В конце испытаний
эталон
фактически
эталон
фактически
1. Линейный износ, мкм
-
-
н.б. 4,0
1,0
2. Коэффициент трения статический
н.б. 0,14
0,027
н.б. 0,24
0,119
3. Коэффициент трения: динамический
н.б. 0,5
0,385
Ресурс в циклах нагружения
В таблице 2 представлены примеры композиций, получаемых заявленным способом
Таблица 2
Наименование компонентов
Соотношение компонентов, мас.ч.
1
2
3
1. Лак на основе полиамидокислоты (лак ПАК)
30,0
35,0
55,0
2. Паста на основе сажи
7,3
3,8
1,0
3. Паста на основе слюды
16,0
12,3
8,5
4. Смесь для смазки
10,7
15,2
18,8
5. Водная суспензия политетрафторэтилена Ф-4Д (56%)
27,8
23,0
8,5
6. Поливинилпирролидон
6,0
3,7
1,2
7. Вода
2,2
7,0
7,0
Как следует из приведенных данных, покрытие из композиций, полученных способом по заявляемому изобретению, практически в 2 раза превышает триботехнические свойства покрытия, полученного по известному ранее способу: начальный статический коэффициент трения снижен с 0,14 до 0,027; линейный износ с 4 мкм (по эталону) снижен до 1 мкм. Кроме того, за счет тонкодисперсной композиционной системы в получаемых покрытиях полностью отсутствуют дефекты (микропоры, пустоты, пузыри), что так же способствует повышению трибологических характеристик покрытий.