Experimental study of polymer coatings quality of tractor and automobiles body parts from the elastomer F-40 solution with infrared drying

Full Text

Введение Цена корпусных деталей значительно превышает цену других типовых деталей и в значительной мере формирует цену агрегатов и машины в целом. Эти детали являются базисными, ресурсными деталями, которые в основном определяют срок службы всего агрегата. Одной из основных причин выбраковки корпусных деталей является износ посадочных отверстий под подшипники вследствие фреттинг-коррозии. Нанесение полимерных покрытий на поверхность отверстий позволяет значительно увеличить допуск при растачивании отверстий в процессе изготовления новых корпусных деталей, а также повысить ресурс неподвижных соединений подшипников и исключить появление фреттинг-коррозии [1-2]. На сегодняшний день технология нанесения полимерных покрытий на посадочные места корпусных деталей имеет ряд недостатков. При конвективной сушке полимерных покрытий имеет место пористость и различные дефекты поверхности, что негативно влияет на качество отвержденного покрытия. На основании изучения применяемых в настоящее время в промышленности способов сушки полимерных покрытий для исследований выбран терморадиационный способ сушки инфракрасными лучами. Этот способ отличается компактностью установок, высокой скоростью сушки, низкими энергозатратами и себестоимостью. Способ обеспечивает более высокое качество покрытия за счет уменьшения числа и размеров дефектов поверхности. Цель исследования Цель исследования - экспериментальная оценка качества полимерных покрытий из раствора эластомера Ф-40 при инфракрасной сушке лакокрасочных покрытий автомобилей. Методика экспериментальных исследований В экспериментальных исследованиях были поставлены следующие задачи: · оценка количества и размеров дефектов покрытия, полученного терморадиационным способом; · оценка деформационно-прочностных свойств пленок из эластомера Ф-40, полученных терморадиационным способом, и определение оптимального режима термической обработки. Возникновение дефектов в покрытиях эластомеров определяется следующими факторами: · способом сушки; · качеством нанесения покрытия; · качеством механической обработки поверхности подложки; · темпом нагрева покрытия. Количество и размер дефектов покрытия напрямую влияет на деформационно-прочностные свойства покрытия и, как следствие, на ресурс подшипникового узла. Качество полимерного покрытия оценивали визуально в соответствии с ГОСТ 9.407-84 [3]. В качестве образцов использовали подшипниковые щиты электродвигателей 4А112-2 с диаметром посадочных отверстий 80 мм. Перед нанесением покрытия из раствора эластомера Ф-40 поверхности посадочных отверстий щитов двукратно обезжиривали ацетоном с последующим просушиванием в течение 5 минут. Эластомер послойно наносили на поверхность посадочного отверстия кистью №5. Термическую обработку щитов с покрытиями проводили при температуре 180оС в течение 3 ч. Температуру в 180оС для одного из щитов обеспечивали в шкафу сушильном СНОЛ-3.5,3.5,3.5/3. Для другого щита сушку проводили при помощи лабораторной экспериментальной установки, показанной на рис. 1. Она состоит из двух инфракрасных излучателей включающих в себя отражатели QTSR и лампы QTS мощностью 750 Вт, установленные на опорах. Температуру на поверхности пленок контролировали пирометром ADA TemPro 550. Рис. 1. Экспериментальная установка После термической обработки образцы кондиционировали в течение 16 ч при нормальной атмосфере [4]. В соответствии с ГОСТ 9.407-84 визуально определяли число пузырьков на покрытии, их размеры и площадь разрушенного покрытия. Для этого на поверхности с нанесенным покрытием выбирали 3 участка площадью 1 см2, находящихся под углом 120⁰ друг относительно друга и на расстоянии 10 мм от края поверхности. После подсчета площади разрушенного покрытия и размера пузырей в соответствии с ГОСТ 9.407-84 покрытию присваивалось обозначение. По результатам исследования влияния способа термической обработки на качество получаемого полимерного покрытия на подшипниковых щитах электродвигателя 4А112-2 получили площадь разрушенного покрытия и размер пузырьков. Площадь разрушенного покрытия в соответствии с ГОСТ 9.407-84 вычисляли по формуле: , где - площадь разрушенного покрытия; - общая площадь выбранного участка покрытия. Деформационно-прочностные свойства полимерных пленок из раствора эластомера после инфракрасной сушки оценивали прочностью при одноосном растяжении пленок и относительным удлинением [5]. За основу методики исследования принята методика, описанная в работе [5], в которую внесены изменения, обусловленные иным способом сушки. В качестве образцов изготовили образцы пленок прямоугольной формы размером 60×15×0,15 мм с расчетной длиной 40 мм. При изготовлении пленок в качестве подложки использовали пластину из стали 3 (рис. 2) размерами 200×160×4 мм. Для обеспечения формы и геометрических размеров пленки использовали рамку-трафарет 1 размерами 200×160×0,8 мм из стали 3 с тремя окнами для пленок. Длина и ширина окон соответствовали геометрическим размерам пленки. На стальную подложку 2 укладывали лист пищевой фольги 3 ГОСТ 745-2003 размерами 200 ×160×0,11 мм и затем на нее устанавливали рамку-трафарет, которую скрепляли с подложкой шестью болтовыми соединениями 4. Болтовые соединения использовали для исключения затекания материала под рамку, а также для последующего закрепления рамки с подложкой на штативе. Далее рамку заполняли эластомером Ф-40, нанося послойно покрытие волосяной кистью № 5. Размеры образцов по длине и ширине находились в пределах ± 0,1 мм. Рис. 2. Рамка-трафарет в сборе: 1 - рамка-трафарет; 2 - фольга; 3 - подложка; 4 - болтовое соединение Рамку-трафарет в сборе с подложкой установили на штативе напротив излучателей. Используемая установка не отличалась от той, что применялась для оценки размера и количества дефектов покрытия. Образцы испытывали на разрывной машине ИР 5047-50 с одновременной записью диаграммы «нагрузка-деформация». Нагружение образцов осуществляли с постоянной скоростью 50 мм/мин. Прочность и относительное удлинение пленок рассчитывали по формулам [5]: , где - разрушающая нагрузка, Н; - площадь поперечного сечения пленки, мм2. , где - расчетная длина пленки, мм; - приращение длины пленки при разрушении, мм. Результаты экспериментальных исследований Количество пузырей в покрытиях эластомера Ф-40 после конвекционной и инфракрасной сушки показано на рис. 3. Рис. 3. Количество пузырей при различных способах термообработки: 1 - конвективная сушка; 2 - инфракрасная сушка Как следует из рис. 3, площадь разрушенного покрытия при конвективной сушке покрытия эластомера Ф-40 составляет , а при инфракрасной - . Площадь разрушенного покрытия при инфракрасной сушке уменьшилась в 1,43 раза. Размеры возникающих пузырей примерно одинаковы при обоих типах термической обработки и находятся в пределах 0,5…0,7 мм. В соответствии с ГОСТ 9.407-84 обозначение оценки покрытия при конвективной сушке будет выглядеть как П4/2, где П - условное обозначение вида разрушения, числитель - балл по площади разрушенного покрытия, знаменатель - балл по размеру разрушения. Для поверхности, прошедшей инфракрасную сушку обозначение будет выглядеть как П3/2. Оценка деформационно-прочностных свойств пленок из эластомера Ф-40, полученных терморадиационным способом Зависимость прочности и деформации пленок эластомера Ф-40 от температуры и времени инфракрасной сушки представлена на рис. 4. Рис. 4. Зависимость прочности (а) и деформации (б) пленок композиции эластомера Ф-40 от температуры отверждения и времени отверждения : 1 - время термообработки t = 1 ч; 2 - время термообработки t = 2 ч; 3 - время термообработки t = 3 ч С увеличением времени термической обработки от 1 до 3 ч при температуре 120оС прочность пленок увеличивается в 1,31 раза (от 8 до 10,5 МПа). При повышении температуры термической обработки до 140оС максимальная прочность 13,9 МПа наблюдается у пленок, обработанных в течение 2 ч. С увеличением времени термической обработки до 3 ч прочность пленок уменьшается до 13,45 МПа. Уменьшение прочности и деформации (рис. 4б) объясняется началом охрупчивания материала. При дальнейшем увеличении температуры термической обработки до 160оС охрупчивание материала усиливается, поэтому прочность снижается с 12,5 до 11 МПа, а деформация с 65 до 12% при увеличении времени обработки от 1 до 3 ч. Максимальное охрупчивание материала имеет место при температуре 180оС. Прочность и деформация с увеличением времени обработки резко снижаются и имеют минимальные значения 6,3 МПа и 8% при времени 3 ч. Определен оптимальный режим инфракрасной сушки пленок эластомера Ф-40: температура , время Максимальная прочность достигла показателя а деформация . Полученная прочность в 1,42 раза больше чем при оптимальном режиме конвекционной сушки (9,8 МПа), полученным в работе [6], а значения деформации практически аналогичны. Выводы 1. Применение терморадиационного способа сушки покрытий на основе эластомеров позволяет снизить дефектность покрытия в 1,43 раза по сравнению с конвективным способом. 2. Определен оптимальный режим инфракрасной сушки пленок эластомера Ф-40: температура , время . 3. Инфракрасная сушка по сравнению с конвективным способом обеспечивает увеличение прочности материала в 1,42 раза, уменьшение температуры термической обработки на 20оС, времени - на 1 ч, что подтверждает снижение энергозатрат.

About the authors

R. I Li

Lipetsk State Technical University

Email: romanlee@list.ru
Dr.Eng.; +7 4742 32-80-88

V. N. Safronov

Lipetsk State Technical University

References

Supplementary files