close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10711

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
B 05D 1/08
СПОСОБ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
(21) Номер заявки: a 20050857
(22) 2005.08.31
(43) 2007.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт машиностроения Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Белоцерковский Марат Артемович; Чекулаев Андрей Васильевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
BY 10711 C1 2008.06.30
BY (11) 10711
(13) C1
(19)
(56) Витязь П.А. и др. Упрочнение газотермических покрытий. - Мн.: Бестпринт,
2004. - С. 34.
Белоцерковский М.А. Технологии активированного газопламенного напыления
антифрикционных покрытий. - Мн.: УП
"Технопринт", 2004. - С. 97-107, 167-177.
Белоцерковский М.А. и др. Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения. Полоцкий государственный
университет: УП "Технопринт", 2001. С. 255-258.
BY 4731 C1, 2002.
BY 5768 C1, 2003.
RU 2224049 C1, 2004.
US 5472745 A, 1995.
US 2570649, 1951.
(57)
Способ газопламенного напыления покрытия, включающий подачу материала покрытия
в виде проволоки, нагрев проволоки до плавления, ее распыление струей газа с образованием потока частиц и осаждение частиц в виде слоя на предварительно подготовленную
поверхность детали, отличающийся тем, что в качестве материала покрытия используют
термопластичный полимер, а нагрев и распыление проволоки осуществляют одной струей
газа, при этом величину средней плотности теплового потока струи газа в зоне плавления
проволоки q1 (Вт/м2) определяют из выражения:
q1 = PTпл λ
N
,
αρ K
где Тпл - температура плавления полимера, К;
λ - теплопроводность полимера, Вт/м·К;
N - производительность напыления, кг/ч;
α - коэффициент температуропроводности полимера, м2/с;
ρ - удельная масса полимера, кг/м3;
К - коэффициент, зависящий от состава полимера и выбираемый из интервала от 0,01
до 0,02, м3;
Р - коэффициент, определяющий состояние полимера в зоне распыления и выбираемый из интервала от 0,2 до 1,3,
BY 10711 C1 2008.06.30
а величину средней плотности теплового потока струи газа в зоне образовавшегося потока
напыляемых частиц q2 (Вт/м2) определяют из выражения:
q2 ≤ 0,05q1.
Изобретение относится к газопламенным методам нанесения защитных, износо- и
коррозионностойких покрытий преимущественно из полимерных материалов. Оно может
быть использовано для нанесения антифрикционных покрытий на рабочую поверхность
элементов трибосопряжений для защиты деталей и элементов технологического оборудования от коррозии.
Известны способы нанесения защитных покрытий, использующие порошок или порошковые шихты в качестве напыляемого материала [Витязь П.А., Ивашко B.C., Ильющенко А.Ф. и др. Теория и практика нанесения защитных покрытий. - Мн.: Беларуская
навука. 1998. - C. 583], включающие подачу порошковой шихты в высокотемпературный
факел, образованный горением углеводородного газа в окислителе, полет частиц порошка
в факеле, сопровождающийся их нагревом до плавления или высокопластичного состояния, осаждение частиц на предварительно подготовленную поверхность детали с образованием покрытия. Однако себестоимость известных способов нанесения порошковых
покрытий весьма высока (более 16 $/кг), что обусловлено высокими ценами на порошковые материалы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ газопламенного напыления покрытий, включающий подачу материала покрытия в виде проволоки в высокотемпературную струю, образованную горением горючего газа в окислителе,
нагрев проволоки до плавления и ее распыление коаксиально движущейся со скоростью
более 100 м/с дополнительной струей газа с образованием потока частиц, осаждение частиц
в виде слоя на предварительно подготовленную поверхность детали [Витязь П.А., Азизов P.O.,
Белоцерковский М.А. Упрочнение газотермических покрытий. - Мн.: Бестпринт, 2004. С. 34-45].
Недостатком известного способа является необходимость использования дополнительной газовой струи для распыления материала проволоки, а также низкий коэффициент
использования материала (не более 15 %) при распыления проволок, изготовленных из
термопластичных полимеров. Обусловлено это тем, что низкая теплопроводность и относительно небольшая температура разложения полимера препятствуют полному расплавлению проволоки в высокотемпературной зоне, поскольку полимер у поверхности
проволоки разлагается прежде, чем внутренняя зона нагреется до температуры плавления
[Ван Кревелен Д.В. Свойства и химическое строение полимеров. - М.: Химия, 1976. - С. 415].
Это явилось основным препятствием распространения метода проволочного распыления
полимеров несмотря на явные преимущества такой технологии получения полимерных
покрытий по сравнению с напылением порошков (порошок при хранении слеживается,
требует рассева на фракции, невозможно равномерное введение наполнителя в состав
покрытия).
Для решения поставленной задачи в способе газопламенного напыления покрытий,
включающем подачу материала покрытия в виде проволоки, нагрев проволоки до плавления, ее распыление струей газа с образованием потока частиц и осаждение частиц в виде
слоя на предварительно подготовленную поверхность детали, согласно изобретению, в
качестве материала покрытия используют термопластичный полимер, а нагрев и распыление
проволоки осуществляют одной струей газа, при этом величину средней плотности теплового потока струи газа в зоне плавления проволоки ql (Вт/м2) определяют из выражения:
q1 = PTплλ
2
N
,
αρK
BY 10711 C1 2008.06.30
где Тпл - температура плавления полимера, К;
λ - теплопроводность полимера, Вт/м⋅К;
N - производительность напыления, кг/ч;
α - коэффициент температуропроводности полимера, м2/с;
ρ - удельная масса полимера, кг/м3;
К - коэффициент, зависящий от состава полимера и выбираемый из интервала от 0,01
до 0,02, м3;
Р - коэффициент, определяющий состояние полимера в зоне распыления и выбираемый из интервала от 0,2 до 1,3,
а величину средней плотности теплового потока струи газа в зоне образовавшегося
потока напыляемых частиц q2 (Вт/м2) определяют из выражения:
q2 ≤ 0,05q1.
В основу заявляемого способа положены результаты исследования кинетики процесса
нагрева полимерных экструдатов коаксиально расположенным газопламенным факелом.
В результате теплового воздействия высокотемпературной струи, образованной при сжигании газовоздушной смеси, в сечении экструдата образуются слои (термические зоны),
отличающиеся температурой и фазовым состоянием. На поверхности формируется слой
расплавленного полимера, удерживающийся до тех пор, пока силы поверхностного натяжения больше напора струи факела. В тот момент, когда сила воздействия струи превысит
силу поверхностного натяжения, от расплавленного материала отрываются капли и увлекаются потоком горячего газа. В процессе эвакуации полимеpa с поверхности экструдата
распыляемый материал в зоне ядра факела приобретает форму удлиненного конуса.
Глубина проплавления δ(х) зависит от теплофизических характеристик полимера и,
прежде всего, от теплопроводности. Процесс передачи тепла связан с переносом энергии
от слоя к слою квантовыми порциями со скоростью звука. Поскольку полимеры имеют
относительно низкую теплопроводность, величина δ(х) незначительна (от 40 мкм для полипропилена до 57 мкм для полиамида ПА-6). Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований показал, что среднюю величину плотности теплового потока
струи в зоне расплавления экструдатов и формирования капель можно определить по
формуле:
N
q1 = PTплλ
,
αρK
где величина коэффициента К находится в интервале от 0,01 до 0,02 м3 и зависит от химического состава полимера, а величина коэффициента Р, определяющая состояние полимера в зоне распыления, находится в интервале от 0,2 до 1,3.
В табл. 1 приведены значения коэффициента К для различных широко применяемых
термопластов.
Таблица 1
3
Полимер
К⋅10 , м3
Полиэтилен высокой плотности (ГОСТ 16338-85)
18,0
Полиэтилен низкой плотности (ГОСТ 16337-77)
17,9
Полипропилен (ГОСТ 26996-86)
18,3
Полистирол (ГОСТ 20282-86)
15,6
Полиамид ПА-6 (ТУ 6-05-4-88)
15,0
Полиэтилентерефталат (ТУ 6-05-1984-85)
12,3
Для оценки необходимых величин плотности теплового потока в зоне движения напыляемых частиц были проведены экспериментальные исследования, в которых использовались проволочные экструдаты из полиамида, полиэтилена и полиэтилентерефталата
различного диаметра. Напыление покрытий осуществлялось на стальные образцы факелом
3
BY 10711 C1 2008.06.30
пропановоздушного пламени с помощью экспериментального термораспылителя, оснащенного камерой сгорания и сопловыми наконечниками, позволяющими изменять плотность
теплового потока выходящей из камеры струи в широких пределах. Теплофизические характеристики факела определялись с помощью калориметрического зонда, прочность сцепления покрытий с основой оценивалась по штифтовой методике [Белоцерковский М.А.
Технологии активированного газопламенного напыления антифрикционных покрытий. Мн.: Технопринт, 2004. - С. 200].
В табл. 2 приведены данные, показывающие влияние величины коэффициента Р на состояние полимерного экструдата в зоне распыления.
Таблица 2
Размер распыляемых
Состояние полимера
Коэффициент Р
Тч, К
частиц dч, мкм
в зоне распыления
1,4
деструкция
1,3
<50
1,49 Тпл
абляция
1,2
45-70
1,32 Tпл
вязкотекучее
1,1
60-100
1,26 Тпл
вязкотекучее
1,0
80-110
1,21 Тпл
вязкотекучее
0,9
100-150
1,19 Тпл
вязкотекучее
0,8
140-180
1,18 Тпл
вязкотекучее
0,7
170-210
1,16 Тпл
вязкотекучее
0,6
200-240
1,12 Тпл
вязкотекучее
0,5
210-270
1,09 Тпл
вязкотекучее
0,4
250-320
1,05 Тпл
вязкотекучее
0,3
300-360
1,04 Тпл
вязкотекучее
0,2
>400
1,02 Тпл
высокоэластичное
0,1
0,98 Тпл
эластичное
Установлено, что максимальная производительность напыления N = 1,5...2 кг/ч соответствовала плотности теплового потока в зоне плавления полимера (q1) ≈ 1,5⋅105 Вт/м2.
Плотность теплового потока в зоне движения напыляемых частиц (q2) оценивали по отношению к плотности теплового потока в зоне плавления полимера: q2 = zq1. Определили
(таблица 3), что при соотношении q2 ≤ 0,05q1 температура частиц при подлете к подложке
не превышала 1,5 Тпл, покрытие формировалось без существенных изменений в составе
полимеров.
Таблица 3
Результаты исследования влияния соотношения плотностей теплового потока
в различных зонах факела на процесс формирования покрытий
Коэффициент Температура час- Прочность сцепОценка состояния распыленных
z
тиц Тч, К
частиц и формируемых покрытий
ления σ, МПа
0,2
деструкция полимерных частиц
0,15
деструкция полимерных частиц
0,10
деструкция полимерных частиц
0,09
деструкция полимерных частиц
0,08
(1,77-1,83) Тпл
отслоилось
покрытие со следами "прижогов"
0,07
(1,62-1,65) Тпл
изменение структуры полимера
≈2
0,06
(1,51-1,53) Тпл
изменение структуры полимера
≈4
0,04
(1,42-1,45) Тпл
7,2-7,4
покрытие без изменения структуры
0,03
(1,37-1,40) Тпл
7,5-8,0
покрытие без изменения структуры
0,02
(1,30-1,33) Тпл
7,5-8,0
покрытие без изменения структуры
0,01
(1,28-1,30) Тпл
7,5-8,0
покрытие без изменения структуры
4
BY 10711 C1 2008.06.30
При значениях плотности теплового потока, изменяющихся в заявляемых пределах,
обеспечивается возможность нагрева полимерной проволоки, ее диспергирования и дальнейшей транспортировки частиц одной струей.
Пример реализации способа.
На внутреннюю поверхность ванны (листовая сталь 20) для холодной электрохимической обработки стальных метизов в растворе серной кислоты по заявляемому способу
нанесли антикоррозионное покрытие толщиной 0,30-0,35 мм распылением проволоки
диаметром 3 мм из полиэтилентерефталата (ТУ 6-05-1984-85) с использованием экспериментальной горелки конструкции Института механики и надежности машин НАН Беларуси для распыления ровинговых экструдатов. Рабочие газы - пропан и воздух. Величина
плотности теплового потока в зоне распыления проволоки составила 1,4-106 Вт/м2, максимальная величина плотности теплового потока в струе распыленных частиц полимера 3,2-103 Вт/м2. Прочность сцепления покрытий, нанесенных на образцы-свидетели, выполненные из стали 20, составила 7,3...7,7 МПа. При осмотре ванны после месяца эксплуатации видимых изменений и повреждений покрытия не обнаружено.
Напыление покрытия по прототипу осуществляли той же проволокой на установках
МГИ-1-57 (Барнаульский аппаратурно-механический завод) и "ТЕРКО" (Институт механики и надежности машин НАН Б). Для формирования нагревающего факела использовалась пропанокислородная смесь. Распыление осуществлялось струей воздуха. Сплошное
плотное покрытие нанести не удалось, более 85 % массы полимера деструктировало.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает возможность нанесения покрытий
распылением проволок из термопластичных полимеров, а нанесенные покрытия имеют
свойства, отвечающие соответствующим требованиям.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
101 Кб
Теги
патент, by10711
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа