Ремонт металлических деталей полимерными материалами 1 страница

10.1. Полимерные материалы

Эффективное использование физико-механических и химических свойств по­лимерных материалов позволяет значительно снизить трудоемкость ремонта ав­томобиля, что обусловлено следующими особенностями их использования [52,53]:

- технологии с использованием полимерных материалов не требуют сложного оборудования и высокой квалификации работающих;

- при использовании полимерных материалов появляется возможность произво­дить ремонт без разборки узлов и агрегатов;

- использование полимерных материалов во многих случаях позволяет не толь­ко заменить сварку или наплавку, но и производить ремонт таких деталей, кото­рые другими известными способами отремонтировать невозможно или опасно с точки зрения безопасности труда;

- применение полимерных материалов позволяет восстанавливать детали ми­нуя сложные технологические процессы нанесения материала и его обработку.

Наиболее широко при ремонте автомобилей используют анаэробные полиме­ры и композиционные материалы.

Анаэробные полимерные материалы представляют собой смеси жидкостей различной вязкости, способные длительное время оставаться в исходном состоянии без измене­ния свойств и быстро отвердевать с образованием прочного полимерного слоя в уз­ких зазорах между поверхностями при температурах 15-35^сС при условии прекраще­ния контакта с кислородом воздуха.

Основой анаэробных составов являются способные к полимеризации соеди­нения акрилового ряда, чаще всего, диметакриловые эфиры полиалкиленгликолей. В анаэробный состав входят ингибирующие и инициирующие системы, обеспечивающие его длительное хранение и быстрое отверждение в зазорах, а также загустители, модификаторы, красители и другие добавки. Отечест­венная промышленность выпускает анаэробные полимерные материалы с разнообразными свойствами. Из зарубежных фирм ведущее место в разработке и производстве анаэробных материалов принадлежит фирме LOCTITE (табл. 10.1).

По прочностным свойствам анаэробные полимерные материалы делятся на высоко-, средне- и низкопрочные. Анаэробные материалы после отверждения обладают высокой термической и химической стойкостью, обеспечивают работо­способность узлов и деталей при эксплуатации их в контакте с органическими растворителями и агрессивными средами в широком интервале температур и да­влений. Скорость отверждения и время достижения максимальной прочности со­единений зависит от температуры окружающей среды. При температуре ниже 15°С полимеризация замедляется. Благодаря высокой проникающей способно­сти анаэробные полимерные материалы плотно заполняют трещины, микроде­фекты сварных швов, зазоры.

Таблица 10.1

Технические характеристики анаэробных материалов

Марка материала	Уплотняемый зазор, мм	Время отверждения при 20°С, ч	Рабочая температура, °С	Область применения
Ан-1у	до 0,07	3..-5	-50...+150	Герметизация трещин
Уг-7	до 0,20	3.5	-60...+150	Герметизация трещин и фиксация резьбы с повышен ной прочностью
Уг-6	до 0,3	3.6	-60...+200	Фиксация резьбы
Уг9	до 0,3	1...6	-60..+150	Фиксация резьбы с повышенной проч­ностью
Ан-бк	до 0,26	3...6	-60...+200	Восстановление неподвижных соединений
LOCTITE 262	до 0,25	1...8	-55...+150	Фиксация резьбы с повышенной прочностью
LOCTITE 243	до 0,25	1...3	-55..+150	Фиксация резьбы
LOCTITE 620	до 0,25	6...12	до 230	Фиксация непод­вижных соединений

На скорость отверждения анаэробных полимеров влияет материал, контакти­рующий с полимером. По этому признаку материалы делятся на три группы: активные - ускоряющие отверждение полимера (сплавы меди, никель, малоуглеродистые стали);

нормальные - не влияющие на скорость отверждения (железо, углеродистые стали, цинк);

пассивные - замедляющие отверждение (высокоуглеродистые стали, алюми­ний, золото, титан и его сплавы, материалы с антикоррозионными покрытиями, пластмассовые изделия).

Композиционные полимерные материалы (холодная сварка) обычно классифицируются по виду армированного наполнителя или связующего. Наиболее распространены следу­ющие связующие: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды и смолы, силико­ны, алкиды, меламиды, полиамиды, фтороуглеродистые соединения, поликарбо­нат, акрилы, ацетали, полипропилен, полиэтилен и полистирол.

Связующие делятся на термопласты (способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры) и реактопласты или термореактивные смолы (свя­зующие, в которых при нагревании происходят необратимые структурные и хи­мические превращения). В настоящее время для композиционных материалов больше используются термореактивные связующие.

Эпоксидные смолы являются одним из лучших видов связующих для большого числа композиционных материалов, что объясняется следующими причинами:

эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией к большинству наполнителей, армирующих компонентов и подложке;

разнообразие доступных эпоксидных смол и отверждающих агентов позволя­ет получить после отверждения материалы с широким сочетанием свойств;

в ходе химической реакции между эпоксидными смолами и отверждающими агентами не выделяются вода и вредные летучие вещества, а усадочные явления при отверждении в этом случае ниже, чем для фенольных или полиэфирных смол, отвержденные эпоксидные смолы обладают хорошей химической стойкостью к бензину, маслам, специальным жидкостям.

К преимуществам композиционных материалов перед полимерными относят­ся: повышенные жесткость, прочность, теплостойкость, стабильность размеров; пониженные газо- и паропроницаемость; регулируемые электрические и фрикци­онные свойства; пониженная стоимость. Однако достичь всех этих свойств в од­ной композиции нельзя.

Наименование "холодная сварка" по отношению к полимерным композицион­ным материалам обосновывается тем, что во многих случаях они позволяют не только заменить пайку, сварку или наплавку, но и производить восстанов­ление таких деталей, ремонт которых известными способами затруднен или невозможен

Многие свойства полимерной композиции в значительной степени определяются свойствами матрицы. Для ремонтных целей наиболее подходят матрицы из эпоксид­ных олигомеров, которые являются основой многих композиционных материалов, как отечественных, так и зарубежных. В технической и научной литературе эпоксидными олигомерами называют эпоксидные смолы в неотвержденном состоянии. Для компо­зиционных материалов, применяемых при ремонте автомобилей, наиболее подходят эпоксидно-диановые смолы отечественного производства марок ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22 (табл. 10.2). Наибольшей вязкостью обладает смола ЭД-16, которую перед употребле­нием необходимо нагреть до температуры 60-80°С, смолы ЭД-20 и ЭД-22 пригодны для работы при комнатной температуре. Неотвержденные эпоксидные смолы легко рас­творяются во многих органических растворителях и имеют ограниченное применение.

Эпоксидные смолы проявляют ценные физико-механические свойства в результате превращения под действием отвердителей в сетчатый полимер. Эпоксидные компози­ции обладают уникальным набором технологических свойств, а полимерные материалы на их основе отличаются таким сочетанием высоких прочностных, теплофизических, ди­электрических, адгезионных, влагозащитных и других показателей, какого не имеет ни одна группа высокомолекулярных соединений.

Таблица 10.2. Характеристики эпоксидно-диановых смол

Показатель	ЭД-22	ЭД-20	ЭД-16
Молекулярная масса	Не более 390	390..430	480...540
Плотность при 25°с, г/см3	1,165	1,166	1,168
Внешний вид	Низковязкая прозрачная жидкость	Вязкая прозрачная жидкость	Высоковязкая жидкость
Цвет	От светло коричневого до коричневого
Содержание эпоксидной группы, %	22,1...23,5	19,9...22,0	16,0...18,0
Температура размягчения, °С	—
Динамическая вязкость при 25°С, мПа×с	8000...13000	13000..28000	Не определяют

Основное достоинство технологии ремонта с использованием эпоксидных олигомерных композиций основано на возможности их отверждения при любых тем­пературах, начиная с отрицательных, и получения требуемой формы и размеров отвердевшей композиции. Это позволяет восстанавливать детали, минуя слож­ные технологические процессы нанесения и обработки материала.

На основе матрицы из эпоксидных смол могут быть созданы универсальные материалы. Эпоксидные смолы в неотвержденном состоянии относятся к высо­комолекулярным соединениям с низкой степенью полимеризации, которые могут вступать в реакции полимеризации. Они содержат функциональные группы, обу­славливающие возможность образования полимеров с пространственной сетча­той структурой (реакция отверждения).

Свойства отвержденной эпоксидной композиции во многом определяются ха­рактеристиками эпоксидной смолы, условиями и режимами протекания процесса их отверждения

Отверждение происходит в результате взаимодействия функциональных разно­типных групп или ненасыщенных связей с низкомолекулярными веществами, на­зываемыми отвердителями. Химическая природа и строение молекул отвердителя во многом определяют структуру сетки и оказывают влияние не только на техно­логические свойства исходных композиций, но и на эксплуатационные характери­стики полимеров. Самым распространенным отвердителем эпоксидных смол явля­ется полиэтиленполиамин (ПЭПА), но отверждать эпоксидные смолы можно прак­тически любым карбофункциональным соединением или основанием Льюиса. Существующие отвердители можно разбить на четыре группы: аминные отвердители; ангидриды ди- и поликарбоновых кислот; олигомерные отвердители; катализаторы и ускорители отверждения эпоксидных смол. Однако для практического использования пригодна лишь малая доля соедине­ний, т.к. использование композиционных материалов при ремонте автомобилей требует отверждения эпоксидных композиций при комнатной температуре или при умеренном нагревании, а в случае необходимости и при отрицательных тем­пературах. Указанным требованиям отвечает подгруппа аминных отвердителей, в которую входят полиаминоалкилфенолы в виде технически чистых соедине­ний, технология получения которых освоена промышленностью. Физико-химические свойства полиэтиленполиамино- (ПЭПА), этилендиамино- (АФ-2), диэтилентриамино- (УП-538), триэтилентетрамино- (УП-538Т) и ксилилендиаминометил- фенола (УП-538К), а также показатели отвержденных эпоксидных композиций на их основе представлены в табл. 10.3.

Таблица 10.3. Свойства отвердителей и отвержденных ими эпоксидных композиций

Показатель	Обозначение отвердителей
ПЭПА	АФ-2	УП-538	УП-538Т	УП-538Г	УП-538К
Внешний вид	Вязкая темная жидкость
Средняя молекулярная масса	—
Плотность, г/см^3	1,004	1,052	1,073	1,082	1,073	1,092
Поверхностное натяжение, мН/м	60,3	38,7	37,6	41,8		31,7
Динамическая вязкость
при 50°С, мПа с
Свойства отвержденных эпоксиполимеров
Разрушающее напряжение, МПа при изгибе	101,5	108,8	112,7	109,9	105,7	126,4
при растяжении	43,0	78,9	85,1	60,8	79,4	73,0
при сжатии	111,5	109,7	120,3	105,3	104,8	111,3
Относительное
удлинение
при разрыве, %	1,8	2,0	1,8	1.4	2,9	1.7
Ударная вязкость,
кДж/м^2	10,8	16,7	18,4	17,0	22,8	18,1
Теплостойкость, ^СС

Приведенный ассортимент аминных от­вердителей позволяет отверждать эпоксидные смолы в интервале температур от -5 до +200°С, обеспечивает установление необходимых реологических пока­зателей и жизнеспособность эпоксидных композиций. При этом можно получать полимерные материалы с комплексом ценных эксплуатационных свойств.

Отвержденные эпоксидные смолы в чистом виде обладают повышенной хруп­костью, плохо выдерживая удары и вибрации. Для повышения их эластичности в состав смол вводят пластификаторы. Сущность пластификации состоит в изме­нении вязкости полимерной композиции, увеличении гибкости молекул и подвиж­ности надмолекулярных структур. Пластификаторы уменьшают хрупкость, повы­шают морозостойкость и стойкость к резкому изменению температур отвержденных композиций. В ремонтном производстве в качестве пластификатора, в основ­ном, применяется дибутилфталат (ДБФ) - желтовато-маслянистая жидкость с небольшой молекулярной массой и достаточно высокой температурой кипения.

Эпоксидные смолы не вступают в химическое взаимодействие с ДБФ и в про­цессе эксплуатации подвергаются быстрому старению. ДБФ является инертным разбавителем эпоксидной композиции. В процессе эксплуатации происходит вы­ход ДБФ из композиции, что снижает прочность сцепления и стойкость к удар­ным нагрузкам, одновременно снижается теплостойкость отвержденной компо­зиции, уменьшается прочность при изгибе, растяжении и сжатии, ухудшаются диэлектрические характеристики материала.

К активным разбавителям, содержащим реакционноспособные группы, отно­сятся низковязкие эпоксидные смолы. Введение активных разбавителей в эпок­сидные смолы способствует снижению их начальной вязкости, удлинению жиз­неспособности и повышению эластичности отвержденных композиций.

Пластификаторы можно вводить вручную, однако это может привести к нерав­номерному смешиванию с образованием большого количества пузырьков возду­ха. Поэтому целесообразно использовать готовые компаунды, в которые уже введены пластификаторы (табл. 10.4).

Таблица 10.4. Эпоксидные компаунды

Марка компаунда	Технические условия	Состав
K-115	СТУ-30-14148-63	ЭД-20, модифицированный МГФ-9
K-153	СТУ-30-14161-63	ЭД 20, модифицированный тиколом и МГФ-9
К-168	МРТУ-6-05-1023-66	ЭД-16, модифицированный МГФ-9
K-293	МРТУ-6-05-1251-69	ЭД-16, модифицированный МГФ-9 и ДБФ

В эпоксидный компаунд входит олигоэфиракрилат МГФ-9, представляющий собой эфир, полученный на основе метакриловой и фталевой кислот и триэтиленгликоля.

В качестве пластификаторов эпоксидных смол также используют низкомоле­кулярные полиамидные смолы (Л-18, Л-19, Л-20), являющиеся одновременно отвердителями.

Существенно изменяют физико-механические свойства эпоксидных композиций наполнители, которые вводятся в эпоксидную композицию для уменьшения усадки, снижения коэффициента линейного (термического) расширения отвержденной ком­позиции, увеличения теплопроводности, термостойкости и улучшения других физи­ко-механических свойств. Характеристики некоторых наполнителей приведены в табл. 10.5.

Наполнитель может влиять на молекулярную структуру полимерной матрицы на сравнительно больших расстояниях от поверхности наполнителя, значительно пре­вышающих радиус действия межмолекулярных сил. Наполнители в виде металличе­ских порошков придают эпоксидным композициям свойства, присущие металлам: теплопроводность и электропроводность. Одновременно они сохраняют важные свойства полимеров: эластичность, адгезию к металлам, химическую стойкость Кроме того, при определенных условиях полимеры, наполненные металлическим порошком, могут приобретать протекторные и ингибирующие свойства соответству­ющих металлов.

Влияет наполнитель также и на процесс отверждения эпоксидной смолы, вступая в химические реакции с реакционноспособными группами эпоксидных отвердите- лей. Наполнители могут быть неорганическими и органическими, а также могут представлять из себя порошки различных металлов.

В производственной практике ремонта автомобилей наибольшее распростра­нение получили многочисленные композиции на основе эпоксидных смол ЭД-20 и ЭД-16, где в качестве пластификатора используется дибутилфталат с отвердителем полиэтиленполиамином. Состав применяемых эпоксидных композиций приведен в табл. 10.6. Рекомендации по применению указанных составов приведены в табл. 10.7. Составы, в которых наиболее полно использованы возможно­сти композиционных полимерных материалов, приведены в табл. 10.8. Рецептура указанных составов основана на глубокой научной проработке компонентов, вхо­дящих в композицию.

Таблица 10.5. Характеристики и область применения наполнителей

Наполнитель	Плотность, г/см^3	Средний размер частиц, мкм	Температурный коэффициент расширения, 10^-6/°С	Температура плавления, °С	Область применения
Металлы
Алюминий	2,72	30.150	56…66	650*	А,Б,В,Г
Медь	В,91	30..150		1080*	Б,В
Серебро	10,5	30...150		960*	Б,В
Железо	7,8	30.150	20...35	1525*	Б.В.Е
Неорганические наполнители
Оксид алюминия	3,99	30...150	17,8	1425**	Г,Е,3
Углекислый кальций	2.93	1...50	1,3…2,3	825***	А,Г
Сернокислый кальций	2,96	20...50	-	1450*	Г
Оксид железа	5,2	20...50	-	1690***	А,Е
Слюда	3,4	10...80	45,7...68,6	-	Е,3,К
Диоксид кремния	2,6	80...100	1,3...3,3	1600*	В,Г,3
Карбид кремния	3,1	30...250	-		Г,Е
Оксид титана	4,25	30...50	18...23,4	1900*	А,Е
Кварц	2,6	20…300	1,3	1920**	В,Г,З
Кремнекислый цирконий	4.7	1..30	7,6	1200**	Г,Е,3
Углерод (сажа)	1,8	5...45	3,3	3445*	А,Б,В
Графит	2,26	5..45	1,5...10	3665****	А,Б,В,Д

* - Температура плавления; **- температура размягчения; *** - температура разложения, ****- температура возгонки; А – окрашивание; Б повышение теплопроводности; В - повышение электропроводности: Г - стабильность размеров Д - повышение антифрикционных свойств и износостойкости; Е - улучшение диэлектрических свойств; 3 - повышение электрического сопротивления; К - повышение химо- и влагостойкости.

Таблица 10.6. Составы эпоксидных композиций

№ состава	Количество компонентов, массовые части
Эпоксидная смола дибутилфталат	Пластификатор полиэтиленполиамин	Отвердитель	Наполнитель
ЭД-16	ЭД-20
		—	10...15		— —
		—			Алюминиевый порошок - 25
	—		20-25	11...12	Алюминиевая пудра - 7-10
		—			Алюминиевая пудра - 25
		—	10...15		Цемент-120
		—		10...11	Молотая слюда - 50
		—		10...11	Молотая слюда -40; алюминиевая пудра - 5
		—		10...11	Молотая слюда - 30; чугунный порошок - 50
		—		10...11	Графит - 50
		—		10...11	Чугунный порошок -150; молотая слюда - 20
		—		10...11	Оксид железа -150; молотая слюда - 20
	—			11...12	Железный порошок-150...200; алюминиевый порошок -10
	—		20...25	11...12	Железный порошок - 70; молотая слюда - 80; алюминиевый порошок - 7...10
	—			11...12	Чугунный порошок - 60; молотая слюда - 30; газовая сажа - 30

Продолжение табл. 10.6

	—		20...25	11...12	Молотая слюда -100...120
		—		10...11	Железный порошок -160
		—			Железный порошок -150; графит-20
	—		20...25	11...12	Молотая слюда - 80...100; алюминиевый порошок-15...25
		—		10...11	Газовая сажа - 35
		—		10...11	Молотая слюда - 70...80

Таблица 10.7. Рекомендации по применению эпоксидных композиций

Ремонтируемые детали	Устраняемые повреждения	Рекомендуемые композиции*
Блок цилиндров двигателя	Трещины различной длины, пробоины	9,11,12,13,14,15,17,18
Головка цилиндров	Трещины, пробоины, коррозия по контуру отверстий рубашки охлаждения	11,12,13,14,17
Поддон картера двигателя	Трещины и пробоины	11,13,17
Картеры сцепления, коробки передач	Трещины и пробоины	9,17,14
Кузов	Вмятины, пробоины	20,21
Масляный радиатор	Трещины и пробоины на стенках баков	9,11,19
Радиатор системы охлаждения	Трещины и пробоины на стенках баков	16,19
Топливный бак	Течь в местах сварки, трещины, пробоины сквозная коррозия	3,4,7
Посадочное место подшипника качения(вал, корпус)	Износ поверхности до зазора: не более 0,1 мм более 0,1 мм	1,2,4 11,13,18
Пластмассовые детали электрооборудования	Трещины, сколы	1,2,7,19

* – Номера композиций указаны согласно табл. 10.6.

Таблица 10.8. Составы эпоксидных композиций

№ состава	Количество компонентов, массовые части	Отличительные свойства композиции
Эпоксидные смо­лы и компаунды	Модификаторы	Отвердители	Катализа­тор	Наполнители
ЭД-20	К-115	УП-5-177-1	ДЭГ-1	ПДИ-ЗАК	СКН-10-10	УП-563	ПЭПА	АФ-2	УП-538	Комплекс BF3*, %
		—	—		—	—	—		—	—	—	Стальной (чугунный) порошок-100; графит-30; аэросил-3	А
		—	—	—	—		—		—	—	—	Стальной (чугунный) порошок-100; графит-20	БД
	—		—	—	—	—	—	—		—	—	Стальной (чугунный) порошок-100; графит-30	в,д
	—		—	—	—	—	—	—		—	—	Графит 60	в.д
		—	—	—		—	—	—	—		—	Цинковая пыль 20	А.Б.В
	—		—	—	—	—	—	—	—	—		Стальной порошок-120; графит-30; аэросил-3	Г
		—	—		—	—	—	—	—	—		Молотая слюда-60; графит 20	г,д
	—		—	—	—	—	—	—	—	—		Молотая слюда-60	В
		—	—	—	—	—		—	—		—	Диоксид титана-85; алюминиевая пудра-2	в
	—	—		—	—	—	—	—	—	—	1...2	Диоксид титана-85; алюминиевая пудра 15	в

* - Эфират BF₃ растворяется в полиокипропилендиоле с молекулярной массой 1000; А - теплостойкость; Б морозо­стойкость; В-быстроотверждаемость (сокращение времени отверждения по сравнению с ПЭПА; допускается отвер­ждение при 0°С); Г - высокая реакционная способность (время схватывания композиции - несколько минут при 20°С, отверждение возможно при отрицательных температурах); Д - повышенные антифрикционные свойства.

Готовят композиционные материалы следующим образом. Для лучшего пере­мешивания эпоксидную смолу ЭД-16 разогревают до температуры 60...80°С и от­бирают в ванночку необходимое ее количество. В смолу добавляют небольшими порциями пластификатор (если он содержится в композиции) и перемешивают смесь в течение 5...8 мин. Затем также вводят наполнитель и перемешивают в течение 8...10 мин. Такой состав можно хранить длительное время.

Дата добавления: 2015-05-06