Установка для модифицирования композиционных эпоксидных покрытий
Полезная модель относится к технологии машиностроения, более конкретно, к специализированным установкам для обработки изделий с полимерным покрытием на основе эпоксидной композиции и может найти применение при восстановлении узлов и деталей машин путем создания на их поверхности высокопрочных покрытий на основе термореактивных олигомеров с порошковыми наполнителями.
Решаемой задачей является создание эффективной и сравнительно простой, в технологическом отношении, установки для получения в результате совместной терморадиационной и ультразвуковой обработки прочных полимерных покрытий на основе эпоксидных композиций, обладающих повышенной адгезией к основному материалу изделия. Дополнительно решается задача сокращения длительности отверждения покрытий на основе эпоксидных композиций.
Указанная задача решается тем, что в установке для модифицирования композиционных эпоксидных покрытий, содержащей рабочую камеру, источник инфракрасного излучения и средства для фиксации эпоксидной композиции на поверхности изделия, согласно полезной модели, в рабочей камере установки размещен, по крайней мере, один источник ультразвука с возможностью облучения покрытия, преимущественно, на частоте 22 кГц и источник инфракрасного излучения с частотой излучения в диапазоне длин волн 1-4 мкм для совместного ультразвукового и терморадиационного воздействия на эпоксидную композицию при ее отверждении, причем источник ультразвука выполнен в виде магнитострикционного или пьезоэлектрического излучателя, а источник инфракрасного излучения выполнен на основе ламп накаливания и снабжен отражателем для распределенного или концентрированного облучения обрабатываемого изделия.
Кроме того, средства для фиксации эпоксидной композиции на поверхности изделия могут быть выполнены в виде пресс-формы, а магнитострикционный излучатель может быть снабжен коническим волноводом для повышения амплитуды ультразвуковых колебаний на изделии.
Описание на 9 л., илл. на 1 л.
Полезная модель относится к технологии машиностроения, более конкретно, к специализированным установкам для обработки изделий с полимерным покрытием на основе эпоксидной композиции и может найти применение при восстановлении узлов и деталей машин путем создания на их поверхности высокопрочных покрытий на основе термореактивных олигомеров с порошковыми наполнителями.
Известно устройство для сушки полимерного покрытия стального изделия, содержащее проходную электрическую печь, на выходе которой установлен коллектор с соплами для конвективной сушки покрытия (см. патент 
77032, МПК F26B 3/00, БИПМ 28, 2008).
Известное устройство предназначено, преимущественно, для сушки и отверждения лакокрасочного покрытия на изделиях типа полосовой электротехнической стали. Эффективность использования такого устройства заметно снижается, например, при модифицировании покрытия на внутренних участках корпусных изделий из-за ухудшения условий их терморадиационной обработки.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является установка для модифицирования композиционных эпоксидных покрытий, содержащая рабочую камеру, источник инфракрасного излучения и средства для фиксации эпоксидной композиции на поверхности изделия (см. Технология ремонта машин / Е.А.Пучин, B.C.Новиков, Н.А.Очковский и др.; под ред. Е.А. Пучина. - М.: КолосС, 2007, с.238 - прототип).
Особенностью известной установки для восстановления посадочных мест под подшипники в корпусе коробки передач методом терморадиационного модифицирования композиционных эпоксидных покрытий является наличие оснастки, включающей кондуктор с калибрующими оправками в области восстанавливаемых посадочных мест. Зазоры между предварительно подготовленными поверхностями посадочных мест и калибрующими оправками заполняют эпоксидной композицией, например, на основе компаунда К-115, с отвердителем АФ-2 и порошком графита.
Терморадиационное отверждение эпоксидного состава осуществляют электрическими нагревателями в воздушной камере по ступенчатому режиму: 2 часа при температуре 60°С, 1 час - при температуре 100°С и 1 час при температуре 150°С. Температуру регулируют изменением расстояния между поверхностью излучателя и изделия.
Характерными недостатками композиционного эпоксидного покрытия, получаемого в известной установке, являются повышенное растрескивание и отслоение покрытия от металлической поверхности. Длительность и сложность технологического процесса горячего отверждения полимерных покрытий на корпусных деталях являются основной причиной снижения долговечности изделий. Указанные факторы снижают эффективность известной установки и область применения термореактивных олигомеров для формирования указанных покрытий на поверхности металлических узлов и деталей.
Одним из возможных путей устранения указанных недостатков является дополнительное физическое или полевое воздействие на данный тип полимерного покрытия в процессе его формирования на изделии. К указанным видам воздействий можно отнести, в частности, давление, ультразвуковое, инфракрасное, ультрафиолетовое или радиоактивное облучение. Наиболее чувствительным к внешним проявлениям силовых полей является начальный период формирования покрытия в первых фазах его отверждения.
Решаемой задачей является создание эффективной и сравнительно простой, в технологическом отношении, установки для получения в результате совместной терморадиационной и ультразвуковой обработки прочных полимерных покрытий на основе эпоксидных композиций, обладающих повышенной адгезией к основному материалу изделия. Дополнительно решается задача сокращения длительности отверждения покрытий на основе эпоксидных композиций.
Указанная задача решается тем, что в установке для модифицирования композиционных эпоксидных покрытий, содержащей рабочую камеру, источник инфракрасного излучения и средства для фиксации эпоксидной композиции на поверхности изделия, согласно полезной модели, в рабочей камере установки размещен, по крайней мере, один источник ультразвука с возможностью облучения покрытия, преимущественно, на частоте 22 кГц и источник инфракрасного излучения с частотой излучения в диапазоне длин волн 1-4 мкм для совместного ультразвукового и терморадиационного воздействия на эпоксидную композицию при ее отверждении, причем источник ультразвука выполнен в виде магнитострикционного или пьезоэлектрического излучателя, а источник инфракрасного излучения выполнен на основе ламп накаливания и снабжен отражателем для распределенного или концентрированного облучения обрабатываемого изделия.
Кроме того, средства для фиксации эпоксидной композиции на поверхности изделия могут быть выполнены в виде пресс-формы, а магнитострикционный излучатель может быть снабжен коническим волноводом для повышения амплитуды ультразвуковых колебаний на изделии.
Такое решение позволяет создать сравнительно простую, технологичную и эффективную установку для восстановления различных изделий путем формирования на их поверхности композиционного покрытия на основе эпоксидных смол. Эпоксидная композиция в период ее приготовления и в начальном этапе отверждения наиболее чувствительна к внешним проявлениям, в частности, к эффектам, вызванным наложением ультразвукового поля. Эксперименты, проведенные на опытной базе МГАУ им. Горячкина В.П., при отработке процессов модификации эпоксидных композиций для восстановления деталей машин различной номенклатуры, показали, что одновременное ультразвуковое и терморадиационное воздействие на слой указанной полимерной композиции обеспечивает значительное повышение адгезии и сокращение длительности отверждения покрытия на поверхности восстанавливаемых изделий.
При этом экспериментально установлено, что источник ультразвука целесообразно выполнить на рабочую частоту 22 кГц. Эффективность установки сохраняется при изменении указанной частоты на 10 - 20%. После модернизации ультразвукового излучателя и монтажа волновода становится возможным использование для предложенной установки, имеющегося на многих предприятиях, оборудования для ультразвуковых машин точечной сварки.
Источником инфракрасного излучения в предложенной установке целесообразно использовать инфракрасную лампу с вольфрамовой нитью накаливания, которая обеспечивает облучение обрабатываемого изделия лучистым потоком в диапазоне длин волн 1-4 мкм. При этом на опытной установке в МГАУ им. Горячкина В.П. было установлено, что инфракрасное излучение в указанном диапазоне длин волн позволяет наиболее эффективно воздействовать на адгезионные свойства твердеющей эпоксидной композиции, проникая в слои покрытия, примыкающие непосредственно к металлической поверхности изделия. При этом физико-механические свойства нанесенного покрытия и адгезионные свойства металлополимерного соединения в дальнейшем сохраняются длительное время без изменения, что обеспечивает высокие рабочие характеристики деталей машин с указанным покрытием.
На предложенной установке при наложении ультразвукового поля и инфракрасного излучения на изделия с эпоксидным композиционным покрытием возможно проведение следующих типов операций по восстановлению и ремонту узлов и деталей машин: создание высокопрочного покрытия на металлах, склеивание деталей из разнородных материалов, в том числе, приклеивание фрикционных накладок, заделка трещин, устранение пробоин в протяженных изделиях, восстановление неподвижных соединений и формовка посадочных мест подшипников качения в корпусах коробок передач или двигателей внутреннего сгорания.
На фиг.1 показано сечение типичного модуля предложенной установки для совместной терморадиационной и ультразвуковой модификации композиционного эпоксидного покрытия на плоском металлическом изделии; на фиг.2 представлен узел модуля для восстановления деталей цилиндрической формы.
Установка (фиг.1) содержит рабочую камеру 1, укрепленный в ее верхней части источник инфракрасного излучения 2 и средства для фиксации композиционного эпоксидного покрытия 3 на поверхности восстанавливаемого изделия 4 в виде металлической пластины. В рабочей камере 1 установки размещен один из упомянутых модулей для совместной терморадиационной и ультразвуковой обработки указанных изделий 4 с покрытием 3 на основе эпоксидной композиции.
Источник инфракрасного излучения 2 выполнен с использованием ламп 5 с вольфрамовой нитью накаливания, характеризующихся излучением в диапазоне длин волн 1-4 мкм. Для распределенного облучения обрабатываемого изделия 4 источник излучения 2 снабжен отражателем 6. Источником ультразвука в данном модуле является магнитострикционный излучатель 7, выполненный с возможностью облучения покрытия 3 на изделии 4, преимущественно, на частоте 22 кГц. Магнитострикционный излучатель 7 с обмотками 8 размещен в сборном корпусе 9 и охлаждается проточной водой. К верхнему торцу излучателя 7 примыкает конический волновод 10 для повышения амплитуды ультразвуковых колебаний на выходном фланце 11, примыкающем к обрабатываемому изделию 4. Волновод 10 выполнен составным из двух частей, нижней 12 и верхней 13, имеющих форму усеченного конуса, которые снабжены опорными фланцами 14, 15, опирающимися на элементы корпуса 9, закрепленного на нижней стенке рабочей камеры 1 установки.
Средство для фиксации неотвержденной эпоксидной композиции покрытия 3 на поверхности изделия 4 выполнено в виде пресс-формы, включающей стакан 16 и опору 17. Между металлическими частями выходного фланца 11 и стакана 16 имеются зазоры до десятых долей мм для снижения потерь ультразвука и повышения эффективности облучения покрытия 3.
Изображенный на фиг.2 узел модуля предназначен для восстановления внутренней изношенной поверхности металлических изделий 18, имеющих форму втулки. Кольцевое пространство между изделием 18 и калибрующим стержнем 19 заполнено эпоксидной композицией 20. Позиции элементов 11, 16, 17 на фиг.2 ультразвуковой части модуля установки остаются прежними. В случае использования для источника ультразвука 2 пьезоэлектрического излучателя (не показан) его целесообразно закреплять на тех участках изделия, которые должны иметь износостойкое покрытие на основе эпоксидных смол.
Колебательную систему предложенной установки составляет магнитострикционный преобразователь ПМС-15-2А (поз.7) и волновод 10, служащий трансформатором параметров звуковых волн, поступающих к выходному фланцу 11, к изделию 4 и к материалу покрытия 3. Для эффективной работы колебательной системы необходимо согласовать акустические параметры всех узлов с геометрическими размерами установки. При этом становится возможным использование имеющихся на многих предприятиях машин точечной сварки (например, УЗСМ-1, УТ-4, УЗТШ-1, МТУ-4).
Выполнение волновода 10 источника ультразвука 7 составным из соединенных между собой двух частей 12, 13 в форме усеченного конуса с опорными фланцами 14, 15 увеличивает амплитуду звуковой волны на концевом фланце 11 излучателя в области изделия 4 и обеспечивает необходимую модификацию композиционного эпоксидного покрытия, а также технологичность конструкции установки.
Совместная ультразвуковая и терморадиационная обработка покрытия при заданной длительности повышает адгезионную прочность металлополимерных соединений и сокращает длительность отверждения эпоксидных покрытий. В качестве примера используемой в предложенной установке полимерной композиции может быть выбрана эпоксидная композиция, основой которой является эпоксидная смола ЭД-16-100 масс.ч., дибутилфталат - 10 масс.ч, отвердитель АФ-2-6 масс.ч. и разные порошковые наполнители (железо, алюминий, графит и др.).
В результате исследований, проведенных на предложенной экспериментальной установке в МГАУ им. Горячкина В.П., ультразвуковая и терморадиационная обработка в значительной степени повышает равномерность распределения наполнителя, способствует измельчению надмолекулярной структуры композиции, повышает адгезионные, антикоррозийные, прочностные и эксплуатационные свойства покрытий.
Установка для терморадиационной и ультразвуковой обработки изделий с полимерным покрытием на основе эпоксидной композиции функционирует следующим образом.
В рабочей камере 1 устанавливают необходимое количество модулей для обработки изделий 4 источниками 2, 7 инфракрасного и ультразвукового излучения. Затем в стакан 16 пресс-формы помещают изделие 4 с предварительно приготовленной и нанесенной на верхнюю поверхность эпоксидной композицией выбранного состава.
Нанесение композиционного покрытия 3 на восстанавливаемое изделие 4 проводили в следующей последовательности. Композицию на основе эластофицированной эпоксидной смолы ЭД-16 и холодно твердеющего акрилопласта АСТ-Т готовили по следующее схеме. Выдержав пропорцию компонентов (в частях по массе), предварительно нагретую смолу тщательно перемешивают с пластификатором, затем добавляют необходимое количество эластофицирующего агента - герметика 6Ф и снова тщательно перемешивают до получения однообразной массы.
Затем отдельно приготавливают состав холодно твердеющей композиции, выдержав соотношение 1:1 порошка акрилопласта (мономера) и акриловой смолы (полимера). После перемешивания этих компонентов добавляют необходимое количество наполнителя и снова перемешивают. Затем смешивают предварительно приготовленные эпоксидную и акрилопластовую композиции и добавляют отвердитель АФ-2 (5% от объема эпоксидной смолы) и тщательно перемешивают все компоненты до получении однообразной массы. Затем стакан 16 с изделием 4 и нанесенным покрытием 3 устанавливают в опоре 17 в контакте с выходным фланцем 11 излучателя ультразвука.
При наличии протока охлаждающей воды в корпусе 9 подключают обмотки 8 магнитострикционного излучателя 7 к питающему генератору (не показан) с рабочей частотой 22 кГц. Благодаря форме сужающегося конического волновода 10 и опорным фланцам 14, 15 осуществляется трансформация параметров звуковых волн, приводящая к значительному увеличению амплитуды колебаний, поступающих к выходному фланцу 11, к изделию 4 и материалу покрытия 3.
Для эффективной работы колебательной системы необходимо заранее согласовать акустические параметры всех узлов с геометрическими размерами установки. Благодаря наличию зазоров между металлическими частями выходного фланца 11 и стакана 16 резко повышается эффективность ультразвукового облучения полимерного покрытия 3.
Обеспечение резонанса всей системы достигается изготовлением волновода и излучателя полуволновой длины. Вследствие больших статических нагрузок в конструкции волноводной системы предусматривается пассивный опорный фланец 15, расположенный в узле смещения. Для уменьшения рассеивания колебательной энергии и, во избежание нарушений режима работы системы, указанный фланец крепится к корпусу 9 через паронитовые прокладки. После расчета колебательной системы и выбора оптимальной схемы ввода ультразвуковых колебаний в пресс-форму при восстановлении деталей переходят к определению режимов ультразвуковой обработки полимерных покрытий, заключающиеся в определении основных акустических параметров - частоты и амплитуды колебаний.
Одновременно с подключением магнитострикционного излучателя 7 включают питание источника инфракрасного излучения 2, которое характеризуется излучением в диапазоне длин волн 1-4 мкм. Отражатель 6 обеспечивает более равномерное распределенное облучение покрытия 3 на изделии 4 от источника инфракрасного излучения 2. Функционирование установки в случае создания восстанавливающего покрытия на внутренней поверхности изделий 18 в форме втулки осуществляется аналогично тому, как описано выше, за исключением иных режимов облучения.
В случае использования для источника ультразвука 2 пьезоэлектрического излучателя режимы восстановления подобных или иных изделий также должны быть изменены. Прочность сцепления эпоксидной композиции с изделием улучшается, если температура в зоне контакта не ниже температуры стеклования. Эффективность предложенной установки обусловлена тем, что здесь можно увеличить температуру поверхности изделия 4 больше, чем температуру поверхности покрытия 3, поэтому процесс модифицирования на поверхности раздела фаз начинается и проходит более ускоренно, чем в самом полимерном покрытии.
В начальный период облучения покрытия 3 основная часть тепловой энергии при его отверждении расходуется на испарение растворителя и пластификатора, у которых полоса максимальной прозрачности находится в том же участке спектра, в котором генерируется максимум энергии инфракрасной лампы 5.
Такой механизм теплопередачи при инфракрасном облучении в корне отличается от механизма конвективного теплопереноса, в котором нагрев наружной пленки покрытия 3 направлен снаружи внутрь, т.е. температурный градиент направлен навстречу градиенту влажности и движению частицы растворителя и пластификатора, замедляя их испарение. Кроме того, образование поверхностной корочки также препятствует высыханию внутренних слоев.
Облучение поверхности полимерного покрытия инфракрасной лампой накаливания 5, которая генерирует максимум энергии на волнах, проходящих сквозь слой покрытия 3 почти без потерь, изменяет распределение температур в покрытии. Покрытие 3 нагревается только за счет тепла, отдаваемого подложкой, то есть изделием 4, следовательно, температурный градиент направлен в том же направлении, что и градиент влажности, что способствует быстрому удалению растворителя и пластификатора. После удаления растворителя и пластификатора из композиции, вся освободившаяся энергия лучевого потока перераспределяется, и температурный градиент в этом случае направлен на частицы наполнителя (для наполненных композиций) и на макромолекулы композиции, ускоряя процесс структурообразования.
При этом необходимо отметить, что предварительный нагрев частиц наполнителя и кинетических единиц сетчатой структуры полимерной матрицы интенсифицирует процесс взаимодействия частиц наполнителя с полимерной связующей и повышает адгезионную прочность композиции. Такое ступенчатое действие лучистой энергии на полимерное покрытие при инфракрасном облучении его поверхности снижает внутреннее напряжение и повышает предел прочности покрытия. Радиационное отверждение термореактивных олигомеров улучшает и другие качества покрытия. Терморадиационная обработка в большинстве случаев ускоряет процесс полимеризации (отверждения) покрытий из термореактивных олигомеров в 5-8 раз. Установлено, что светлые тона покрытий, отражающие часть потока инфракрасных лучей, отверждаются медленнее, чем покрытия темного цвета. Поэтому введение в покрытие чугунного и железного порошков, графита ускоряет отверждение полимера, а алюминиевая бронзовая пудра, окись алюминия и другие светлые порошки замедляют этот процесс.
В частности, при облучении покрытия инфракрасной лампой зафиксированная температура покрытия без наполнителя составляла 134°С, а с наполнителем из чугунного порошка - 153°С. Было также проверено влияние эластофицирующего и модифицирующего агентов - оно оказалось значительно меньшим и изменяло температуру поверхности раздела композиция - металлическая подложка всего на 3-4°С. Таким образом, с помощью инфракрасного источника, изменяя интенсивность излучения и расстояние между облучаемой поверхностью и излучателем, можно ускорить процесс отверждения полимерного покрытия как на небольших, так и на крупногабаритных изделиях.
По указанным причинам время терморадиационного и ультразвукового воздействия на изделие 4 с полимерным покрытием 3 подбирается экспериментальным путем, поскольку зависит от множества факторов: состава и толщины эпоксидной композиции, от плотности мощности инфракрасного и ультразвукового потоков излучения на изделии 4, от согласования акустических параметров ультразвукового излучателя и др. Для ускорения процесса отверждения покрытий на основе эпоксидных композиций, в ряде случаев, целесообразно дополнительно заполнять рабочую камеру 1 установки нейтральным газом (воздух, азот и т.п.) с возможностью изменения давления и температуры газовой среды.
Полимерные материалы и композиции на их основе в отличие от металлов и сплавов долгое время находятся в состоянии термодинамического неравновесия, то есть даже без внешних механических нагрузок и теплового воздействия, в них происходит изменение свойств - внутреннего напряжения и прочностных характеристик. Упомянутые исследования показали, что после ультразвуковой и терморадиационной обработки в течение 1,5 мин прочность покрытия достигает больших значений, чем при обычном режиме термообработки. При этом ультразвуковая обработка в значительной степени влияет на вязкость эпоксидных олигомеров. Так, обработка ультразвуком с плотностью мощности 7-10 Вт/см2 приводит к уменьшению вязкости композиции на основе эпоксидной смолы ЭД-16 на 15-25%. При снятии ультразвукового воздействия вязкость композиции восстанавливается за 5-45 с. Стабильность механических характеристик и гарантированный химический состав получаемого модифицированного покрытия на поверхности восстанавливаемых деталей машин обеспечивают перспективу широкого внедрения предложенной установки для восстановления дефицитных узлов и деталей машин самого различного назначения, в том числе, в системе агропромышленного комплекса при минимальных затратах на материалы и потребляемую электроэнергию.
Ультразвуковая и терморадиационная обработка, при соблюдении указанных условий, повышает адгезионную прочность металлополимерных соединений и сокращает длительность отверждения эпоксидных покрытий. При этом количество ручных операций при восстановлении неподвижных соединений подшипников, например, корпусов двигателей Д - 160 в предложенной установке, по сравнению с их восстановлением в известных устройствах или по сравнению с заводским изготовлением снижается в 5-8 раз, а расход материалов в 10-20 раз и более.
Эксплуатация предложенной установки для восстановления деталей машин осуществляется в благоприятных для рабочих условиях, в том числе, на базе стандартных ремонтных мастерских. Предложенная установка разработана с использованием разных типов эпоксидных композиций в режиме, который резко повышает производительность процесса и качество восстановленных деталей.
1. Установка для модифицирования композиционных эпоксидных покрытий, содержащая рабочую камеру, источник инфракрасного излучения и средства для фиксации эпоксидной композиции на поверхности изделия, отличающаяся тем, что в рабочей камере установки размещен, по крайней мере, один источник ультразвука с возможностью облучения покрытия преимущественно на частоте 22 кГц, причем источник ультразвука выполнен в виде магнитострикционного или пьезоэлектрического излучателя, а источник инфракрасного излучения выполнен с частотой излучения в диапазоне длин волн 1-4 мкм на основе ламп накаливания и снабжен отражателем для распределенного или концентрированного облучения обрабатываемого изделия для совместного ультразвукового и терморадиационного воздействия на эпоксидную композицию при ее отверждении.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средства для фиксации эпоксидной композиции на поверхности изделия выполнены в виде пресс-формы, а магнитострикционный излучатель снабжен коническим волноводом для повышения амплитуды ультразвуковых колебаний на изделии.
