Оптимизация технологии нанесения фторопластовых покрытий для повышения эксплуатационных характеристик высоконагруженных деталей (стр. 1 )

На правах рукописи

ДЕРБЕНЕВ ЛЕОНИД ВЛАДИМИРОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ФТОРОПЛАСТОВЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.08 – «Технология машиностроения».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ковров – 2012

Работа выполнена в Конструкторском бюро «Арматура» - филиале Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный космический научно-производственный центр им. »

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор

,

кандидат технических наук, доцент

.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: им. Дегтярёва»

Защита диссертации состоится «16 » мая 2012 г. на заседании диссерта-

ционного совета Д 212.090.01 при ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. » г. Ковров, Владимирской обл., ул. Маяковского,.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ковровской государственной технологической академии им. .

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просьба направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 05 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к. т. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. К современным конструкциям объектов машиностроения, в частности, ракетно-космической техники (РКТ) предъявляются высокие требования по обеспечению надежности работы в различных климатических условиях и стойкости к внешним воздействиям. Высоконагруженные детали машин современной РКТ в процессе эксплуатации испытывают воздействие высоких и низких температур (вплоть до криогенных), высоких и низких давлений (от сотен атмосфер до глубокого вакуума), высоких механических и вибрационных нагрузок, вызывающих ускорения до 100g, коррозионно-эрозионное воздействие рабочей и окружающей среды и других экстремальных факторов. Такие детали входят в состав агрегатов электропневмоавтоматики, систем газоснабжения, бортовых разъемных соединений, механизмов стыковки и отвода коммуникаций, различного вида оборудования ракетно-космических комплексов.

Основным показателем надежности изделий систем РКТ является безотказная работа высоконагруженных деталей всех узлов. Кроме того, некоторые конструкционные материалы имеют ограниченный срок службы из-за склонности к старению, то есть изменению своих физико-механических свойств со временем под воздействием рабочей или окружающей среды. Это в значительной мере свойственно и большинству смазочных материалов, без которых не обходится практически ни одна конструкция. Сохраняемость является одной из важных составляющих надежности систем обеспечения РКТ, непосредственно влияющей на показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности во времени. Она характеризуется способностью систем и других элементов РКТ противостоять отрицательному влиянию условий и продолжительности хранения, транспортирования и других перерывов в работе в процессе эксплуатации. Для обеспечения надежности конструкций применяются различные функциональные покрытия. Высоконагруженные детали РКТ, как правило, подвергаются оксидированию, химическому фосфатированию с нанесением лакокрасочного покрытия, гальваническому хромированию и кадмированию, покрытию суспензиями дисульфида молибдена и др. Но все перечисленные покрытия обладают рядом существенных недостатков: отслоение и истирание лакокрасочных покрытий, наводороживание деталей при гальванических операциях и др.

3

Таким образом, в настоящее время актуален вопрос выбора, разработки технологии нанесения, испытаний и применения новых покрытий для повышения эксплуатационных характеристик высоконагруженных деталей на основе перспективных материалов, обладающих комплексом требуемых свойств: высокой адгезией, устойчивостью к воздействию климатических факторов, морской воды, различных растворителей и других агрессивных сред, износостойкостью, повышенными антифрикционными, антиадгезионными, антистатическими, электроизоляционными и уплотнительными свойствами. Одним из таких материалов является фторопласт-4МБ (Ф-4МБ).

Целью работы является разработка оптимальной технологии нанесения фторопластовых покрытий с высокой адгезией для повышения эксплуатационных характеристик высоконагруженных деталей путем придания их поверхностям повышенных функциональных свойств: антифрикционных, уплотнительных, антиадгезионных, электроизоляционных и др.

Задачами работы являются:

1. Анализ существующих покрытий и обоснование выбора фторопласта Ф-4МБ в качестве основы покрытия высоконагруженных деталей.

2. Разработка оптимальной технологии нанесения покрытий на основе Ф-4МБ. Оценка адгезии покрытий на различных сталях и сплавах.

3. Исследование свойств покрытий на основе Ф-4МБ.

4. Исследование возможности применения покрытий на основе Ф-4МБ для повышения эксплуатационных характеристик изделий РКТ и других объектов.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теорий упругости, пластичности, тепло - и электропроводности, основные положения трибологии, методы математической статистики и определения адгезионной прочности материалов. Экспериментальные исследования проводились с использованием специальных и стандартных приборов и установок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Определены оптимальные параметры технологии нанесения покрытий на основе Ф-4МБ методом пневмоэлектростатического распыления: шероховатость покрываемой поверхности, температура, время оплавления; обоснована операция специальной обработки поверхности, включающая в зависимости от вида материала дробеструйную, пескоструйную обработку, травление, анодирование; получена адгезия покрытий, соизмеримая с когезионной прочностью Ф-4МБ (≈16МПа).

2. Определены состав и толщина покрытий на основе Ф-4МБ с различным функциональным назначением.

3. Разработан режим сварки покрытий на основе Ф-4МБ, позволивший усовершенствовать количественный метод нормального отрыва для определения адгезии фторопластовых покрытий.

4

Практическая ценность работы состоит в оптимальной технологии нанесения покрытий, разработанной на основе проведенных научных исследований и позволившей существенно повысить надежность работы изделий ракетно-космической техники, полностью исключить явление схватывания в резьбовых соединениях, уменьшить в 1,5 – 3 раза моменты затяжки разъемных герметичных соединений в широком диапазоне температур вплоть до криогенных, обеспечить работоспособность узлов 1А1С, 1А1С блока разъемных соединений (БРС-ГКП) 1А1С-5311-0 при давлении до 23МПа.

Реализация результатов работ состоит во внедрении разработанной технологии нанесения покрытий в КБ «Арматура» - филиале » при изготовлении более чем ста изделий РКТ; им. » (на деталях КАРПП 09.00.401 нагревателя автомата по герметичной фасовке); » (г. Калининград) на сердечниках изделий электропневмоавтоматики; (г. Владимир) при изготовлении корпусов центральных насосов для работы в фильтрационных установках. Результаты работы использованы при выполнении ОКР с Федеральным космическим агентством по теме «Фторопласт».

Апробация полученных результатов и практической ценности работы.

Материалы диссертации обсуждались на тридцать третьих академических чтениях по космонавтике в 2009г., на седьмой международной конференции молодых специалистов организаций авиационной, ракетно-космической и металлургической промышленности России в 2008г., на научно-технических конференциях в Ковровской государственной технологической академии в г. г., на XII Международном форуме «Высокие технологии XXI века» в 2011г. По теме диссертации опубликовано 10 статей и выполнено 5 научно-технических отчетов, получено 2 патента. Три статьи опубликованы в научных журналах, рекомендуемых ВАК. Образцы изделий ГКНПЦ им. , среди которых были изделия с покрытиями на основе Ф-4МБ, представленные на 7-й специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК», проходившей 17-20 октября 2006г. в Москве на ВВЦ, были отмечены Дипломом и медалью «За выдающийся вклад в развитие авиакосмических систем и успешную диверсификацию отрасли». На покрытия порошковые различного назначения на основе Ф-4МБ разработаны ТУ и получен сертификат соответствия № РОСС RU. АЮ31. НО6493.

На защиту выносится:

1. Оптимальная технология нанесения покрытий на основе Ф-4МБ. Результаты адгезионных испытаний покрытий.

2. Методики и устройства для экспериментального определения свойств фторопластовых покрытий.

3. Результаты исследований антифрикционных, уплотняющих свойств, стойкости покрытий на основе Ф-4МБ к воздействию климатических факторов.

4. Выбор состава и оптимальной толщины покрытий на основе Ф-4МБ с различным функциональным назначением.

5. Результаты внедрения покрытий на основе Ф-4МБ в изделиях РКТ

5

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения. Список использованной литературы содержит 101 наименование. Общий объем изложен на 124 страницах и содержит 21 таблицу и 6 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, кратко изложено содержание диссертации.

В первом разделе проведен анализ покрытий, традиционно используемых на высоконагруженных деталях конструкций РКТ и других изделий для защиты от внешних воздействий (пыли, воды, положительных и отрицательных температур и др.) и придания поверхностям деталей повышенных функциональных свойств, в первую очередь - антифрикционных. К числу таких покрытий относятся: оксидирование, химическое фосфатирование с нанесением лакокрасочного покрытия, гальваническое хромирование и кадмирование, твердосмазочные покрытия (ТСП) на основе дисульфида молибдена и графита. При этом кадмиевое покрытие и ТСП используются на деталях, подвергающихся трению при взаимодействии с другими деталями конструкций.

Все виды перечисленных способов защиты деталей имеют определенные недостатки: несплошности, отслоение и истирание лакокрасочных покрытий, наводораживание деталей при гальванических операциях, что снижает прочность деталей и может привести к их разрушению. Анализ ТСП, применяемых на сегодняшний день в ракетно-космической отрасли, показывает, что большинство из них также не обладают комплексом необходимых свойств.

Проведен анализ различных способов нанесения фторопластовых покрытий: нанесение из суспензий, нанесение лаков, наполненных тонкодисперсным фторопластовым порошком, вакуумные методы, порошковое напыление, напыление в псевдосжиженном слое (вихревое напыление), электростатическое распыление (пневмоэлектростатическое распыление). В результате анализа выявлено, что оптимальным является метод пневмоэлектростатического распыления. Тем не менее, несмотря на ряд преимуществ, данный способ часто характеризуется недостаточной адгезией покрытий, что является основанием для анализа технологии нанесения покрытий и ее оптимизации.

Представлены методики, устройства и оборудование, примененные при выполнении работы.

Во втором разделе проведена оптимизация технологии нанесения покрытий на основе Ф-4МБ с целью достижения максимальной адгезии. Приведена оценка адгезии полученных покрытий на различных сталях и сплавах.

Технология нанесения покрытий на основе Ф-4МБ включает подготовку поверхности изделий, процесс нанесения слоя порошкового покрытия, высокотемпературную обработку (оплавление) и охлаждение покрытий.

6

Подготовка поверхности деталей заключается в зачистке от заусенцев, забоин, прижогов, острых кромок, нарушений сплошности металла; прокаливании литых изделий при температуре не ниже плюс 250 °С в течение 30 минут; обезжирке поверхности и сушке на воздухе в течение 8-10 минут. Участки, не подлежащие покрытию, при необходимости защищают.

Процесс нанесения слоя порошкового покрытия на детали состоит в том, что заряженные частицы порошка, выходящие из пневмоэлектростатического распылителя, осаждаются на поверхности деталей, находящихся внутри камеры установки (для практической реализации метода в качестве основы была выбрана установка УНПКМ, в состав которой входят камера напыления, комплект распылительного оборудования с обдувочным пистолетом и поворотное устройство). Часть аэровзвеси напыляемого материала, не осевшей на деталях, отсасывается вентилятором и после фильтрации направляется в дозатор для повторного использования.

Высокотемпературная обработка состоит в нагреве и выдержке деталей со слоем порошкового материла в электрошкафу или печи при температуре от 290 до 350 °С. Время оплавления однослойного покрытия – до 90 минут с момента начала оплавления. Высокотемпературная обработка не должна приводить к изменению конструкции или механических свойств материала изделия, то есть температура формирования покрытия должна быть ниже температуры пайки, термической обработки и т. п.

Охлаждение является заключительным этапом технологии нанесения покрытий. Детали охлаждаются на открытом воздухе или вместе с электрошкафом или печью.

Качество покрытий обеспечивается точным соблюдением режима нанесения покрытия на изделие. Контроль качества проводится не ранее, чем через 3 часа после завершения формирования покрытий. Контроль внешнего вида покрытий проводится на 100% изделий визуально при дневном или искусственном освещении. Допускается сравнение внешнего вида покрытий с контрольными образцами, утвержденными в установленном порядке. Поверхность покрытий должна быть ровной и соответствовать профилю покрываемой поверхности. Не допускаются вздутия, отслаивание, трещины в покрытии и непокрытые участки. Для оптимизации технологии нанесения покрытий с целью повышения адгезии необходимо провести анализ механизмов адгезии, рассмотреть методы её измерения и способы повышения.

7

Адгезия или прочность сцепления покрытия является одним из основных свойств покрытий Ф-4МБ и покрытий на его основе. Она в значительной мере определяет большинство его физико-механических и эксплуатационных свойств. Высокая химическая инертность Ф-4МБ исключает образование химических связей. Поэтому, адгезия этих покрытий обусловлена только силами межмолекулярного взаимодействия (Ван-дер-ваальсовыми силами), которые значительно меньше сил химического взаимодействия. Тем не менее, молекулярных сил на границе раздела покрытие-подложка достаточно для получения прочного адгезионного сцепления. В термодинамике имеет место положение о том, что для достижения высокой адгезии необходимо выполнение условия:

γсубстрат > γадгезив (1),

где γсубстрат – поверхностная энергия материала субстрата (подложки), γадгезив– поверхностная энергия материала покрытия. Из этого условия следует, что, изменяя материал субстрата или модифицируя его поверхность с целью увеличения поверхностной энергии (например, нанесением покрытий из материалов с высокой поверхностной энергией), можно увеличить адгезию покрытий на них. Адгезия покрытий определяется не только видом адгезионных связей, но и их количеством, зависящим от площади фактического контакта между адгезивом и субстратом. Увеличение площади фактического контакта

получали технологически путем увеличения шероховатой поверхности подложки (обработкой чугунной дробью, корундовым песком и т. д.) и уменьшением зазора между покрытием и подложкой в процессе формирования площади адгезионного контакта (за счет использования метода, обеспечивающего образование на поверхности подложки расплава материала покрытия, образующего максимальную площадь фактического контакта с более совершенной ориентацией полимерных молекул). Увеличению адгезии покрытий способствует также наведённое в покрываемых металлических поверхностях электрическое поле и поляризация макромолекул полимера.

Для определения прочности сцепления покрытий был применен доработанный количественный метод нормального отрыва. Схема сборки исследуемых образцов и устройство для определения прочности сцепления покрытия приведены на рис. 1. Сущность доработанного метода заключается в

следующем: образцы с покрытием Ф-4МБ соби-раются в соответствии со схемой, представленной на рис. 1(а). Затем образцы свариваются между собой по режиму, исключающему влияние на адгезионную прочность покрытий. Для этого сварка образцов производится при темпе-ратуре 300 + 10ºС (выше температуры плавления Ф-4МБ, но ниже на 10–20ºС температуры фор-мирования покрытия).

8

Полученный образец испытывался на разрывной машине универсальной УМ-5 с разрывным усилием от 0 до 5000 кг и погрешностью измерения ± 1 %.

Адгезионная прочность рассчитывалась по формуле (2):

(2),

где σа – адгезионная прочность, МПа; F – разрывное усилие, Н; S – площадь поперечного сечения, м2.

Для определения адгезии методом нормального отрыва использовались образцы из сталей 40Х, 12Х13 и 12Х18Н10Т, алюминиевого сплава Д16Т с покрытием рабочего торца диаметром 11,3±0,05 мм Ф-4МБ толщиной 20+5 мкм.

В дополнение к описанному адгезия фторопластовых покрытий исследовалась методом решетчатых надрезов по ГОСТ и методом изменения температуры по циклу: погружение в жидкий азот с температурой 77 К (минус 196 ºС) и выдержка при этой температуре в течение трёх минут; далее - нагрев путем погружения в воду с температурой (35+5) ºС с выдержкой при этой температуре в течение 2 минут; затем – протирка насухо и оценка внешнего вида по таблице 1 ГОСТ при комнатной температуре. Количество циклов – 50. Для определения адгезии по методу решетчатых надрезов и методу изменения температуры использовались пластины из сталей Ст3пс, 12Х13 и 12Х18Н10Т с покрытием Ф-4МБ толщиной 50+5 мкм.

В ходе экспериментов определялось влияние основных технологических параметров (шероховатости поверхности, температуры и времени оплавления) на адгезионную прочность покрытий. Обработка экспериментальных данных осуществлялась на основе известных методов математической статистики по схеме с равномерным дублированием опытов. В результате оценки коэффициентов регрессии построена модель прогнозирования адгезионной прочности, определены оптимальные технологические параметры: шероховатость поверхности Rz=20-25мкм; температура формирования покрытия °С; время оплавления – 80 минут.

Результаты исследований адгезии покрытий Ф-4МБ приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Адгезионные свойства покрытий фторопластом-4МБ.

Методы определения адгезии	Оценка результатов определения адгезии
Внешний вид, балл.	Прочность сцепления, МПа
Сталь 40Х	Сталь 12Х13	Сталь 12Х18Н10Т	Сталь Ст3пс	сплав Д16Т
решетчатых надрезов	1	---	1	1	1	---
изменения температуры	1	---	1	1	1	---
нормального отрыва	---	9,5±0,5	13±0,5	13,5±0,5	10±0,5	10,5±0,5

9

9

Анализ результатов адгезионных исследований показал, что покрытия Ф-4МБ, нанесенные по оптимизированной технологии, обладают высокой адгезией к различным материалам. Адгезия покрытий к сталям Ст3пс, 12Х13 и 12Х18Н10Т, определенная методом решетчатых надрезов и методом изменения температуры, соответствует баллу 1 (высшему баллу по ГОСТ ). Адгезионная прочность покрытий, измеренная методом нормального отрыва на сталях Ст3пс, 40Х, 12Х13, 12Х18Н10Т и алюминиевом сплаве Д16Т, составляет величину не менее 9 – 10 МПа и соизмерима с когезионной прочностью материала покрытия Ф-4МБ (≈16 МПа). Для достижения требуемой шероховатости и увеличения адгезии покрытия покрываемые поверхности деталей должны подвергаться специальной обработке. Рекомендуемые методы специальной обработки покрываемых поверхностей приведены в таблице 2.