Способ получения композиционного покрытия для восстановления металлических поверхностей

Изобретение относится к способу получения композиционного покрытия, которое может быть использовано для восстановления дефектов и изношенных поверхностей деталей, работающих в условиях высоких нагрузок на сжатие, опорной поверхности боковой рамы тележки грузового вагона в зоне буксового проема. Способ заключается в том, что смешивают полимеризующуюся эпоксидную композицию и металлический дисперсный наполнитель при соотношении 1:6-1:9 мас.ч. Смешивание осуществляют под действием нарастающего давления в шнековом смесителе с переменным шагом, причем каждый последующий шаг шнека отличается от предыдущего на постоянную величину. Затем полученную композицию наносят на металлическую поверхность и выдерживают ее при температуре полимеризации до окончания процесса затвердевания. В качестве эпоксидной композиции используют композицию на основе эпоксидной смолы марок ЭД-16, ЭД-20 с латентным отвердителем дициандиамидом. В качестве металлического дисперсного наполнителя используют железный порошок марки ПЖ4, порошок марки ПС27-М на основе железа, порошок марки ПГ-УСЧ-35 на основе железа, порошок марки ПГ-СР2-М на основе никеля. Изобретение позволяет повысить удельную нагрузку на сжатие. 4 з.п. ф-лы, 1 фиг., 1 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для восстановления дефектов и изношенных поверхностей деталей, работающих в условиях высоких нагрузок на сжатие, например опорной поверхности боковой рамы тележки грузового вагона в зоне буксового проема.

При эксплуатации грузовых вагонов происходит интенсивный износ буксовых узлов в челюстных проемах боковин тележек. Восстановление изношенных поверхностей методом дуговой наплавки неприемлемо, т.к. связано с изменением структуры металла, его физико-механических характеристик, а также нарушением параметров посадки буксовых подшипников, что приводит к нарушению требований безопасности движения.

Известен способ защиты и восстановления металлических поверхностей путем нанесения грунтовочного слоя на основе композиции, содержащей эпоксидную смолу, полиэтиленполиамин в качестве отвердителя и наполнители. На металлическую поверхность наносят грунтовочный слой при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Эпоксидная смола 75,4-75,5

Электрокорунд 12,7-12,75

Отвердитель 11,75-11,9

и после высыхания его до "отлипа" наносят изолирующий слой, содержащий эпоксидную смолу, бакелитовый лак, диабазовый порошок, электрокорунд, стеклоткань, отвердитель, затем поверхность, высушенную до "отлипа", дополнительно покрывают пластифицирующим слоем, содержащим эпоксидную смолу, ацетон, дисперсию железного сурика в олифе, отвердитель, затем покрытие высушивают для полного отвеждения (см. заявка RU 98109671, 7 МПК С 09 D/08, публ. 20.02.2000) [1].

Недостатком известного способа является то, что, во-первых, процесс является многостадийным, а следовательно, и продолжительным по времени, т.к. требует троекратного нанесения с обязательной выдержкой времени для каждого слоя. Кроме того, для каждого слоя состав смеси должен быть различным, что в условиях реального производства неудобно и не всегда приемлемо.

Во-вторых, использование в качестве отвердителя полиэтиленполиамина ограничивает жизнеспособность смеси эпоксидной смолы с полиэтиленполиамином по времени. Процесс отверждения смолы начинается сразу же после введения полиэтиленполиамина и реально смесь должна быть использована в течение 15-20 мин с момента приготовления. В связи с этим смесь необходимо готовить непосредственно на месте использования и невозможно иметь запас. По этой причине невозможно также тщательное перемешивание, требующее определенных затрат времени, следовательно, смесь будет неравномерной по степени распределения наполнителя.

В-третьих, из-за использования в качестве отвердителя полиэтиленполиамина единовременное приготовление смеси возможно в ограниченных количествах (практически до 200-250 мл), потому что отверждение смолы линейными алифатическими ди- и полиаминами носит экзотермический характер и приводит к саморазогреву смеси, ее вспениванию, спонтанному отверждению и непригодности к использованию.

Известен также компаунд для силовых конструкционных изделий на основе эпоксидной смолы, включающий диановую смолу, наполнитель - карбонильное железо и отвердитель - карборансодержащий полиэтиленполиамин при следующем содержании компонентов, (мас.ч.):

Эпоксидная смола 100

Карбонильное железо 250-350

Полиэтиленполиамин-ортокарборан 7-9

(см. заявка №96120300/04, RU, 6 МПК С 08 L 63/02, опубл. 20.01.99) [2]

При изготовлении конструкций из компаунда раздельно смешивают эпоксидную смолу и аминный отвердитель с карбонильным железом, вакуумируют, отверждают при нормальных условиях и термообрабатывают со ступенчатым подъемом температуры по режиму:

5 часов при температуре 50°С

5 часов при температуре 150°С

5 часов при температуре 250°С

Недостатком известного технического решения является то, что время использования смеси ограничено ее жизнестойкостью, т.к. с момента введения отвердителя в смолу уже начинается ее отверждение и смесь необходимо использовать в течение ограниченного времени, иначе она придет в негодность. По этой причине невозможно готовить смесь заранее, чтобы иметь запас. Кроме того, из-за экзотермического характера реакции отверждения смолы происходит ее саморазогрев, вспенивание и ускоренное отверждение; скорость процесса тем больше, чем больше количество приготавливаемой смеси. Таким образом, существует ограничение по количеству единовременно приготавливаемой смеси.

Другим недостатком является необходимость применения сложного специального оборудования для вакуумирования, а для крупногабаритных изделий это не всегда приемлемо.

Кроме того, процесс длительный и энергоемкий, термообработка проводится в течение 15 часов, и все это время требуются затраты энергоресурсов для поддержания температуры в заданных пределах.

При указанном соотношении эпоксидной смолы и карбонильного железа последнее выполняет в системе роль только загустителя, а никак не несущего нагрузку каркасного элемента, т.к. даже в монолите карбонильное железо обладает весьма низкой твердостью, а при распределении его в эпоксидной смоле всю внешнюю силовую нагрузку будет воспринимать эпоксидная смола, физико-механические характеристики которой мало пригодны для использования ее в качестве конструкционного материала, работающего при высоких контактных нагрузках на сжатие.

Существенным недостатком компаунда является то, что он обладает невысокой теплостойкостью и при местном повышении температуры во время эксплуатации деталей отвод тепла из рабочей зоны, например зоны трения, ограничен малой теплопроводностью эпоксидной смолы, а частицы карбонильного железа, находясь на относительно удаленном друг от друга расстоянии, не участвуют в процессе отвода тепла.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения полимерного покрытия, включающий последовательное нанесение на нагретую металлическую поверхность слоя из порошковой эпоксидной смолы и слоя из смеси ее с наполнителем.

С целью повышения ударной прочности и переходного электросопротивления в качестве наполнителя применяют порошковый шлак ферросплавного производства, взятый в массовом отношении к эпоксидной композиции 1:(1-7), при этом смесь наносят на первый слой после выдержки в течение времени, лежащего в интервале между временем пленко-образования и гелеобразования первого слоя покрытия при температуре нагрева металлической поверхности (см. А.С. SU №1811086, 5 МПК В 05 D 1/36 [3], принимаемое за прототип).

Недостатком прототипа является то, что способ не может быть использован в случаях, когда к металлу основы предъявляются требования сохранения неизменности структуры, т.к. температура плавления порошковых эпоксидных смол составляет порядка 250-270°С, а при этих температурах происходят структурные изменения металла, в частности происходит отпуск закаленных углеродистых сталей, что не всегда допустимо.

Процесс требует двукратного покрытия, причем второй слой должен быть нанесен в интервале времени между пленкообразованием и гелеобразованием первого слоя. Этот параметр зависит от конструкции покрываемой детали и для тонкостенных деталей, быстро теряющих запас тепла от нагрева, чрезвычайно мал. Практически это могут быть десятые доли секунды, и за это время нельзя успеть нанести слой. Этим способом невозможно нанести покрытие в узких щелеобразных местах, а для получения толстослойных покрытий процесс необходимо проводить многократно.

Другим недостатком является то, что шлак ферросплавного производства, являясь смесью силикатов, будучи хрупким и имея низкую микротвердость, что приводит к снижению твердости и нагрузочной несущей способности покрытия по отношению к контактным нагрузкам, что приводит к снижению устойчивости покрытия.

Задачей настоящего изобретения является восстановление изношенных поверхностей деталей, работающих при высоких, порядка 700-900 кг/см², удельных нагрузках на сжатие, в частности изношенных поверхностей буксовых узлов в челюстных проемах боковин тележек грузовых вагонов. Основное требование к материалу покрытия - способность противостоять усилиям сжатия, обусловленных весом вагона, так как под воздействием именно этих усилий происходит основной износ и изменение размеров сопрягаемых деталей, что в итоге отрицательно влияет на безопасность движения. Кроме того, материал и способ его применения должны быть технологичны.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение устойчивости восстанавливающего покрытия металлических поверхностей при воздействии высоких нагрузок на сжатие.

Исходя из поставленной задачи предлагается использовать композиционный материал, который в исходном состоянии, на начальных этапах технологии должен быть пластичным, чтобы легко можно было сформировать заданную геометрию поверхности на изношенной детали, а в конечном виде должен быть твердым, чтобы противостоять воздействию механических нагрузок. Для этого принята схема материала матрица-наполнитель, причем матрица, которая выполняет роль связующего, выбрана из полимеризуемого вещества, например смол, отверждаемых воздействием внешних факторов, а в качестве наполнителя использован металлический дисперсный наполнитель. Диапазон технологических и эксплуатационных свойств материала зависит от степени наполнения системы и ограничивается, с одной стороны, пластичностью материала, а с другой стороны, несущей способностью. Для выявления допустимого наполнения смеси проведена экспериментальная проверка, результаты которой приведены в таблице.

Технический результат достигается тем, что способ получения композиционного покрытия для восстановления металлических поверхностей включает смешивание полимеризующейся эпоксидной композиции с металлическим дисперсным наполнителем, нанесение полученной композиции на металлическую поверхность и выдерживание ее при температуре полимеризации до окончания процесса затвердевания.

Согласно изобретению, в качестве полимеризующейся эпоксидой композиции используют композицию на основе эпоксидной смолы марок ЭД-16, ЭД-20 с латентным отвердителем дициандиамидом, в качестве дисперсного наполнителя металлический порошок, соотношение эпоксидной композиции и металлического дисперсного наполнителя составляет 1:6 - 1:9 мас.ч., смешение компонентов осуществляют под воздействием нарастающего давления в шнековом смесителе с переменным шагом, причем каждый последующий шаг шнека отличается от предыдущего на постоянную величину.

Другое отличие состоит в том, что в качестве металлического дисперсного наполнителя используют железный порошок марки ПЖ4.

Другое отличие состоит в том, что в качестве металлического дисперсного наполнителя используют порошок марки ПГ-С27-М на основе железа.

Другое отличие состоит в том, что в качестве металлического дисперсного наполнителя используют порошок марки ПГ-УСЧ-35 на основе железа.

Другое отличие состоит в том, что в качестве металлического дисперсного наполнителя используют порошок марки ПГ-СР2-М.

Другое отличие состоит в том, что в качестве латентного отвердителя эпоксидной полимеризующейся композиции используют дициандиамид.

Физико-механические свойства и эксплуатационные показатели надежности работы системы связующее-наполнитель определяются реологией граничного слоя, т.к. именно через него происходит передача механической нагрузки. Важно наличие прочной термически и гидролитически устойчивой связи между поверхностью наполнителя и полимерной матрицей, обеспечивающей их совместную работу. Для обеспечения хорошей адгезии между полимером и наполнителем необходимо образование прочной негидрализуемой химической связи, т.е. на поверхности наполнителя должны быть группы, способные к химическому взаимодействию с функциональными группами связующих.

Молекулярное взаимодействие между полимером и наполнителем может протекать по различным взаимодействиям. Так, между активными функциональными группами эпоксидной смолы и наполнителя происходит химическое взаимодействие с образованием прочных химических связей. Кроме того, наблюдается существование всего спектра физических связей - от Ван-дер-Ваальсовских до водородных, обуславливающих явления смачивания, адгезии и межфазных слоев.

Известно, что термодинамическая работа адгезии пропорциональна поверхностному натяжению и краевому углу смачивания связующего. На величину угла смачивания влияет также структура поверхности субстрата.

Наличие окислов на поверхности металла оказывает значительное влияние на прочность соединений.

Для повышения прочности соединения связующего и наполнителя смешивание компонентов производят при возрастающем давлении по мере продвижения смеси в смесителе, представляющем собой шнековый экструдер с переменным шагом шнека, причем каждый последующий шаг шнека отличается от предыдущего на постоянную величину. При этом обеспечивается снятие поверхностного окисного слоя, что приводит к активации поверхности, уменьшению угла смачивания и повышению прочности контакта материалов за счет смешивания компонентов в условиях всестороннего сжатия.

Пример конкретного выполнения.

В таблице приведены значения удельного давления на сжатие восстановленных металлических поверхностей, полученные при различных соотношениях связующего - эпоксидной композиции и дисперсного металлического наполнителя - порошка.

На чертеже приведена конструкция смесителя, используемого для получения композиционного покрытия для восстановления металлических поверхностей.

В примере конкретного выполнения приготавливали в смесителе (см. чертеж), представляющем собой шнековый экструдер с переменным шагом шнека с постоянной степенью изменения, равной 5 мм, обеспечивающий по мере продвижения смеси к выходному отверстию равномерное смешивание и очистку частиц металлического порошка от окислов.

Аналогичная конструкция шнекового экструдера описана в патенте №2118257 C1, RU, 6 МПК В 29 С 47/38, 47/66, опубл. 27.08.98 г. [4].

Использование шнекового экструдера с переменным шагом, равным 5 мм, позволяет осуществить смешивание компонентов - связующего в виде жидких или пастообразных эпоксидных смол и металлического дисперсного наполнителя обеспечивает равномерное перемешивание с постоянно увеличивающимся давлением.

Повышение качества смеси достигается за счет интенсификации процесса перемешивания твердых измельченных частиц наполнителя смеси. При равномерном распределении компонентов смеси в объеме перемешивания сопровождается зачисткой поверхности частиц наполнителя от окислов и других загрязнений, что обеспечивает надежное смачивание их связующим.

Смеситель, используемый для равномерного перемешивания компонентов под действием нарастающего давления (см. чертеж), состоит из цилиндрического корпуса 1 с выходным отверстием 2. В корпусе 1 размещен шнек 3 с переменным шагом. С входной стороны корпус 1 имеет загрузочный бункер 4, через который загружаются исходные компоненты смеси. Шнек выполнен с переменным шагом А, в котором каждый последующий шаг отличается от предыдущего на постоянную величину b.

Смешивание исходных компонентов происходит следующим образом.

Шнек 3 посредством привода получает вращение в направлении стрелки, указанной на чертеже. В бункер 4 подаются исходные компоненты смеси - металлический дисперсный наполнитель и связующее, в качестве которого использована эпоксидная композиция с латентным отвердителем, например эпоксидная смола ЭД-16, ЭД-20, с дициандиамидом в качестве латентного отвердителя. При вращении шнека компоненты попадают в витки шнека и перемешаются в направлении выходного отверстия и одновременно перемешиваются между собой.

В связи с уменьшением шага шнека 3 в направлении выходного отверстия 2 скорость перемещения массы относительно корпуса 1 уменьшается, но поскольку в зоне загрузочного бункера 4 происходит постоянное поступление массы, то по длине корпуса 2 давление в смеси постоянно повышается, и в связи с тем, что масса реально несжимаема, происходит течение смеси по спирали вдоль витков шнека, т.е. смесь при постоянно увеличивающемся обжатии получает сложное пространственное движение, при котором частицы наполнителя при трении друг о друга очищаются от окисных пленок и др. загрязнителей. Поскольку процесс протекает без доступа воздуха в окружении связующего, то обеспечивается наилучшее смачивание наполнителя связующим, способствующее максимальной адгезии, а следовательно, и качества смеси.

Приготовленную смесь железного порошка марки ПЖ4 и эпоксидной смолы ЭД-16 в концентрациях, указанных в таблице, наносили на изношенную поверхность детали, полимеризовали при 120-130°С до полного отверждения. Железный порошок марки ПЖ4 по своим технологическим параметрам (дисперсность, сыпучесть, обуславливающая способность к перемешиванию) при получении смеси близок к другим металлическим гранулированным порошкам марки ПГ-УСЧ-35, ПГ-СР2-М, ПГ-С-27-М.

Затем проводили испытание полученного восстанавливающего покрытия на сжатие с контролем остаточной деформации. При этом установлено (см. таблицу), что с повышением концентрации металлического наполнителя в смеси с эпоксидной композицией от 1:5 до 1:10 несущая способность восстанавливающего покрытия возрастает от 805 до 990 кг/см², но при концентрации 1: 10 вследствие высокой вязкости смеси нанесение покрытия было затруднено. Нижним допустимым пределом степени наполнения металлическим дисперсным наполнителем является соотношение компонентов смеси 1:6, т.к. при концентрации 1:5 происходит значительное снижение устойчивости восстанавливающего покрытия к нагрузкам на сжатие, что соответствует среднему значению удельной нагрузки 805 кг/см².

Достигнутая устойчивость восстанавливающего покрытия деталей на сжатие удовлетворяет с запасом реальным нагрузкам в челюстных проемах тележек грузовых вагонов.

Источники информации

1. Заявка RU 98109671, 7 МПК С 09 D 5/08, публ. 20.02.2000.

2. Заявка №96120300, RU, 6 МПК С 08 L 63/02, публ. 20.01.99.

3. А.С. SU №1811086, 5 МПК В 05 D 1/36 - прототип.

4. Патент №2118257 С1, RU, 6 МПК В 29 С 47/38,47/66, публ. 27.08.98 г.

Таблица
№ п/п	Соотношение количества связующего – эпоксидная смола марки ЭД-16 с латентным отвердителем дициандиамидом к наполнителю – железный порошок ПЖ4 (мас.ч.
	1:5	1:6	1:7	1:8	1:9	1:10
Удельная нагрузка на сжатие (кг/см2)
1	770	880	920	930	955	990
2	835	875	955	965	985	985
3	810	910	940	970	980	995
Среднее значение	805	888,3	938,3	955	973,3	990

1. Способ получения композиционного покрытия для восстановления металлических поверхностей, включающий смешение полимеризующейся эпоксидной композиции и дисперсного наполнителя, нанесение полученной композиции на металлическую поверхность и выдерживание ее при температуре полимеризации до окончания процесса затвердевания, отличающийся тем, что в качестве эпоксидной композиции используют композицию на основе эпоксидной смолы марок ЭД-16, ЭД-20 с латентным отвердителем дициандиамидом, в качестве дисперсного наполнителя металлический порошок, соотношение эпоксидной композиции и металлического дисперсного наполнителя составляет 1:6-1:9 мас.ч., смешение компонентов осуществляют под действием нарастающего давления в шнековом смесителе с переменным шагом, причем каждый последующий шаг шнека отличается от предыдущего на постоянную величину.

2. Способ получения композиционного покрытия для восстановления металлических поверхностей по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического дисперсного наполнителя используют железный порошок марки ПЖ4.

3. Способ получения композиционного покрытия для восстановления металлических поверхностей по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического дисперсного наполнителя используют порошок марки ПС27-М на основе железа.

4. Способ получения композиционного покрытия для восстановления металлических поверхностей по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического дисперсного наполнителя используют порошок марки ПГ-УСЧ-35 на основе железа.

5. Способ получения композиционного покрытия для восстановления металлических поверхностей по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического дисперсного наполнителя используют порошок марки ПГ-СР2-М на основе никеля.