Состав для покрытий и способ его нанесения

 

Изобретение относится к области нанесения антифрикционных покрытий на контактируемые и трущиеся поверхности. Предложен состав и способ газодинамического напыления состава, состоящего из компонентов различной твердости, один из которых является полимером с дисперсностью не выше 10 мкм при его эффективном содержании не более 10 мас.%. Способ позволяет получать антифрикционные покрытия с низким коэффициентом трения, обладающего одновременно высокой механической прочностью и теплопроводностью. 2 с. и 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для нанесения антифрикционных покрытий на контактируемые и трущиеся поверхности.

Известен порошок для нанесения покрытий, состоящий из порошка меди и 10 - 90% цинка (П.РФ 2062820).

Известен материал для покрытий, представляющий смесь по крайней мере двух компонентов: пластичные металлы или их сплавы и материал, твердость которого не менее чем в три раза больше твердости первого компонента (з. N 9305207, оп. БИ N 1, 97 г).

Однако эти составы представляют собой смесь различных металлов, поэтому полученные на их основе покрытия не защищены от коррозии, химического разрушения, обладают высокими электропроводностью и теплопроводностью, имеют большие коэффициенты трения.

Известны полимерные покрытия, например политетрафторэтиленовые покрытия на алюминии (п. РФ N2068037, опубл. 20.10.96 г., а.з JP N 63-35817, опубл. 25.08.89 г.).

Однако полимерные покрытия обладают низкой механической прочностью, малой теплопроводностью и высоким коэффициентом термического расширения.

Наиболее близким к заявляемому является материал покрытия, представляющий собой смесь порошков, содержащую по крайней мере два компонента: металл или сплав и 20 - 80% по весу порошка материала, твердость которого не менее чем в три раза больше твердости первого компонента и частицы которого имеют форму, близкую к сферической, и поперечный размер в среднем не менее 30 мкм (п. РФ N 2109842, оп. 27.04.98 г). Однако как всякое металлическое покрытие оно подвержено коррозии, обладает высокими электропроводностью и теплопроводностью, имеет большой коэффициент трения.

Существует множество способов нанесения покрытий на трущиеся поверхности. Например, известен способ нанесения покрытия путем размещения между трущимися поверхностями механоактивированной смеси абразивноподобного вещества, например кварца, дисперсностью 0,1 - 5 мкм (а.с. СССР N 1601426) или природного серпентита дисперсностью от 0,001 до 1 мкм (п. РФ N 2006708). Предварительную механоактивацию осуществляют в шаровой мельнице. Известный способ приводит к получению пленок с низкими технологичными свойствами. Они недолговечны, хрупки и имеют недостаточную сплошность.

Известен способ нанесения ультрадисперсного политетрафторэтилена (УПТФЭ) с размером частиц до 5 мкм на предварительно анодированную поверхность алюминия путем механического натирания с последующим нагреванием поверхности до 280 - 340^oC (п. РФ N 2068037, опубл. 20.10.96 г.) Однако данный способ не позволяет достичь однородного по объему покрытия, а следовательно, приводит к тому, что механические свойства поверхности при работе не стабильны.

Известны способы пропитки политетрафторэтиленом алюминиевого пленочного гальванического покрытия путем анодного окисления в кислом растворе, содержащем взвешенные частицы политетрафторэтилена (а. з. Японии N 63-35817, опубл. 25.08.89; а.с. СССР N 1708943, опубл. 30.01.92). Способ сложен, малопроизводителен и малоприемлем для нанесения покрытий на большие поверхности.

Наиболее близким к заявляемому является способ нанесения покрытий на поверхность изделия ускоренным газовым потоком порошкообразного материала, представляющего собой смесь порошков, содержащую по крайней мере два компонента: металл или сплав и 20-80% по весу материала, твердость которого превышает твердость этого металла и частицы которого имеют форму, близкую к сферической, и поперечный размер которых в среднем не менее 30 мкм (П.РФ N 2109842). Способ предназначен для упрочнения поверхности, а образующееся покрытие обладает высоким коэффициентом трения.

Задачей, на решение которой направлены заявляемый состав и способ его нанесения, является получение антифрикционного покрытия, обладающего одновременно низким коэффициентом трения в вакууме и высокой механической прочностью и теплопроводностью, а также имеющего низкий коэффициент термического расширения и хорошую адгезию при большой толщине покрытия.

Поставленная задача решается предлагаемым составом, представляющим собой смесь порошков, состоящую по крайней мере из двух компонентов различной твердости при условии, что компонент с меньшей твердостью является полимерным материалом с дисперсностью не выше 10 мкм при его эффективном количестве в составе не более 10 мас.%, и способом нанесения покрытия ускоренным газовым потоком указанного состава, предварительно подвергнутого механоактивации.

Предлагаемый состав и способ его нанесения обеспечивают снижение коэффициента трения до 0.05 при одновременном увеличении толщины покрытия и его прочности, что приводит к снижению износа основного материала и усиливает защищаемую поверхность от коррозии.

В качестве одного из компонентов состава можно использовать материалы, обладающие высокой теплопроводностью и механической прочностью, например медь, алюминий, никель, железо, цинк, их оксиды или сплавы, графит и т.д., со средней дисперсностью до 20 мкм. Увеличение дисперсности приводит к неоднородности покрытия и снижает его прочность.

Вторым компонентом заявляемого состава является полимер с дисперсностью до 10 мкм и твердостью меньше твердости первого компонента, например ультрадисперсный политетрафторэтилен (УПТФЭ) (Цветников А.К., Матвеенко Л.А., Игнатьева Л.Н., Бузник В.М. Термогазодинамический метод переработки отходов политетрафторэтилена как путь к созданию новых высокодисперсных фторполимеров. Международный симпозиум "Химия и химическое образование, АТР XXI век": Тез. докл. -Владивосток. -1997. -С. 192.) Использование в составе для покрытий в качестве одного из компонентов состава полимера с твердостью ниже твердости другого компонента приводит к "обволакиванию" твердых частиц более мягкими, что позволяет защитить частицы основного компонента, а значит, и поверхность изделия, от коррозии, приводит к снижению коэффициента трения и износа покрытия, ведет к упрочнению покрытия, понижению тепло- и электропроводности.

При дисперсности используемого полимера выше 10 мкм не происходит полного "обволакивания" частиц основного компонента, что приводит к значительному ухудшению качества покрытия, а при содержании полимера в смеси больше 10 мас.% покрытие не образуется.

Состав готовится смешиванием заявляемых компонентов либо механически либо с использованием предназначенного для этого оборудования, например в шаровых мельницах или мельницах активаторов, и наносится на поверхность либо натиранием, либо галтовкой, либо газодинамическим напылением.

Наилучший результат достигается при использовании способа газодинамического напыления, позволяющего наиболее полно использовать преимущества заявляемого состава. Способ осуществляют следующим образом.

Порошкообразную смесь, состоящую из основного компонента и полимера, подвергают механоактивации известными способами, например в мельнице-активаторе. Предварительная механоактивация смеси позволяет равномерно нанести полимер на поверхность основного компонента. Затем через сопло газодинамической установки воздушным потоком со сверхзвуковой скоростью порошок наносят на поверхность.

При ударе частицы основного компонента вбиваются в поверхность материала, повышая его механическую прочность, теплопроводность и электропроводность, а полимер выдавливается в боковые поры между частицами, образуя на горизонтальной поверхности слой полимера, значительно снижающий коэффициент трения покрытия, величина которого становится близкой к коэффициенту трения политетрафторэтиленового покрытия.

Покрытие может быть нанесено на самые разнообразные поверхности как по размерам и форме, так и материалу подложки (металл, сплавы, керамика, стекло, камень и т.д) В зависимости от цели нанесения покрытия толщина его может варьироваться от десятых долей до нескольких миллиметров.

При измерении коэффициента трения (К_тр) использовалась схема скольжения цилиндра по плоскости (К. К. Папок, Н. А. Рогозин "Словарь по топливам, смазкам, присадкам и специальным жидкостям". М., Химия, 1975 г., с. 170-171). Коэффициент трения образцов с нанесенным двухкомпонентным слоем заявляемого покрытия измеряли в паре с закаленной сталью ШХ15 в условиях отсутствия смазки.

Адгезию покрытия измеряют методом решетчатых надрезов по ГОСТ 15140-78. Оценка адгезии покрытия производилась по 4-х бальной системе. Во всех случаях адгезия составила 1 балл, что означает, что края надрезов полностью гладкие, нет признаков отслаивания ни в одном квадрате решетки.

Пример выполнения способа 21,6 г. медного порошка со средней дисперсностью 20 мкм и 2,4 г порошка УПТФЭ (1%) помещают в мельницу - активатор АПФ - 4. Ускорение мелющих тел-шаров - 600 м/с². Масса шаров 60 г (соотношение шары: загрузка 100:40). Время обработки 3 мин. Обработанная таким образом смесь помещается в узел подачи газодинамической установки, изготовленной в ИПТМ СО РАН. Давление на входе сверхзвукового пневмоускорителя равно 15 - 18 атм. В воздушный поток, скорость которого составляет 2,6 Маха, инжектируются частицы смеси и через сопло (критическое сечение 3х3 мм, сечение на срезе 3х10 мм) наносятся на поверхность алюминиевого сплава Д16Т. При взаимодействии частиц смеси с поверхностью температура поднимается до 350-380^oC. Образующееся покрытие имеет коэффициент трения 0,05.

Формула изобретения

1. Состав для покрытий, представляющий собой смесь порошков, состоящую по крайней мере из двух компонентов различной твердости, отличающийся тем, что в качестве компонента с более низкой твердостью используют полимерный материал с дисперсностью не выше 10 мкм при его эффективном количестве в смеси не более 10 мас.%.

2. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве одного из компонентов используют порошок, выбранный из группы, включающей медь, алюминий, никель, железо, цинк, их оксиды или сплавы, графит, с дисперсностью до 20 мкм.

3. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала используют ультрадисперсный политетрафторэтилен.

4. Способ нанесения покрытий, включающий нанесение на поверхность изделия ускоренного газовым потоком состава, представляющего собой смесь порошков, состоящую по крайней мере из двух компонентов различной твердости, отличающийся тем, что в качестве состава используют смесь порошков, указанную в п.1, предварительно подвергнутую механоактивации.