СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛЬ Российский патент 2011 года по МПК C23C4/04 C23C24/04 

Изобретение касается изготовления функциональных поверхностей на композиционных материалах, усиленных волокнами с использованием термического и кинетического напыления, причем придается особенное значение защите поверхностей против износа, механического повреждения, нанесению покрытия и адгезии, а также улучшению в отношении отделения листа (отделяемости).

С помощью композиционных материалов, усиленных волокном, в особенности материалов с полимерной основой, а также полимеров, армированных угольным волокном, можно изготовить детали, которые обладают исключительными механическими и физическими свойствами, как например низкой плотностью, высоким пределом прочности при растяжении и пределом прочности при кручении, высоким модулем упругости или соответственно высокой жесткостью. Множество высокопрочных волокнистых материалов могут применяться, включая угольное волокно, стекловолокно, волокно карбида кремния и волокна многих других оксидов, карбидов и других материалов. Таким же образом может использоваться большое количество полимерных материалов, включая термоотверждаемые полимеры, как например фенольная смола, эпоксидная смола и многие другие материалы. Волокна могут быть очень длинными и располагаться в специальных образцах, или они могут быть относительно короткими и иметь случайное распределение. Если длинные волокна располагаются в специфических образцах, то они могут быть ориентированными в единственном направлении или упорядочиваться в образцах, которые рассчитаны для придания усиленным волокнами композиционным материалам двух- или трехмерной прочности. Таким образом, механические свойства структуры усиленных волокнами композиционных материалов могут согласовывать со специфическими требованиями составляющей.

К сожалению, поверхности композиционных материалов, усиленных волокнами, обладают низкой износостойкостью, в особенности в отношении адгезивного износа, абразивного износа и эрозионного износа и их свойства склеивания и смачивания недостаточны для многих применений, как в случае бумажной промышленности. Кроме того, они нередко подвержены окислению или другим формам коррозии, нуждаются в термозащите, не располагают необходимыми оптическими и электрическими характеристиками и тому подобное. Вследствие этого применение композиционного материала, усиленного волокнами, ограничено при частых использованиях или требуется применение металлических или керамических вставок, или покрытия в тех областях, которые подвержены контакту с другими деталями или материалами и при этом подвержены повышенному износу.

Несмотря на то, что особенно интересно применение роликов из усиленных волокнами композиционных материалов в печатной индустрии, бумажной промышленности и в промышленности полимерной пленки (фольги), т.к. они существенно легче и тверже и вследствие чего могут проще и надежней использоваться, по сравнению, например, с роликами, изготовленными из стали, и таким образом, по причине их низкой инерции, требуются меньше энергии и времени для их ускорения и торможения, что позволяет экономить затраты не только при обслуживании и монтаже, но и при эксплуатации. Для того чтобы предусмотреть рабочие поверхности роликов с требуемыми свойствами, ролики имеют металлическое, керамическое или карбидное покрытие, или их смеси с полимерными материалами, что дает требуемую износостойкость, а также другие необходимые свойства. Посредством применения термического метода напыления можно получать большое количество металлических и керамических покрытий, металлокерамических покрытий, т.е. включение частиц карбидов в металлическую матрицу, а также некоторые полимерные покрытия.

Группа термических методов напыления содержит детонационное напыление (среди прочего, Super D-GunTM), высокоскоростное газопламенное напыление и его варианты, как например, напыление посредством топлива и воздуха, плазменное напыление, газопламенное напыление, электродуговое напыление. В большинстве термических способов нанесения покрытий напыляемый материал в виде порошка, проволоки или прутка нагревается до температуры, которая лежит у или несколько выше точки плавления, и капельки или наплавляемые частицы материала ускоряются в газовом потоке. Капельки подводят к внешней поверхности подложки (участка или компонента), который нужно покрыть, где они прилипают, затвердевают и образуют сплошное покрытие со слоистой структурой. В качестве особенности процесса детонационного напыления, осуществляющегося прерывисто, возникает покрытие из отдельных, наложенных внахлестку, жестко связанных пятен (крапинок) напыления. Такого рода методы знакомы специалистам и подробно описаны в многочисленных брошюрах.

Несмотря на то, что проводилось много попыток нанести термическое напыление покрытия на основе металла, керамики или карбида непосредственно на поверхности усиленных волокнами композиционных материалов, обычно можно было добиться только низкого сцепления покрытия, нередко слои покрытия не прилипали к усиленному волокнами подслою или отслаивались уже после осаждения маленькой толщины слоя. Обычно поверхности детали перед термическим напылением покрытия придают шероховатость для улучшения прилипания (адгезии). Шероховатость поверхности придают чаще всего посредством струи корунда. Однако струи корунда или другие формы придания шероховатости покрываемых поверхностей могут привести к неприемлемой эрозии полимерной основы, связанной с обнажением волокон. Последнее, в свою очередь, может постоянно наносить ущерб свойствам покрытия.

Эти и другие проблемы имели место, например, при применении способа, описанного в US-A-5857950. В данном способе поверхность ролика с угольным волокном подвергают пескоструйной обработке, затем наносят покрытие цинка, действующее как тепловая защита. После повторной пескоструйной обработке роликов, теперь покрытых цинком, наносят слой сцепления, при котором речь может идти о смеси из алюминиевой бронзы и сложного полиэфира. Затем проводят пескоструйную обработку слоя сцепления и наносят покрытие напылением керамики и гравируют. Этот метод оказался неприемлемым.

Альтернативный способ представлен в EP 0514640 B1. При его осуществлении сначала получают слой на поверхности усиленных волокнами композиционных материалов, который состоит из смеси синтетической смолы и диспергированных в ней металлических частиц. После кристаллизации этого слоя поверхность механически обрабатывают для того, чтобы обнажить диспергированные частицы с тем, чтобы материал частиц мог химически соединиться с внешним слоем материала, который термически напыляют на первый слой. Несмотря на то, что можно добиться успехов, ограниченных этим методом, смесь из синтетической смолы и материала частиц может плохо пристать к композиционному материалу и иметь склонность образованию шариков материала на поверхности, вследствие чего он непригоден для промышленного производства.

В DE 10037212 A1 наносят адгезионную грунтовку на поверхность полимерного материала посредством термического метода напыления, при котором, в частности, речь может идти о цинке, сплавах цинка, сплавах алюминия и/или материалы, реагирующие экзотермически в процессе напыления, такие как сплавы алюминия никеля. Затем полученное функциональное покрытие наносят на адгезионную грунтовку также посредством термического метода напыления.

Кроме того, в EP 1129787 B1 описан способ покрытия, при котором основное вещество из усиленного волокнами композиционного материала покрывается первым слоем, который содержит только полимер, вторым слоем из смеси полимера или металла, и затем покрывается покрытием методом термического напыления. Для того чтобы достичь достаточной силы сцепления между слоями, нужно выбрать для первых двух слоев покрытия подходящие полимерные материалы.

В основе данного изобретения лежит задача изготовления усиленных волокнами композиционных полимерных материалов с покрытием, у которых еще больше улучшена сцепляемость слоев покрытия на композиционном материале. Данное изобретение касается при этом, в частности, задачи улучшить износостойкость усиленных волокном полимерных материалов, посредством комбинации двух или нескольких систем слоев, напыляемых термически или кинетически.

Эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что на поверхность усиленного волокном полимерного материала наносят сначала термически напыленный слой из соединения, состоящего из органических и металлических компонентов, в виде слоя сцепления; на слой сцепления наносят термически или кинетически напыленный слой с главным образом металлическими составляющими, в виде промежуточного покрытия; и на промежуточное покрытие наносят функциональный наружный слой, напыленный термически или кинетически, из металла, кермета (металлокерамика), оксидной керамики, или смеси вышеупомянутых материалов, или их смесь с полимерным материалом. При этом для соединения металла с полимерным материалом, наносимого в виде слоя сцепления, можно во время напыления применять смесь из двух или нескольких различных материалов. Вместо того чтобы применять во время напыления два или более парциальных токов, сам порошкообразный или проволокообразный материал напыления может состоять из композиционного материала.

Кинетически напыленный слой означает слой, полученный посредством любой технологии холодного или нетермического напыления, например, посредством холодного газодинамического напыления.

Задачей так называемого слоя сцепления является создание посредством содержания полимерного материала улученную связь с основой основного материала усиленного волокнами, и одновременно обеспечение улученной смачиваемости свободных горизонтальных волокон, которые положительно влияют на сцепление слоев. Целью металлических компонентов слоя сцепления является обеспечение возможности привязки со следующим металлическим промежуточным покрытием, которое должно быть нанесено.

Это промежуточное покрытие является существенным для завершающего нанесения функционального наружного слоя. Оно служит в качестве стабильной основы, чаще всего хрупкого, износостойкого наружного слоя, и способствует, в то же время, умеренному согласованию модуля упругости слоя сцепления и наружного слоя. Кроме того, металлическое промежуточное покрытие при дальнейшем покрытии детали, например, посредством высокоскоростного газопламенного напыления или детонационного напыления, способствует равномерному распределению и отдачи накопленного тепла. Без достаточной теплоотдачи это может привести к появлению местами испарения органического связующего вещества основной части, что в свою очередь повлекло бы за собой отслаивание всей системы слоев.

Способом, предложенным здесь, можно изготавливать детали из усиленных волокном композиционных материалов с покрытием, которые годятся также для сильной динамической нагрузки, а также детали с большой плоскостью нанесения слоев.

Предпочтительные формы изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Предпочтительно процентное содержание в слое сцепления компонента органической основы, например сложного полиэфира, находится между 5 и 60%, более предпочтительно между 20 и 50%, и особенно предпочтительно между 30 и 40%.

Содержание металлического компонента слоя сцепления, например, алюминия, меди или никеля находится предпочтительно между 40 и 90%, более предпочтительно между 60 и 80%.

Толщина слоя сцепления составляет предпочтительно от 0,1 до 2 мм, более предпочтительно от 0,1 до 1 мм, и особенно предпочтительно от 0,2 до 0,4 мм.

В более предпочтительной форме выполнения слоя сцепления толщиной 0,2 мм наносят посредством плазменного напыления, и он состоит из соединения металла и сложного полиэфира. В другой предпочтительной форме выполнения на слой сцепления посредством термического метода напыления напыляют металлический слой толщиной около 0,1 до 1 мм.

В другом варианте толщина промежуточного слоя составляет от 0,5 до 2 мм. Промежуточный слой может обрабатываться перед нанесением наружного слоя, например, шлифованием или точением (токарной обработкой), для того, чтобы выравнить шероховатости от предшествующих этапов работы.

Предпочтительно, если металлический промежуточный слой наносят методом без горения, например электродугового напыления, плазменного напыления или кинетического напыления, для того, чтобы внесение тепла в основной материал из усиленного волокном полимерного материала было по возможности незначительным.

Предпочтительно также, если для промежуточного слоя используют металлический материал с максимально возможной высокой пластичностью.

В другом варианте промежуточный слой состоит из соединения металла и твердого сплава, например кинетически нанесенный слой соединения алюминия с оксидом алюминия, для того, чтобы достичь повышения прочности.

Если целью покрытия материала, усиленного волокнами, является прежде всего повышение износостойкости, то функциональный наружный слой системы слоев состоит предпочтительно из оксидной керамики (например, оксид хрома) или из кермета (металлокерамика, например частицы карбида вольфрама, включенные в металлическую основу кобальта).

Изобретение относится к способам нанесения покрытий на детали из усиленных волокнами полимерных композиционных материалов. Согласно способу сначала на покрываемую поверхность детали посредством термического напыления наносят слой сцепления из соединения, состоящего из органического компонента в виде полимера и металлического компонента. На слой сцепления посредством термического или кинетического напыления наносят промежуточный слой на основе металлических компонентов. Затем на промежуточный слой посредством термического или кинетического напыления наносят функциональный наружный слой из металла или соединения металла с карбидом, или оксидной керамики, или смеси из вышеупомянутых материалов. Технический результат - повышение износостойкости поверхности. 12 з.п. ф-лы.

1. Способ нанесения покрытия на деталь из усиленного волокнами полимерного композиционного материала, отличающийся тем, что сначала на покрываемую поверхность детали посредством термического напыления наносят слой сцепления из соединения, состоящего из органического компонента в виде полимера и металлического компонента, на слой сцепления посредством термического или кинетического напыления наносят промежуточный слой на основе металлических компонентов, и затем на промежуточный слой посредством термического или кинетического напыления наносят функциональный наружный слой из металла или соединения металла с карбидом, или оксидной керамики, или смеси из вышеупомянутых материалов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой сцепления наносят с содержанием в нем 5-60% полимера, предпочтительно 20-50% и более предпочтительно 30-40%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой сцепления наносят с содержанием в нем 40-90% металлического компонента, предпочтительно 60-80%.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что слой сцепления наносят толщиной 0,1-2 мм, предпочтительно 0,1-1 мм и более предпочтительно 0,2-0,4 мм.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что промежуточный слой наносят с содержанием в нем металлического компонента 60 или более процентов.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что промежуточный слой наносят с содержанием в нем металлического компонента 60 или более процентов.

7. Способ по любому из пп.1, 2, 3 или 6, отличающийся тем, что промежуточный слой наносят толщиной 0,1-2 мм, предпочтительно 0,2-1 мм и более предпочтительно 0,3-0,6 мм.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что промежуточный слой наносят толщиной 0,1-2 мм, предпочтительно 0,2-1 мм и более предпочтительно 0,3-0,6 мм.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что промежуточный слой наносят толщиной 0,1-2 мм, предпочтительно 0,2-1 мм и более предпочтительно 0,3-0,6 мм.

10. Способ по одному из пп.1, 2, 3, 6, 8 или 9, отличающийся тем, что перед нанесением наружного слоя промежуточный слой механически обрабатывают.

11. Способ по п.4, отличающийся тем, что перед нанесением наружного слоя промежуточный слой механически обрабатывают.

12. Способ по п.5, отличающийся тем, что перед нанесением наружного слоя промежуточный слой механически обрабатывают.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что перед нанесением наружного слоя промежуточный слой механически обрабатывают.