Порошковый материал для газотермического напыления полимерных покрытий

Изобретение относится к газотермическому напылению полимерных покрытий на металлические и керамические изделия и конструкции. Порошковый материал содержит следующие компоненты, мас.%: наполнитель Al₂O₃ 10-30, нанодисперсный порошок тугоплавкого соединения 5, сверхвысокомолекулярный полиэтилен остальное. Наполнитель Al₂O₃ имеет размер частиц 40-50 мкм. Нанодисперсный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена имеет средневязкостную молекулярную массу n·10⁶ г/моль, где n равно 2 и выше. Порошок тугоплавкового соединения представляет собой нанодисперсный порошок ZrO₂, SiO₂ или SiC с размером частиц 50-300 нм и является модификатором. Получаются износостойкие покрытия, обладающие коррозионной и химической стойкостью. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к газотермическому напылению полимерных антикоррозионных, химически стойких, износостойких покрытий на металлические и керамические изделия и конструкции.

Известны материалы на основе полиэтилена высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления, предназначенные для напыления защитных покрытий (Промышленные термопласты: справочник / В.Г.Макаров, В.Б.Коптенармусов. - М.: Химия, 2003. - С.108-128). ПЭВД является неполярным, аморфно-кристаллическим полимером с температурой плавления 103-110°С. Молекулярная масса ПЭВД промышленных марок колеблется от 30 до 500 тыс. ПЭНД является неполярным кристаллическим полимером (степень кристалличности составляет от 70 до 80%) с температурой плавления от 120-125°С. Молекулярная масса ПЭНД промышленных марок колеблется от 50 до 800 тыс. Для стабилизации ПЭВД и ПЭНД в композицию вводят ароматические амины, фенолы, фосфиты и другие антиоксиданты в количестве от 0,5 до 2,5%. Так как уровень физико-механических и химических свойств ПЭВД и ПЭНД существенно ниже, чем сверхвысокомолекулярного полиэтилена СВМПЭ, то и эксплуатационные свойства покрытий, полученных газотермическим напылением материалов на основе ПЭВД и ПЭНД, невысоки, что ограничивает области их применения.

Наиболее близкими к предлагаемому материалу по химическому составу и назначению являются порошковые смеси полиэтилена с различными функциональными добавками, описанные в RU 2051986 C1, С23С 4/04, В29С 33/62, 1996. Предлагаемые порошковые материалы для напыления полимерных покрытий имеют состав, указанный в табл.2.

Основой указанной композиции является порошок вторичного полиэтилена ВПЭ, который вырабатывается из отходов ПЭВД. Температура изделия при напылении 100-220°С. Материал подложки Ст-3. В процессе напыления материала происходит деструкция полиэтилена в формирующемся покрытии, которую авторы отмечают, как появление желтоватого оттенка покрытия. Для устранения деструкции авторы вводят в напыляемую шихту сажу. У полученных покрытий определяют адгезионную прочность, прочность при растяжении и химическую стойкость.

Задачей изобретения является получение полимерного порошкового материала для напыления покрытий на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена СВМПЭ.

Поставленная задача достигается тем, что в порошковый материал для газотермического напыления полимерных покрытий в качестве модификатора дополнительно вводят нанодисперсный порошок тугоплавкого соединения, имеющий размер частиц 50-300 нм. В качестве основы используют порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена со средневязкостной молекулярной массой n·10⁶ г/моль, где n равно 2 и выше. Наполнителем является порошок Al₂O₃, имеющий размер частиц 40-50 мкм. Порошковый материал получают механическим смешиванием указанных компонентов в следующем соотношении, мас.%:

наполнитель Al2O3	10-30
нанодисперсный порошок тугоплавких соединений	5
сверхвысокомолекулярный полиэтилен	остальное

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в качестве основы полимерного материала используют порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена СВМПЭ со средневязкостной молекулярной массой от 2·10⁶ г/моль и выше, наполнителя - порошок Al₂O₃, имеющий размер частиц 40-50 мкм, и модификатора - нанодисперсный порошок тугоплавких соединений, имеющий размер частиц 50-300 нм. Наполнитель вводят с целью упрочнения и повышения износостойкости полимерного покрытия. Частицы нанодисперсного порошка служат центрами кристаллизации кристаллической фазы полиэтилена при охлаждении напыленного покрытия. При этом возможны как структурная модификация кристаллической фазы, так и увеличение ее содержания в образующемся покрытии. Структурная модификация покрытия приводит к изменению его физико-механических характеристик, в частности повышению жесткости и прочности. Компоненты подвергают рассеву на определенные фракции, смешивают в требуемом соотношении. Полученные порошковые материалы наносят методом газотермического напыления на металлические и керамические изделия.

Процесс газотермического напыления и эксплуатационные свойства покрытий зависят от молекулярной массы СВМПЭ, количества и дисперсности наполнителя Al₂O₃ и количества нанодисперсного модификатора. Было установлено, что формирование качественных, имеющих ровную поверхность покрытий при напылении на вертикально расположенную подложку порошкового СВМПЭ с молекулярной массой менее 2·10⁶ г/моль затруднено. Это обусловлено тем, что расплав такого порошка обладает высокой жидкотекучестью, поэтому при достижении толщины более 300 мкм в процессе напыления покрытие начинает стекать по напыляемой поверхности. Покрытия, сформированные путем напыления порошка полиэтилена с молекулярной массой менее 2·10⁶ г/моль, имеют низкую адгезионную прочность (0,8 МПа) и износостойкость. Стойкость напыленного покрытия к абразивному износу и его адгезия к подложке повышаются с ростом молекулярной массы применяемого порошка СВМПЭ, содержания наполнителя до 30 мас.% и модификатора до 5 мас.%. Покрытия с удовлетворительной адгезией, высокой химической стойкостью и износостойкостью получают из материала на основе СВМПЭ с молекулярной массой не ниже 4,5·10⁶ г/моль с добавкой 30 мас.% порошка Al₂O₃ и 5 мас.% нанопорошка модификатора. Введение в состав напыляемого материала нанодисперсного модификатора более 5 мас.% нецелесообразно, поскольку это не приводит к существенному повышению адгезии и износостойкости напыленных покрытий. Адгезия покрытий, напыленных из порошкового материала на основе СМВПЭ, содержащего более 30 мас.% наполнителя Al₂O₃, снижается. При содержании в напыляемой шихте Al₂O₃ более 50 мас.% сплошное покрытие не образуется.

Гранулометрический состав порошков определяют методом ситового анализа по ГОСТ 18318-73. Насыпную плотность и текучесть порошков определяют с помощью стандартных воронок по ГОСТ 19440-74. Адгезионную прочность покрытия определяют путем нормального отрыва двух сопряженных дисков. Нижний диск является подложкой, на которую через 6 конических отверстий в верхнем диске напыляют полимерное покрытие. Триботехнические характеристики покрытий определяют по результатам испытаний, проводимых по схеме типа «вал-колодка». Испытания на износостойкость покрытий проводят в условиях абразивного изнашивания поверхности образца о незакрепленные частицы глинозема. Изностойкость оценивают по потере массы истираемого покрытия Δm.

В табл.1 приведены конкретные примеры составов порошковых материалов и физико-механические свойства газотермических покрытий.

Пример 1. Порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена СВМПЭ со средневязкостной молекулярной массой 2·10⁶ г/моль, имеющий размер частиц 80-120 мкм, смешивают с 30 мас.% порошка Al₂O₃, имеющего размер частиц 40-50 мкм. В качестве модификатора добавляют 5 мас.% нанопорошка ZrO₂. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,45 г/см³ и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 2,5 МПа, износостойкость Δm 0,025 г, коэффициент трения 0,2.

Пример 2. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 6,5·10⁶ г/моль. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,45 г/см³ и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 3,3 МПа, износостойкость Δm 0,02 г, коэффициент трения 0,15.

Пример 3. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 9·10⁶ г/моль. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,45 г/см³ и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 3,8 МПа, износостойкость Δm 0,016 г, коэффициент трения 0,15.

Пример 4. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 6,5·10⁶ г/моль, а в качестве модификатора добавляют 5 мас.% нанопорошка SiO₂. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,43 г/см³ и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 3,2 МПа, износостойкость Δm 0,022 г, коэффициент трения 0,14.

Пример 5. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 6,5·10⁶ г/моль, а в качестве модификатора добавляют 5 мас.% нанопорошка SiC. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,42 г/см³ и текучесть 0,3 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 3,6 МПа, износостойкость Δm 0,015 г, коэффициент трения 0,18.

Пример 6. Порошковую шихту готовят так же, как в примере 1, но средневязкостная молекулярная масса СВМПЭ составляет 6,5·10⁶ г/моль, количество наполнителя - порошка Al₂O₃ составляет 10 мас.%, в качестве модификатора добавляют 5 мас.% нанопорошка ZrO₂. Подготовленная шихта имеет насыпную плотность 0,33 г/см³ и текучесть 0,32 г/с. Газотермические покрытия из данного материала имеют следующие свойства: адгезия к подложке Ст3 2,2 МПа, износостойкость Δm 0,08 г, коэффициент трения 0,11.

В табл.2 указаны составы и свойства покрытий из предлагаемого и известного материала. Видно, что покрытия, полученные из предлагаемого материала, имеют значительно более высокий уровень адгезионной прочности по сравнению с покрытиями из известного материала. Это обусловлено тем, что в предлагаемом материале в качестве основного компонента используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен, который обладает более высоким комплексом физико-механических и химических свойств по сравнению с полиэтиленом высокого и низкого давления, который применяется в известных материалах для напыления полимерных покрытий. Также в предлагаемом материале содержится керамический наполнитель и нанодисперсный модификатор, вследствие чего газотермические покрытия приобретают требуемый уровень эксплуатационных свойств.

Таблица 2
Материал	Состав	Адгезия, МПа
Предлагаемый	Наполнитель Al2O3	30 мас.%	3,3
	Модификатор нанопорошок ZrO2 СВМПЭ М=6,5·106	5 мас.%
г/моль	остальное
Известный	Вторичный полиэтилен ВПЭ	100 мас.ч.	0,0021-0,0025
	Стабилизатор ДАБИ (5(6)амино-2(п-аминофенил)-бензимидазол)	0,1-2 мас.ч.
	Наполнитель сажа АГ-100	1,0-20 мас.ч.
Пластификатор низкомолекулярный полиэтилен	0,1-5 мас.ч.

1. Порошковый материал для газотермического напыления полимерных покрытий, содержащий полиэтилен в качестве основы и порошок тугоплавкого соединения, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Al₂O₃ с размером частиц 40-50 мкм в качестве наполнителя, полиэтилен представляет собой порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена со средневязкостной молекулярной массой n·10⁶ г/моль, где n равно 2 и выше, порошок тугоплавкового соединения является модификатором и представляет собой нанодисперсный порошок с размером частиц 50-300 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Наполнитель Al2O3	10-30
Нанодисперсный порошок тугоплавкого соединения	5
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен	Остальное

2. Порошковый материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве нанодисперсного порошка тугоплавкого соединения используют ZrO₂, SiO₂ или SiC.