НАНЕСЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ.

1. Полимерно-порошковое покрытие

2. Характеристики полимерно-порошкового покрытия

3. Нанесение полимерных покрытий

4. Классификация способов нанесения покрытий

5. Первая группа нанесения полимерных покрытий

5.1 Вихревое напыление (вибрационный, вибровихревой метод нанесения полимерных покрытий)

2 Пневматическое напыление

3 Беспламенное напыление

4 Центробежный метод распыления порошков

6. Вторая группа нанесения полимерных покрытий

6.1 Газопламенное напыление

2 Плазменное напыление

3 Теплолучевой метод

4 Экструзионный метод

5 Напыление в вакууме

7. Третья группа нанесения полимерных покрытий

7.1 Технология порошковой окраски электростатическим напылением - технология зарядки коронным разрядом

7.2 Трибостатическое напыление - зарядка трением

3 Нанесение покрытия в ионизированном псевдоожиженном слое

Заключение

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

НАНЕСЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ.

1. Полимерно-порошковое покрытие

Полимерное покрытие - результат обработки поверхности порошковой краской. Последняя представляет собой специальный твердый состав, который при повышении температуры превращается в сплошную пленку, призванную защитить металлическое изделие от коррозии и придать ему эстетичный внешний вид.

Порошковое полимерное покрытие широко применяется сегодня при ремонтно-строительных работах. Оно идеально подходит для элементов фасада (кровли, оконных профилей, дверей, ограждений), спортивного, садово-паркового инвентаря, а также офисной мебели.

Полимерно-порошковое окрашивание было разработано в 1950-х гг. в США. В то время только лишь начинало формироваться автомобильное производство, которое одним из немногих имело честь протестировать новейший вид покраски. С тех пор прошло уже более 60 лет, и каждый человек может пользоваться порошково-полимерным покрытием металла каждый день, в том числе и у себя на кухне. Сегодня же по объему выпуска термоактивных порошковых ЛКМ лидирует не кто иной как Европа. В России обстановка несколько иная, потому как серийное производство подобный продукции началось только лишь с 1975 года. Теперь полимерно-порошковое окрашивание становится необычайно популярным, проникая во многие слои, раньше занятые традиционными лакокрасочными покрытиями.

Метод порошкового окрашивания является популярной альтернативой нанесению жидких лакокрасочных материалов для деталей, допускающих термообработку. Чаще всего слой порошково-полимерного состава на изделии составляет 0,3мм.

Порошковые краски - это твердые дисперсные композиции, в состав которых входят пленкообразующие смолы, отвердители, наполнители, пигменты и целевые добавки. Получают порошковые краски главным образом смешением компонентов в расплаве с последующим измельчением сплава до максимального размера частиц.

Порошковые краски своей популярностью обязаны отсутствию растворителей и содержанию веществ, гарантирующих непроницаемое для солей, кислот и влаги тонкослойное покрытие. При этом оно отвечает высоким стандартам качества, является абразивостойким и высокопрочным.

Повышенная устойчивость к механическим повреждениям гарантирует сохранность внешнего вида на протяжении всего срока службы окрашенного полимерно-порошковым покрытием металла.

Основное достоинство метода полимерно-порошкового окрашивания заключается в антикоррозийной защите металла. И получаемое покрытие обладает повышенной жаростойкостью, электроизоляционными свойствами, долговечностью, прочностью, экологичностью, сохраняет первоначальный колер и соответствует Европейским стандартам.

2. Характеристики полимерно-порошкового покрытия

Толщина покрытия 60...80мкм;

Высокая устойчивость к ультрафиолетовому излучению;

Минимальный радиус изгиба - 1T;

Возможность окраски в любой цвет.

Повышенная устойчивость к механическим повреждениям, что гарантирует сохранность внешнего вида на протяжении всего срока службы окрашенного металла;

Повышенная прочность на удар, изгиб, истираемость;

Высокая адгезия с окрашиваемой поверхностью;

Высокая антикоррозионная стойкость к воздействию влаги, растворов щелочей и кислот, органических растворителей;

Широкий рабочим диапазоном от -60 0С до +150 0С;

Непревзойденные эстетические характеристики: повышенная толщина полимерного покрытия позволяет маскировать незначительные дефекты поверхности.

Кроме того, у полимерной краски существуют множество поверхностных эффектов, которые позволяют добиваться безупречного внешнего вида готовых изделий без утомительной и долгой подготовки.

Порошково-полимерное покрытие устойчиво к атмосферной коррозии и может уверенно эксплуатироваться в условиях:

Промышленной атмосфере средней агрессивности сроком до 30 лет;

Слабоагрессивной атмосферы сроком до 45 лет;

Приморской городской атмосферы средней агрессивности сроком до 15 лет.

3. Нанесение полимерных покрытий

Технология нанесения полимерных порошковых красок - экологически чистая, безотходная технология получения высококачественных защитных и защитно-декоротивных полимерных покрытий. Покрытие формируют из полимерных порошков, которые напыляют на поверхность изделия, а затем в печи под определенной температурой проходит процесс термообработки (полимеризации).

Процесс нанесения покрытий практически всеми известными методами предполагает последовательную реализацию следующих основных этапов:

1. Очистку покрываемой поверхности от загрязнения, оксидных и годрооксидных слоев и проведение активационной обработки;

Нанесение полимерного материала на поверхность;

Закрепление полимерного материала на поверхности;

Заключительная обработка покрытия с целью достижения необходимых служебных свойств;

Контроль качества покрытия, оценка соответствия его свойств, геометрических параметров требуемым.

Полимерные покрытия, наносимые на поверхность твердого тела, используются для повышения служебных свойств изделий.

Качество покрытий зависит от строгого соблюдения технологических режимов всех стадий процесса.

Подготовка поверхности.

Для очистки поверхности от ржавчины, окалины, старых покрытий в основном используют механические и химические способы. Из механических способов наиболее распространение струйная абразивная обработка с применением дробеметных, дробеструйных и пескоструйных аппаратов.

В качестве обезжиривающих веществ применяют органические растворители, водные моющие (щелочные и кислые) растворы. Органические растворители (Уайт-спирит, 646) из-за вредности и огнеопасности применяют для обезжиривания способом ручной протирки х/б ветошью не оставляющей ворсы на поверхности изделий, ограниченно, главным образом при окрашивании небольших партий. Основной промышленный способ обезжиривания связан с использованием водных моющих составов - концентратов. В основном они представляют собой порошки. Обезжиривание проводят при 40-600С; продолжительность обработки окунанием 5-15 мин, распылением 1-5 мин. Большинство составов пригодно для обезжиривания как черных, так и цветных металлов (алюминий, медь, цинк и магниевые сплавы). Обезжиривание требует не только обработку моющим составом, но и последующую их промывку и сушку.

Химическое удаление оксидов основано на их растворении или отслаивании с помощью кислот (в случае черных металлов) или щелочей (для алюминия и его сплавов). Эта операция преследует цель улучшить защиту изделий, сделать ее более надежной и длительной. наиболее распространено фосфатирование черных металлов и оксидирование цветных, в первую очередь алюминия и его сплавов. Цветные металлы (алюминий, магний, их сплавы, цинк) для улучшения адгезии и защитных свойств покрытий оксидируют. Завершающей стадией получения конверсионных покрытий, как и любых операций мокрой подготовки поверхности, является сушка изделий от воды.

Подготовка порошкового материала и сжатого воздуха.

Порошковые полимерные материалы промышленного изготовления, у которых не истек срок годности, как правило, пригодны для получения покрытий без какой-либо подготовки. Исключения могут быть в тех случаях, когда нарушались условия хранения или транспортировки материала.

Наиболее типичные дефекты красок, связанные с их неправильным хранением: комкование, химическое старение; увлажнение сверх допустимой нормы. Рекомендуемая температура хранения порошковых красок не выше 30°С. Слежавшиеся краски, имеющие крупные или даже мелкие агрегаты, не пригодны для применения и требуют переработки - измельчения до требуемого размера частиц и просева. При малой агрегации частиц иногда ограничиваются просевом. Рекомендуемая ячейка сита для просеивания должна быть в пределах 150-200 мкм.

Химическому старению в наибольшей степени подвержены термореактивные краски с высокой реакционной способностью при несоблюдении условий их хранения. Краски, имеющие признаки химического старения, должны выбраковываться, их исправление практически невозможно. Краски с повышенной степенью увлажнения (что видно по их пониженной сыпучести, склонности к агрегации, плохой заряжаемости) подлежат - сушке при температуре не выше 35 0С на протвине слоем 2-3см. в течение 1-2 часов с периодическим перемешиванием краски.

Полимерные порошковые краски являются гигроскопичными и поглощают из окружающего воздуха пары воды в результате чего, краски плохо транспортируются по трубопроводу распылителей, распыляются, заряжаются (особенно касается трибостатического напыления). Подготовка сжатого воздуха заключается в его очистке от капельной влаги и масла с последующей осушкой от их паров. Воздух, используемый для распыления порошковых красок, должен удовлетворять следующим требованиям: содержание масла - не более 0,01 мг/м3; содержание влаги - не более 1,3 г/м3; точка росы - не выше 7°С; содержание пыли не более 1мг/м3. Подготовка осуществляется пропусканием сжатого воздуха через маслоуловители и установку осушки сжатого воздуха ОСВ-30, в котором освобождение от влаги сжатого воздуха достигается пропусканием последнего через слой сорбента забирающий из сжатого воздуха пары воды и масла. Регенерация сорбента осуществляется прокаливанием сорбента при температуре 120-150 0С в течение 2-3 часов с последующим охлаждением последнего. Срок использования сорбента около 5 лет.

4. Классификация способов нанесения покрытий

Все способы нанесения полимерных покрытий можно разделить на три группы.

I - группа - способы нанесения, осуществляемые путем напыления порошка на изделия, нагретого выше температуры плавления наносимого полимера:

а) вихревое напыление (нанесение в псевдоожиженном слое), вибрационный, вибровихревой;

б) пневматическое напыление;

в) безплазменное напыление;

г) центробежное напыление.

II - группа - способы нанесения, осуществляемые путем напыления расплавленных частиц порошкового полимера на поверхность нагретого изделия:

а) газоплазменное напыление;

б) теплолучевое напыление;

в) экструзионное напыление;

III - группа - способы нанесения, осуществляемые путем напыления электрически заряженных частиц порошка на поверхность противоположно заряженной поверхности:

а) электростатическое напыление - зарядка коронным зарядом в электрическом поле;

б) трибостатическое напыление;

в) нанесение покрытия в ионизированном псевдоожиженном слое.

Рассмотрим подробнее способы нанесения полимерных покрытий

5. Первая группа нанесения полимерных покрытий

1 Вихревое напыление (вибрационный, вибровихревой метод нанесения полимерных покрытий)

Является самым часто встречающимся методом нанесения порошковых покрытий.

Процесс вихревого напыления состоит в следующем: между основанием резервуара и агломерационной камерой располагается воздухо- или газопроницаемая плита из металлокерамики или же фильтр из синтетического материала (диаметр пор < 25 мкм). В агломерационную камеру загружается полимерный порошок. Размер частиц, образующихся в результате спекания порошков, составляет от 50 до 300 мкм. Для спекания в нижний отсек резервуара (основание резервуара) вдувается воздух, который, равномерно распределяясь при прохождении через пористую пластину, проникает в агломерационную камеру и создает «кипящий» слой порошка. Необходимое давление воздуха зависит от высоты «кипящего» слоя и плотности порошка и составляет от 2,6 до 2,0 бар. Необходимое количество воздуха равно от 80 до 100 м3 в час и на 1 м2 поверхности днища. Завихренный порошок ведет себя подобно жидкости (он «псевдоожижен»), поэтому предметы, на которые требуется нанести покрытие, могут быть легко в него погружены. Для расплавления порошка необходим предварительный нагрев металлических предметов, на которые предполагается нанести покрытие. Предварительный нагрев целесообразно осуществлять в сушильных печах с циркуляцией воздуха при температурах выше плавления соответствующего полимера (100-200 °С). До предварительного нагрева поверхность обезжиривается. Подготовленные и нагретые металлические изделия опускаются в кипящий слой порошка (рисунок 1). После нанесения покрытия охлаждение полиэфинов должно по возможности осуществляться медленно. Полимерное покрытие может быть доведено до зеркального блеска.

Рисунок 1. Схема установки для нанесения покрытий в псевдоожиженном слое:

Трубка для подвода воздуха, 2 - подвеска, 3 - корпус, 4 - ремонтируемая деталь, 5 - пористая перегородка, 6 - порошок

Преимущества:

1. за один цикл нанесения и последующего отверждения можно получить толстослойное покрытие, обладающее высокой антикоррозионной стойкостью;

2. при соблюдении технологического цикла нанесения можно регулировать равномерность толщины пленки;

Низкая первоначальная стоимость оборудования.

Недостатки:

1. для загрузки ванны необходимо большое количество порошка;

2. обрабатываемая деталь должна быть предварительно нагрета;

Этот метод нанесения используется только в тех случаях, когда необходимо получить толстослойное покрытие;

Окрашиваемые изделия должны быть простой формы.

При вибрационном методе для создания в рабочей зоне взвешенного слоя полимерного порошка установки снабжены вибраторами - механическими, электромагнитными или воздушными, заставляющими вибрировать корпус установки или соединенное с корпусом диафрагмой только дно ванны. Пористой перегородки камера не имеет. Широкого применения этот метод не получил, так как не обеспечивает равномерного покрытия из-за того, что при вибрации на поверхность взвешенного слоя поднимаются более крупные частицы порошка.

Сочетание вихревого метода с вибрационным носит название вибровихревого метода напыления, который обеспечивает однородную структуру и плотность взвешенного слоя, и применяется для нанесения порошков полимеров, обладающих плохой сыпучестью или слежавшихся.

В нижней части установки под ванной смонтированы электромагнитный вибратор и мембрана с частотой 10-100 колебаний в секунду. На частицы порошка одновременно действуют вибрация и потоки воздуха, что обеспечивает равномерный слой покрытия. Метод предназначен для нанесения защитных и декоративных покрытий.

5.2 Пневматическое напыление

Этот метод нанесения покрытий заключается в напылении пневматическим распылителем порошкового материала на поверхность предварительно нагретого изделия. Метод позволяем наносить покрытия на изделия разного габаритного размера и конфигурации с использованием небольшого количества порошка. .

Основные достоинства способа высокая производительность, простота конструктивного исполнения и универсальность Недостатками метода являются необходимость предварительного нагрева изделий, весьма значительные (до 50%) потери распыляемого материала, невозможность получения равномерных покрытий по толщине пленки, особенно при наличии острых кромок и невертикальных плоскостей.

Все установки для пневматического напыления порошковых полимеров состоят из питателя и распыляющих головок, которые снабжены приборами и аппаратурой для регулирования и контроля процесса нанесения покрытий. Питатель предназначен для подачи в распыляющую головку воздушно-порошковой взвеси. Посредством головки распылителя порошок направляется на покрываемую поверхность.

На рис. 106, а-д показаны сменные насадки пистолета-распылителя для нанесения порошковых материалов. Пистолет работает по принципу эжекционного подсоса порошка. Расход подаваемого воздуха регулируется иглой, воздушно-порошковая смесь подается к пистолету от питателя.

3 Беспламенное напыление

Порошкообразный полимер в смеси с воздухом через распыляющую головку наносится на предварительно очищенную нагретую поверхность изделия. По сравнению с методом газопламенного напыления здесь применяется простая конструкция распылительной головки и возможность напыление изделий различных конструкций и размеров при небольшом количестве порошка. Беспламенное напыление применяется для покрытия наружных и внутренних поверхносте труб различных диаметров длиной до 12м.

5.4 Центробежный метод распыления порошков

Для нанесения покрытий на внутренние поверхности труб, емкостей, сосудов цилиндрической формы получил распространение центробежный способ получения покрытий, заключающийся в нанесении порошка на нагретые изделия при одновременном их вращении.

Порошок из дозирующего устройства поступает на диски, вращающиеся в горизонтальной плоскости в противоположных направлениях. Порошок на дисках распыляется под действием центробежных сил, образуя плоскую струю.

6. Вторая группа нанесения полимерных покрытий

1 Газопламенное напыление

полимерный покрытие порошковый напыление

Сущность процесса газопламенного нанесения полимерного покрытия состоит в том, что струю сжатого воздуха с взвешенными в ней частицами порошка пропускают через факел ацетилено-воздушного пламени. В пламени частицы порошка нагреваются, размягчаются и, ударяясь в предварительно подготовленную и нагретую поверхность, прилипают к ней, образуя сплошное покрытие. В ремонтной практике нанесение полимерных покрытий газопламенным способом применяют для выравнивания сварных швов и неровностей на поверхностях кабин и деталей оперения автомобилей, тракторов, комбайнов.

Материал для напыления - пластмасса ПФН-12 (МРТУ6-05-1129-68); ТПФ-37 (СТУ12-10212-62). Порошок из этих материалов перед использованием должен быть просеян через сито с сеткой № 016... 025 (ГОСТ 3584-53) и при необходимости просушен при температуре не более 60°С в течение 5...6ч, а затем просеян.

Рисунок 2. Схема газопламенного напыления через горелку-распылитель.

Перед нанесением покрытия газопламенным способом поврежденные поверхности с вмятинами и неровностями должны быть выправлены, а трещины и пробоины заварены. Поверхность сварных швов должна быть зачищена шлифовальной машинкой до удаления острых углов и кромок. Поверхности вокруг сварных швов и неровностей зачищают до металлического блеска. Подготовленная поверхность не должна иметь окалины, ржавчины и загрязнений. Нанесение покрытия производится с помощью установки УПН-6-63. Вначале пламенем горелки нагревают поврежденную поверхность до температуры 220... 230 °С. При этом скорость перемещения горелки составляет 1,2... 1,6 м/мин; давление ацетилена- не ниже 0,1004 МПа; давление сжатого воздуха- 0,3... 0,6 МПа; расстояние от мундштука до нагреваемой поверхности- 100... 120 мм. Затем, не выключая пламени горелки, открывают вентиль подачи порошка. Порошок наносят на нагретую поверхность за два-три прохода горелки. Через 5...8 с после напыления нанесенный слой пластмассы прикатывают роликом, смоченным холодной водой. Прикатанную поверхность пластмассы прогревают пламенем горелки в течение 5...8 с, на нагретое покрытие наносят второй слой порошка за два-три прохода и снова прикатывают роликом. Напыленную поверхность зачищают шлифовальной машинкой так, чтобы переход от поверхности металла к напыленному слою был равномерным.

Для газопламенного (термического) порошкового окрашивания не требуется заряжать изделие и частицы порошка для создания электростатического поля. Это означает, что окрашивать можно практически любую поверхность: не только металлы, но и пластики, стекло, керамику, дерево и многие другие материалы, которые бы деформировались или сгорели в камере полимеризации.

Газопламенная покраска исключает необходимость использовать громоздкие печи и камеры полимеризации, и выводит порошковую покраску на новые рубежи применения данной технологии, поскольку оборудование для распыления является портативным и универсальным. Его также используют не только для нагревания поверхности, напыления порошка, а и для повторного нагрева с целью выравнивания поверхности.

Среди недостатков данной технологии - это то, что покрытия не всегда имеют ровную поверхность, и их значение скорее функциональное, нежели декоративное. Но для таких объектов как мосты, корпуса кораблей или водонаборные башни важнее защита от коррозии и ржавчины, чем незначительная неровность в покрытии.

6.2 Плазменное напыление

Сущность способа состоит в переносе порошкового материала на поверхность изделия высокотемпературным потоком плазмы, которая образуется в результате частичной ионизации инертного газа (аргон, гелий или смесь гелия с азотом) при пропускании его через электрическую дугу при температуре от 3000 до 80000С.

При введении порошкового материала в поток плазмы порошок плавится и вместе с плазменным газом наносится на поверхность изделия. Нанесение порошковых материалов этим способом осуществляется вручную с помощью плазменного распылителя. Установка включает распылитель, трансформатор-выпрямитель, устройство для управления потоков газа, емкость для материала. В связи с тем, что наносить плазменным распылением можно только порошковые материалы с узким диапазоном дисперсного распределения частиц порошка и выдерживающих нагрев порядка 3500С (к таким полимерам относятся фторопласты, полиамиды), этот способ, несмотря на свои преимущества (высокая производительность, безвредность и др.), не нашел широкого применения в промышленности .

6.3 Теплолучевой метод

Более производителен и универсален по сравнению с газопламенным методом. Порошкообразный термопластичный материал подается в зону мощного теплового потока, где материал расплавляется и наносится на поверхность изделия. Воздушно-порошковая смесь образуется в вировихревом аппарате и направляется на изделие. Этот метод более эффективен, чем пламенный, сокращает потребление порошка и имеет меньшую энергоемкость. Покрытие имеет более высокие физико-механические характеристики и лучшую адгезию к поверхности изделия. Недостатками метода является значительные потери порошка и загрязнение воздуха.

6.4 Экструзионный метод

Для нанесения покрытий из термопластичных полимерных материалов на электрические провода, кабели, стальные трубы, на деревянные планки и другие полуфабрикаты применяются экструзионные линии на базе одночервячных пластицирующих экструдеров, причем широкое использование получили экструзионные агрегаты в кабельной промышленности. Например, для техники связи медные провода диаметром 0,4-1,4 мм покрываются полиэтиленовой или поливинилхлоридной пленкой толщиной 0,15-0,25 мм; для низкочастотной техники применяются покрытия из ПВХ; для кабелей диаметром 20-120 мм применяются покрытия из ПЭВП толщиной 4-25 мм. .

<#"809022.files/image004.gif"> <#"809022.files/image005.gif">

Рисунок 5. Нанесение покрытия с помощью распылителя

Его популярность обусловлена следующими факторами: высокая эффективность зарядки почти всех порошковых красок, высокая производительность при порошковом окрашивании больших поверхностей, относительно низкая чувствительность к влажности окружающего воздуха, подходит для нанесения различных порошковых покрытий со специальными эффектами (металлики, шагрени, мауары и т.д.).

Рисунок 6. Движения ионов коронного разряда в электрическом поле и осаждения их на поверхность частиц («ударная зарядка»).

Наряду с достоинствами электростатическое напыление имеет ряд недостатков, которые обусловлены сильным электрическим полем между пистолетом распылителем и деталью, которое может затруднить нанесение порошкового покрытия в углах и в местах глубоких выемок. Кроме того, неправильный выбор электростатических параметров распылителя и расстояния от распылителя до детали может вызвать обратную ионизацию и ухудшить качество полимерного порошкового покрытия.

Оборудование для порошковой окраски - электростатический пистолет распылитель есть типовом комплексе порошковой окраски Антанта.

Рисунок 7. Эффект клетки Фарадея

Эффект клетки Фарадея - результат воздействия электростатических и аэродинамических сил.

На рисунке показано, что при нанесении порошкового покрытия на участки, в которых действует эффект клетки Фарадея, электрическое поле, создаваемое распылителем, имеет максимальную напряженность по краям выемки. Силовые линии всегда идут к самой близкой заземленной точке и скорее концентрируется по краям выемки и выступающим участками, а не проникают дальше внутрь.

Это сильное поле ускоряет оседание частик, образуя в этих местах порошковое покрытие слишком большой толщины.

Эффект клетки Фарадея наблюдается в тех случаях, когда наносят порошковую краску на металлоизделия сложной конфигурации, куда внешнее электрическое поле не проникает, поэтому нанесение ровного покрытия на детали затруднено и в некоторых случаях даже невозможно.

Обратная ионизация

Рисунок 8. Обратная ионизация

Обратная ионизация вызывается излишним током свободных ионов от зарядных электродов распылителя. Когда свободные ионы попадают на покрытую порошковой краской поверхность детали, они прибавляют свой заряд к заряду, накопившемуся в слое порошка. Но поверхности детали накапливается слишком большой заряд. В некоторых точках величина заряда превышается настолько, что в толще порошка проскакивают микро искры, образующие кратеры на поверхности, что приводит к ухудшению качества покрытия и нарушению его функциональных свойств. Также обратная ионизация способствует образованию апельсиновой корки, снижению эффективности работы распылителей и ограничению толщины получаемых покрытий.

Для уменьшения эффекта клетки Фарадея и обратной ионизации было разработано специальное оборудование, которое уменьшает количество ионов в ионизированном воздухе, когда заряженные частицы порошка притягиваются поверхностью. Свободные отрицательные ионы отводятся в сторону благодаря заземлению самого распылителя, что значительно снижает проявление вышеупомянутых негативных эффектов. Увеличив расстояние между распылителем и поверхностью детали, можно уменьшить ток пистолета распылителя и замедлить процесс обратной ионизации.

7.2 Трибостатическое напыление - зарядка трением

Статическая электризация осуществляется путем обмена зарядами за счет разности в работе выхода электронов у материала частиц и материала стенок в зарядном устройстве или при обмене зарядами между частицами из-за различий в химическом составе примесей, температуре, фазовом состоянии, структуре поверхности и т.д.

Рисунок 9. Триботехническое напыление

В отличие от электростатического напыления, в данной системе нет генератора высокого напряжения для распылителя. Порошок заряжается в процессе трения.

Главная задача - увеличить число и силу столкновений между частицами порошка и заряжающими поверхностями пистолета распылителя.

Одним из лучших акцепторов в трибоэлектрическом ряду является политетрафторэтилен (тефлон), он обеспечивает хорошую зарядку большинства порошковых красок, имеет относительно высокую износоустойчивость и устойчив к налипанию частиц под действием ударов.

Рисунок 10. Отсутствие эффекта клетки Фарадея

В распылителях с трибостатической зарядкой не создается ни сильного электрического поля, ни ионного тока, поэтому отсутствует эффект клетки Фарадея и обратной ионизации. Заряженные частицы могут проникать в глубокие скрытые проемы и равномерно прокрашивать изделия сложной конфигурации.

Также возможно нанесение нескольких слоев краски для получения толстых порошковых покрытий.

Зарядные устройства трибоэлектрических распылителей должны удовлетворять следующим трем условиям необходимым для эффективной зарядки напыляемого материала:

обеспечивать многократные и эффективные соударения частиц порошка с трибоэлектризующим элементом;

производить снятие поверхностного заряда с трибоэлектризующего элемента;

обеспечивать стабильность процесса трибозарядки.

Распылители с использованием трибостатической зарядки конструктивно более надежны, чем пистолеты распылители с зарядкой в поле коронного разряда, поскольку они не имеют элементов, преобразующих высокое напряжение. За исключением провода заземления, эти распылители являются полностью механическими, чувствительными только к естественному износу.

7.3 Нанесение покрытия в ионизированном псевдоожиженном слое

Устройство для нанесения покрытий представляет собой камеру с электрическим кипящим слоем, в которую помещается изделие - 1 (рисунок 5). Камера делится пористой перегородкой - 2 на две части. В верхнюю часть на пористую перегородку насыпается порошковый материал - 3, а в нижнюю - подается сжатый воздух.

Рисунок 11. Нанесение покрытия в камере с кипящим слоем

При определенной скорости воздуха, проходящего через пористую перегородку, порошок переводится во взвешенное состояние, при котором частицы как бы витают в восходящем потоке воздуха. Из-за хаотичности движения частиц происходит их соударение между собой, что приводит к статической электризации частиц и зарядка их как отрицательным, так и положительным зарядом.

Электрическое поле, создаваемое между высоковольтным электродом, размещенным в порошковом слое, и заземленным изделием, вызывает разделение частиц в кипящем слое по знакам заряда. При приложении отрицательного напряжения к высоковольтным электродам положительно заряженные частицы накапливаются вокруг высоковольтного электрода, а отрицательно заряженные - в верхней части кипящего слоя порошка. Частицы, имеющие достаточно большой отрицательный заряд, выносятся электрическим полем из кипящего слоя и направляются к изделию. Из-за большой концентрации частиц в кипящем слое коронный разряд у поверхности высоковольтных электродов находится в полностью запертом состоянии. По мере накопления положительно заряженных частиц вокруг высоковольтных электродов происходит разряд и импульсное локальное отпирание коронного разряда, при котором осуществляется перезарядка частиц. Таким образом, в электрическом кипящем слое зарядка частиц носит сложный характер, сочетающий статическую электризацию частиц и зарядку в газовом разряде.

Процесс транспортировки частиц порошка к напыляемому изделию осуществляется в потоке воздуха. При этом соотношение аэродинамических и электрических сил, действующих на частицу, сильно отличается для разных устройств, используемых для нанесения покрытий. Если для распылителей с внутренней зарядкой транспортировка частиц осуществляется исключительно потоком воздуха, то в камерах с электрическим кипящим слоем направление движения частиц к изделию создается в основном электрическим полем. Для распылителей с внешней зарядкой перемещение частиц к изделию в равной мере определяется аэродинамическими и электрическими силами.

Способ нанесения покрытий из порошковых материалов в электростатическом поле имеет существенные преимущества перед всеми вышеупомянутыми способами:

Отсутствие предварительного нагрева;

Снижение потерь порошкового материала;

Возможность получения равномерных по толщине покрытий на изделиях сложной конфигурации;

Возможность автоматизации процесса напыления;

Универсальность и высокая производительность;

Экологическая чистота;

Сведение к минимуму пожаро- и взрывоопасность.

Эти факторы определили широкое распространение технологии нанесения полимерных покрытий в электростатическом поле.

Заключение

Нанесение полимерных покрытий является довольно сложным технологическим процессом, который может быть использован как для защиты различных видов материалов от неблагоприятных воздействий окружающей среды, так и для придания привлекательного внешнего вида различным товарам. .

Как правило, нанесение полимерных покрытий осуществляется с помощью специализированного оборудования в помещениях, где поддерживаются определенные показатели внутренней среды. В настоящее время существует множество технологических методик нанесения полимерных покрытий на различные виды материалов.

Наиболее популярными технологиями, которые используются при нанесении различных видов полимерных покрытий являются газопламенный и вихревой методы, вибрационный и вибровихревой способ, нанесение покрытий в электостатическом поле, а также применение различных видов суспензий, эмульсий и гуммировочных составов для обработки поверхностей.

Как правило, нанесение полимерных покрытий производится в процессе производства материалов или готовых изделий, но в некоторых случаях данный вид покрытий может наноситься, например, на автомашину, которая уже несколько лет эксплуатировалась владельцем.

Каждая технология нанесения полимерных покрытий имеет свои особенности, которые могут быть связаны как с процессом адгезии полимерного материала, так и со способом нанесения полимера. В любом случае, перед покрытием с помощью полимера любого изделия необходимо тщательно подготовить его поверхность, удалив грязь, старый слой краски или иные шероховатости. .

Кроме того, при проведении работ по нанесению полимера на поверхность любого материала необходимо четко соблюдать технологию данного процесса, в некоторых случаях температура, при которой происходит нанесения покрытия, может достигать несколько сот градусов. Также необходимо отметить, что в помещении, где производятся подобные работы, должна быть идеальная чистота, так как пыль и другие частицы могут привести к растрескиванию полимерного покрытия с течением времени.

При работе на оборудовании для нанесения полимерных покрытий необходимо тщательно соблюдать меры предосторожности, так как существует возможность получения серьезной травмы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Паниматченко А.Д. Переработка пластмасс, изд. Профессия, Спб 2005.

Карякина М.И., Попцов В.Е. Технология полимерных покрытий: Учебное пособие для техникумов. - М.: Химия, 1983 - 336с., ил.

Яковлев А.Д., Здор В.Ф., Каплан В.И. Порошковые полимерные материалы и покрытия на их основе. Л., Химия, 1979. 254 с.

4. Майссела Л. и Глэнга Р. Технология тонких пленок: Справочник/Под ред. Пер. с англ.; Под ред. Елинсона М. И., Смолко. Г. Г. - М.: Советское радио, 1977. -Т. 1. - 406 с.; Т. 2. - 353 с.

Липин Ю.В., Рогачев А.В., Сидорский С.С., Харитонов В.В. Технология вакуумной металлизации полимерных материалов- Гомель, 1994. -206 с.

Ройх И.Л., Калтунова Л. Н. Защитные вакуумные покрытия на стали. М.: Машиностроение, 1971. - 280 с.

7. Брук М.А., Павлов С.А. Полимеризация на поверхности твердых тел. - М.: Химия, 1990. - 130 с.

Ясуда Х. Полимеризация в плазме. - М.: Мир, 1988. - 376 с.

Красовский А.М., Толстопятов Е.М. Получение тонких пленок распылением полимеров в вакууме/ Под ред. Белого В.А.- Мн.: Наука и техника, 1989. - 181 с.

Плазменное напыление (или, другими словами – диффузионная металлизация) эффективный способ изменения физико-механических свойств, а также структуры основной поверхности. Поэтому он часто используется с декоративными целями, и для увеличения стойкости конечного продукта.

Принцип плазменного напыления

Как и традиционные методы поверхностных покрытий, при диффузионной металлизации происходит осаждение на поверхности металла слоя другого металла или сплава, который обладает необходимыми для последующего применения детали свойствами – нужным цветом, антикоррозионной стойкостью, твёрдостью. Отличия заключаются в следующем:

1. Высокотемпературная (5000 — 6000 °С) плазма значительно ускоряет процесс нанесения покрытий, который может составлять доли секунд.
2. При диффузионной металлизации в струе плазмы в поверхностные слои металла могут диффундировать также химические элементы из газа, где проводится обработка. Таким образом, регулируя химический состав газа, можно добиваться комбинированного поверхностного насыщения металла атомами нужных элементов.
3. Равномерность температуры и давления внутри плазменной струи обеспечивает высокое качество конечных покрытий, чего весьма трудно достичь при традиционных способах металлизации.
4. Плазменное напыление отличается чрезвычайно малой длительностью процесса. В результате не только повышается производительность, но также исключается перегрев, окисление, прочие нежелательные поверхностные явления.

Рабочие установки для реализации процесса

Поскольку чаще всего для инициации высокотемпературной плазмы используется электрический разряд – дуговой, искровой или импульсный – то применяемое для такого способа напыления оборудование включает:

• Источник создания разряда: высокочастотный генератор, либо сварочный преобразователь;
• Рабочую герметизированную камеру, где размещается подвергаемая металлизации заготовка;
• Резервуар для газа, в атмосфере которого будет производиться формирование высокотемпературной плазмы;
• Насосной или вакуумной установки, обеспечивающей необходимое давление для прокачки рабочей среды или для создания требуемого разрежения;
• Системы управления за ходом протекания процесса.

Работа плазмотрона, выполняющего плазменное напыление, происходит так. В герметизированной камере закрепляется напыляемая деталь, после чего между поверхностями рабочего электрода (в состав которого входят напыляемые элементы) и заготовкой возбуждается электрический разряд. Одновременно через рабочую зону с требуемым давлением прокачивается жидкая или газообразная среда. Её назначение – сжать зону разряда, повысив тем самым объёмную плотность его тепловой мощности. Высококонцентрированная плазма обеспечивает размерное испарение металла электрода и одновременно инициирует пиролиз окружающей заготовку среды. В результате на поверхности образуется слой нужного химического состава. Изменяя характеристики разряда – ток, напряжение, давление – можно управлять толщиной, а также структурой напыляемого покрытия.

Аналогично происходит и процесс диффузионной металлизации в вакууме, за исключением того, что сжатие плазмы происходит вследствие разницы давлений внутри и вне её столба.

Технологическая оснастка, расходные материалы

Выбор материала электродов зависит от назначения напыления и вида обрабатываемого металла. Например, для упрочнения штампов наиболее эффективны электроды из железо-никелевых сплавов, которые дополнительно легируются такими элементами, как хром, бор, кремний. Хром повышает износостойкость покрытия, бор – твёрдость, а кремний – плотность финишного покрытия.

При металлизации с декоративными целями, главным критерием выбора металла рабочего электрода является конфигурация напыляемой поверхности, а также её внешний вид. Напыление медью, например, производят электродами из электротехнической меди М1.

Важной структурной составляющей процесса является состав среды. Например, при необходимости получить в напыляемом слое высокостойкие нитриды и карбиды, в газе должны присутствовать органические среды, содержащие углерод или азот.

Последующая обработка готового покрытия

В силу особенностей процесса плотность напылённого слоя и прочность его сцепления с основным металлом не всегда бывают достаточными для обеспечения долговечности покрытия. Поэтому часто после обработки деталь подвергается последующему поверхностному оплавлению с использованием кислородно-ацетиленового пламени, либо в термических печах. Как следствие, плотность покрытия возрастает в несколько раз. После этого продукцию шлифуют и полируют, применяя твердосплавный инструмент.

С учётом последующей доводки изделия, толщину слоя металла после обработки принимают не менее 0,8 — 0,9 мм.

Для придания детали окончательных прочностных свойств её закаливают и отпускают, применяя технологические режимы, рекомендуемые для основного металла.

Плазменное напыление повышает теплостойкость, износостойкость и твёрдость изделий, увеличивает их способность противодействовать коррозионным процессам, а напыление с декоративными целями значительно улучшает внешний вид деталей.

Ограничениями технологии диффузионного плазменного напыления считаются чрезмерная сложность конфигурации заготовки, а также относительная сложность используемых установок.

При невысоких требованиях к равномерности образующегося слоя можно использовать и более простые установки, конструктивно напоминающие сварочные полуавтоматы. В этом случае плазменное напыление производится в воздушном пузыре, который образуется при обдуве зоны обработки компрессором. Электроды, в составе которых имеется напыляемый металл, последовательно перемещаются по контуру изделия. Для улучшения сцепления напыляемого металла с основой внутрь зоны напыления вводится также присадочный материал.

Плазменное напыление

Способ нанесения покрытий с помощью потока плазмы по своим возможностям превосходит методы нанесения металла с помощью кислородно-ацетиленового пламени и дуговой сварки. Преимущество этого способа перед другими заключается в возможности плавления и нанесения многослойных покрытий на материалы из тугоплавких металлов независимо от температуры плавления последних, что позволяет восстанавливать детали, вышедшие из всех ремонтных размеров.

Как и другие способы высокотемпературного напыления покрытий, плазменное напыление не вызывает коробления детали и изменения структуры. Износостойкость плазменных покрытий в 1,5…3 раза выше, а коэффициент трения в 1,5…2 раза ниже, чем у закаленной стали 45.

Плазменная струя используется для наплавки и нанесения покрытий на изделия из сталей, алюминия и его сплавов и других материалов путем расплавления присадочной проволоки или порошков металлов. С помощью плазмы производят резку и поверхностную обработку различных материалов, нагрев под пайку и термическую обработку. Применение для плазмообразования и защиты нейтральных газов - аргона, азота и их смесей - обеспечивает минимальное выгорание легирующих элементов и окисление частиц. Плазменное напыление позволяет улучшить свойства металлопокрытий, однако ее широкое применение ограничивается невысокой прочностью сцепления покрытия с поверхностью восстанавливаемой детали и надежностью плазменных горелок, большим шумом и яркостью горения дуги. Плазменная дуга представляет собой высокоинтенсивный источник теплоты, состоящий из молекул атомов, ианов, электронов и световых квантов в сильно ионизированном состоянии, температура которого может достигать 20 000 °С и более.

Плазменная струя имеет ярко светящееся ядро, длина которого может изменяться от 2…3 до 40…50 мм в зависимости от размеров сопла и канала, состава и расхода газа, величины тока и длины дуги.

Цепь питания установки состоит из двух источников: один из них предназначен для питания плазменной дуги, а второй - для поддержания основной дуги. Плазмообразующий газ подается из баллона через газовую аппаратуру, расположенную в пульте управления. Для подачи присадочного порошка используется транспортирующий газ. Газовая аппаратура состоит из баллонов, редукторов, расходомеров, смесителя, предохранителей и электромагнитных вентилей.

Для наплавки целесообразно применять плазменные горелки, в которых одновременно горят две дуги: одна плазмообразующая, а вторая служит для подплавления основного металла и расплавления присадочного. При напылении рекомендуются горелки, в которых присадочный и основной металлы нагреваются частью плазменного потока, прошедшего через отверстие в сопле.

Для напыления антифрикционных покрытий применяются порошки нирезиста и бронзы. Порошки самофлюсующихся сплавов ПГ-СРЗ , СНГН -50, нержавеющей стали применяются в смесях для напыления износостойких покрытий, а также для восстановления валов и посадочных мест под подшипники.

Порошки интерметаллидов (химическое соединение металла с металлом) ПН55Т, ПН85Ю15 используют в качестве подслоя (0,05…0,1 мм) для повышения прочности сцепления покрытий и как составляющую порошковой смеси для повышения когезионной прочности покрытия. Достаточно высокие значения прочности сцепления плазменные покрытия имеют при толщине слоя до 0,6…0,8 мм.

Для напыления коренных и шатунных шеек коленчатого вала двигателя ЗИЛ -130 можно использовать смесь порошков-15…25 % (по массе) ПН85Ю15 + 35…40% ПГ-СРЗ + 35…50 % П2Х13. По экономическим соображениям целесообразно напылять смесями, основными компонентами которых являются дешевые порошки (нирезист, нержавеющая сталь, бронза). В их состав вводят 10…15% порошка ПН85Ю15.

Порошки ПР-Н70Ю30 и ПР-Н85Ю15, производства НПО «Тулачермет», могут служить подслоем и основным слоем покрытия в комбинации с высокоуглеродистыми порошками.

Качество покрытия при плазменном напылении в значительной мере зависит от мощности горелки, расхода газов, электрического режима, подачи порошка, условия напыления (расстояние горелки от изделия, угол напынапыления устанавливают для каждого конкретного случая экспериментально.

Рис. 1. Схема установки для плазменной наплавки:
1 - основной источник тока; 2 - источник тока для возбуждения; 3 - плазменная горелка; 4 - баллон с газом, транспортирующий наплавочный порошок; 5 - газовый редуктор; 6 - дозатор; 7 - баллон с плазмообразующим газом; 8 - ротаметр; 9 - смеситель.

Рис. 2. Схемы плазменных горелок для наплавки (а) и для напыления (б):
1 - электрод вольфрамовый (катод); 2 - изоляционная прокладка; 3 - сопло (анод); 4 - плазма; 5 - наплавленный слой; 6 - основной металл; 7 - канал для подачи наплавочного порошка; 8 - каналы для охлаждающей воды; 9 - напыленный слой.

Для восстановления деталей типа «вал» (валы шестерни, валы и оси пустотелые и сплошные, крестовины кардана и дифференциалы) с износом не более 3 мм способом плазменной наплавки твердосплавными материалами используется установка ОКС -11231-ГОСНИТИ .

Диаметр и длина наплавляемых деталей соответственно 20…100 и 100…800 мм. Применяемые порошки: сор-майт, подшихтованный порошком алюминия АСДТ ; УС-25 с алюминием; Т-590 с алюминием; ПГ-Л101 с алюминием; газ - аргон, сжатый воздух. Твердость наносимого металла составляет до 66 HRC3. Габаритные размеры станка 2225Х1236Х1815 мм.

По данным ГОСНИТИ , годовой экономический эффект от внедрения установки составит более 9 тыс. руб.

На установке ОКС -11192-ГОСНИТИ с успехом восстанавливают фаски тарелки клапана дизелей всех марок порошковым материалом ПГ-СР2. Ее производительность 80… 100 клапанов в смену.

Высокую надежность в работе показал малогабаритный плазмотрон ВСХИЗО -З, который в сочетании с переоборудованной установкой УМП -5-68 рекомендуется для восстановления коленчатых валов двигателей ЯМЗ -238НБ, СМД -14 и А-41 с использованием следующих композиций: проволоки Св-08Г2С-80…85 % + порошок ПГ-СР4-15…20 % (СМД -14 и А-41) и проволоки 15ГСТЮЦА-75…80 %+порошок ПГ-СР4-20…25 %. Твердость шеек вала в первом случае составляет 46,5… 51,5 HRC3, во втором - 56,5…61 HRC3. Износостойкость шеек н вкладышей, находится на уровне коленчатого вала.

Требует разрешения проблема обеспечения необходимой прочности сцепления металлопокрытия с изделием, изыскания новых дешевых материалов и эффективных способов подготовки изношенных поверхностей деталей перед плазменным напылением.

Первый может быть решен введением дополнительной операции - оплавления напыленного покрытия, которое производится плазменной или кислородно-ацетиленовой горелкой непосредственно после нанесения покрытия, а также при помощи нагрева токами высокой частоты. После оплавления покрытия улучшаются его физико-механические свойства, а прочность сцепления возрастает в 10 раз и более.

Технологический процесс восстановления деталей этим способом включает очистку поверхности изделия от загрязнений и окислов (при необходимости предварительное шлифование для придания правильной геометрической формы детали), ее обезжиривание и абразивно-струйную обработку (создает наклеп, разрушает окисную пленку, увеличивает шероховатость), напыление детали с оплавлением покрытия и затем механическую обработку изделия.

Давление сжатого воздуха при абразивно-струйной обработке - 0,4…0,6 МПа, расстояние обдува 50… 90 мм, угол атаки струи абразива 75…90°. Продолжительность обработки зависит от абразива (порошок белого электрокорунда 23А, 24А или черного карбида кремния 53С, 54С зернистостью 80… 125 мкм ГОСТ 1347-80, стальная или чугунная колотая дробь ДСК и ДЧК № 08К; № 1,5К ГОСТ 11964-69), материала детали и его твердости и площади обрабатываемой поверхности. Время между подготовкой и напылением должно быть минимальным и не превышать 1,5 ч.

Расстояние от среза сопла до поверхности детали при плазменном оплавлении уменьшают в пределах 50…60 мм.

Для цилиндрических деталей оплавление производят при их вращении с частотой 10…20 мин-1.

В качестве вращателя при плазменном напылении могут быть использованы установки 011-1-01, 011-109 или токарно-винторезный станок.

Выбирая окончательную толщину слоя, следует учитывать усадку при оплавлении (10…20 %) и припуск на механическую обработку (0,2…0,3 мм на сторону).

Плазменные покрытия, напыленные металлическими порошками, обрабатывают на токарно-винторезных или шлифовальных станках с помощью стандартного режущего инструмента. Особенно эффективно шлифование кругами из синтетических алмазов.

Проведенные исследования показали, что плазменным напылением с оплавлением покрытия можно восстанавливать ответственные автотракторные детали любой формы (тарелки и стрежни толкателей, фаски тарелок и стержни клапанов, коленчатые валы, валики водяного насоса), что следует учитывать специалистам при разработке технологических процессов на восстановление этих деталей.

Применение плазменного напыления целесообразно при восстановлении быстроизнашивающихся рабочих органов сельскохозяйственных машин (при этом желательно нанесение порошков из карбидов). Оно может быть применено для нанесения жаростойких антикоррозийных покрытий деталей, работающих при высоких температурах.

Вместе с тем проблема напыленных покрытий полностью еще не решена. Например, контроль в процессе напыления толщины покрытий, механическая обработка напыленных покрытий. Необходимы дальнейшее совершенствование существующей технологии высокотемпературного напыления и оборудования для ее выполнения, глубокие и разносторонние исследования возможностей и преимуществ этой технологии, разработка научно обоснованных рекомендаций по применению порошково-проволочных материалов на конкретных деталях.

К атегория: - Прогрессивные методы ремонта