Ремонт металлических деталей полимерными материалами 2 страница

Окончательное приготовление композиции осуществляется непосредственно на месте использования и незадолго до ее применения. Это объясняется тем, что после введения отвердителя или катализатора жизнеспособность компози­ции находится в интервале от нескольких минут до нескольких часов - в зависи­мости от типа отвердителя. Этим определяется количество приготавливаемой композиции.

Анализ показывает, что отклонение дозировки отвердителей до 5% от оп­тимального соотношения, а пластификаторов и наполнителей до 10% не при­водит к существенным изменениям свойств композиции при хорошем смеши­вании компонентов. Большее отклонение приводит к ухудшению свойств ком­позиции.

Отвердитель вводят в состав непосредственно перед употреблением и тща­тельно перемешивают композицию.

Из отечественных композиционных материалов, которые изготавливаются сог­ласно ТУ-06-05-205278121-003-94 и сертифицированы, в розничной продаже име­ется компаунд "Десан". Это универсальный синтетический компаунд, представляю­щий собой двухкомпонентный состав. Смешивание основы и отвердителя "Десана" вызывает молекулярную реакцию, которая позволяет использовать поверхностную активность различных материалов. Это обеспечивает адгезию компаунда с любы­ми металлами, пластмассами, деревом, керамикой, резиной, стеклом.

Универсальный набор "Десан-Авто" состоит из трех баночек: белая — основа, синяя и красная — отвердители. Наличие двух отвердителей позволяет получить два компаунда с разными физико-механическими свойствами (табл. 10.9).

Перед приготовлением компаунда содержимое используемых баночек следует тщательно перемешать, используя при этом индивидуальные шпатели, входящие в набор. Затем в мерный стакан, также входящий в набор, откладывают необхо­димое количество основы и отвердителя (соотношение приведено в табл. 1.10) и тщательно перемешивают компаунд до получения однородной массы.

Живучесть смеси (время, в течение которого композиция должна быть использо­вана) при +25°С составляет порядка 15 мин. С увеличением температуры смеси ее живучесть уменьшается.

Среди зарубежных компаний, занимающихся разработкой, производством и внедрением композиционных материалов, наиболее известными являются фир­мы Multi Metall, Durmetall и LOCTITE.

Таблица 10.9. Физико-механические свойства композиций "Десан"

Показатель	Марка компаунда "Десан"
"Термо"	"Супер"
Предел прочности клеевого соединения при сдвиге, МПа	12,0
Предел прочности клеевого шва при растяжении МПа	25,5	29 0
Предел прочности клеевого шва при сжатии МПа
Время отверждения при +20°С, ч фиксирующее
полное
Диапазон рабочих температур, °С	-185...+280	-185…+180

Таблица 10.10. Соотношение компонентов

Наименование компаунда	Соотношение массовых частей
Основа	Отвердитель (синий цвет банки)	Отвердитель (красный цвет банки)
"Десан-Термо"		—
"Десан-Супер"			—

Фирма Multi Metall (Германия) выпускает двухкомпонентные металлополимер- ные композиционные материалы (см. табл. 10.11). Они подбираются в зависимо­сти от материала, с которым будут контактировать, а также исходя из требуе­мых свойств материала. При срочном ремонте или при ремонте деталей, рабо­тающих без высоких нагрузок, применяется отвердитель, ускоряющий процесс полимеризации.

Multi Metall SS-steelceramic - металлополимер пастообразной консистенции - используется для ремонта узлов и деталей, изготовленных из любых металлов и сплавов.

Multi Metall OL-steelceramic - модифицированный металлополимер повышен­ной прочности. Применяется для ремонта и восстановления металлических дета­лей, загрязненных нефтью, маслами, топливом.

Multi Metall UW - модифицированный металлополимер повышенной прочности Обладает высокой степенью сцепления с влажной металлической поверхностью и с поверхностью, находящейся под водой, а также с металлической поверхно­стью при температуре окружающей среды до -20°С. Используется для устране­ния течей под давлением.

Multi Metall Ceramium - высокопрочный, керамический металлополимер, пред­назначенный для защиты металлов и сплавов от абразивного изнашивания, кор­розии, кавитации. Используется для восстановления клапанов, насосов, гребных винтов, крыльчаток, теплообменников и т.п. Ceramium 601 - пастообразная, Ceramium 602 - жидкая консистенция.

Таблица 10.11. Физико-механические характеристики металлополимерных композиций Multi Metall

Показатель	Multi Matall
SS steelceramic	OL steelceramic	UW	Ceramium	Molymetall
H	У	Н	У	Н	У
Прочность на сжатие, МПа
Прочность на разрыв, МПа
Теплостойкость, °С
Длительность отверждения при 20'С	24 ч	45 мин.	24 ч	45 мин	50 мин	20 мин	24 ч	24 ч

H - нормальный отвердитель; У - ускоряющий отвердитель.

Multi Metall Molymetall - металлополимер с очень низким коэффициентом тре­ния. Применяется как антифрикционное покрытие для заделки задиров.

Швейцарская фирма Durmetall выпускает ограниченное наименование компо­зиционных материалов (табл. 10.12), но они универсальны и пригодны для конта­ктирования с любыми металлами.

Американская фирма LOCTITE выпускает композиционные материалы различ­ного назначения. Их физико-механические характеристики и рекомендуемые об­ласти применения приведены в табл. 10.13.

Технология применения эластомеров следующая:

а) подготовка поверхности: ремонтируемая поверхность, должна быть механически очищена методом пескоструйной очистки или при помощи шлифовальной шкурки, шлифовальных станков, электрических наждаков и т.д. Следует всегда достигать полного удаления примесей и сделать поверхность пористой. Правильно подготовленную поверхность следует очистить ацетоном;

б) смешивание и применение композита: смешивать оба компонента следует до получения смеси однородного цвета. Толщина материала при перемешивании должна составлять 0,6—1,2 мм для обеспечения однородности материала и деаэрирования (удаления воздуха). Лучше всего положить необходимое количество материала сразу, осторожно втирая его в ремонтируемую поверхность. В случае ремонта больших трещин, сколов рекомендуется дополнительно армировать стеклотканью, увеличивая при этом прочностные характеристики материала.

Таблица 10.12. Физико-механические характеристики металлополимерных композиционных материалов фирмы Durmetall

Показатель	Durmetall
Нормальный отвердитель	Ускоряющий отвердитель
Прочность на сжатие, МПа
Прочность на разрыв, МПа
Твердость по Виккерсу, HV
Теплостойкость, "С
Длительность отверждения при 20'С	3-4 ч	3-4 мин.

Таблица 10.13. Характеристики металополимерных материалов фирмы LOCTITE

Показатель	Weld Stik	Chemical Metal	Metal Set	Inst Gas Tank Repair	Form-A-Thread
Время отверждения	1 ч	20 мин.	24 4	2ч	30 мин.
Температурный предел. °С	(кратковременно)	(кратковременно)	(кратковременно)	—	—
	(постоянно)	(постоянно)	(постоянно)	—	—
Область применения	Заделка трещин в алюминиевых и чугунных деталях	Ремонт радиаторов	Ремонт изношенных деталей	Ремонт бензобака	Ремонт сорванной резьбы

Композиционные материалы с ультрадисперсными модификаторами. Одним из направлений в современном материаловедении является разработка и создание композиционных материалов. Такой подход открывает новые горизонты и возможности практического использования традиционных материалов (как металлических так и полимерных) в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Особенно перспективно создание новых веществ и технологий в области триботехнических материалов, обладающих повышенными физико-механическими свойствами. В связи с этим отмечается повышенный интерес к неметаллическим материалам ввиду значительного потенциала, заложенного в полимерах, заключающегося в управления их характеристиками путем направленной модификации полимерной матрицы.

Таблица 10.14

Основные характеристики анаэробных материалов фирмы Chester molecular

Технические характеристики	Ед. изм.	MM RAPIER	MM SUPER -THIXO
Соотношение компонентов (в объемах)	Осн./реакт.	1:1	1:4
Удельный вес	г/см^3	1,5	2,0
Отвердевание	час	0,2	18,0
Время выработки	мин	3,0	60,0
Легкая нагрузка Полная нагрузка	час	0,5 1,0	18,0 24,0
Твердость ASTM D 1706	ШорД
Прочность при срезе DIN 53283	Н/мм^2	16,5	22,5
Прочность при изгибе DIN 53452	Н/мм^2
Прочность при растяжении DIN 53455	Н/мм^2
Прочность при сжатии DIN 53454	Н/мм^2
Ударная вязкость DIN 53453	Н/мм^2	5,0	5,4
Модуль упругости DIN 53457	Н/мм^2
Термостойкость	°С	-30/+100	-40/+280
Усадка после отвердевания ASTM D 2566	мм/см	0,01	0,005
Срок хранения	мес.
Упаковка	кг	0,5	0,5-1
Обрабатываемость	Аналогично металлам механически и вручную - любыми способами

Наиболее интересными и перспективными с точки зрения эксплутационных свойств в определенных интервалах рабочих нагрузок являются полимерные композиционные материалы (далее КПМ). КПМ представляют собой композицию полимера с различными антифрикционными добавками и наполнителями. Применяются для втулок скольжения, сепараторов и вкладышей подшипников качения, направляющих скольжения, детали подвижных сопряжений, шестерни и зубчатые колеса. Преимущества использования – низкий коэффициент трения, коэффициент линейного расширения a у СКМ с комплексными наполнителями в несколько раз меньше, чем у металлов, что обусловливает стабильность их линейных размеров. Материал хорошо работает в вакууме при низких скоростях скольжения в условиях переменных нагрузок и вибраций. Обладает высокой химической стойкостью, хорошей технологичностью изготовления. Однако наряду с этим они обладают и некоторыми недостатками: малая теплопроводность, невысокая несущая способность, низкий модуль упругости и, как следствие, выход из строя при повышении температуры на поверхности трения выше критической (оплавление), верхний температурный предел 250-300°С, для некоторых СКМ не более 150°С [57].

В качестве материалов для антифрикционных покрытий, работающих в диапазоне низких скоростей скольжения и средних удельных нагрузок, применяются разнообразные классы полимеров. Однако значительными триботехническими характеристиками обладают лишь часть из них, например, ароматические полиамиды, фторопласты и некоторые другие.

Наполнители композиционных материалов. Одним из основных направлений повышения экономической эффективности использования полимеров является их наполнение. В качестве наполнителей могут использоваться практически любые материалы в широком количественном диапазоне – от сотых и тысячных долей до 98% от объема полимерного связующего /54/. Выбор того или иного наполнителя осуществляется с учетом его структурных, физических и химических свойств, определяющих модифицирующее воздействие, включая их совместимость с характеристиками материалов полимерной матрицы и наполнителя, а также требуемые эксплутационные характеристики в конкретных условиях работы.

Традиционная область использования наполнителей – композиционные материалы с высокой механической прочностью, вследствие оказываемого наполнителем, в первую очередь волокнистым, армирующего эффекта. Но наполнитель способен оказывать разнообразное воздействие, что обуславливает высокую эффективность его использования – от усиления фрикционных и антифрикционных свойств, улучшения электро- и теплофизических характеристик до улучшения формуемости и формоустойчивости, понижение горючести [54].

Класс модификаторов полимеров очень разнообразен и затрагивает практически все существующие в природе вещества. По происхождению все наполнители разделяются на [54]:

- органические;

- минеральные;

- полимерные синтетические;

- металлические (электропроводные, магнитные, теплопроводные);

- сферические (микросферы);

- коротко- и длинноволокнистые (непрерывные) волокна;

- специального назначения, включая триботехнические составы.

Несмотря на разнообразие оказываемого воздействия, повышенный интерес вызывают наполнители, которые наряду с увеличением физико-механических характеристик будут оказывать влияние и на триботехнические параметры при наполнении.

Традиционно в качестве таких веществ и материалов используются твердые смазки, обеспечивающие при эксплуатации на поверхности трения структуру термотропных жидких кристаллов. Такие наполнители имеют обычно слоистую структуру или образуют ее в процессе трения. Кроме твердых смазок могут быть использованы как вещества, самостоятельно обладающие антифрикционными свойствами, так и усиливающие их при совместном взаимодействии с другими материалами.

Наибольшее распространение также получили:

- сульфиды (MoS₂, WS₂, PbS₂);

- селениды (MoSe₂, WSe₂);

- теллуриды (MoTe₂, WTe₂, NbTe₂);

- оксиды переходных металлов (PbO, SrO₂);

- графит;

- нитрид бора BN;

- бронзы;

- тальк, каолин, фторопласт и др.

Данные веществе могут обладать радикально различающимися свойствами (табл. 10.15) и их использование в композиционном материале будут определяться требованиями к конечному изделию в условиях эксплуатации.

Таблица 10.15. Теплофизические и физические характеристики наполнителей

Наименование	Плотность, кг/м^3	Теплоемкость, кДж/кг×К	Коэффициент теплопроводности, Вт×м/К
Каолин		0,836 – 0,902	0,15 – 1,97
Тальк		0,872	2,1
Слюда		0,879 – 0,862	0,583
Нитрид бора	1800 – 2000	1,1	2,7
Дисульфид молибдена		0,7	2,8
Аэросил		1,124	1,08
Бронза	2500 – 2600	0,53	3,8
Сажа		–	0,166
Углеродное волокно		–
Арамидное волокно		1,36	0,04

Халькогениды тугоплавких металлов (т.е. соединения с серой, теллуром) обладают минимальным коэффициентом трения, высокой температурной и химической стойкостью, хорошими смазочными свойствами. На триботехнические характеристики покрытий будут влиять их следующие свойства.

Таблица 10.16. Характеристики антифрикционных наполнителей

Наименование	Тип кристаллической решетки	Плотность, кг/см^3	Коэффициент трения	Т-ра предельной эксплуатации, °С
CuS2	Гексагональная		0,18	–
MoS2	Гексагональная	4800 – 5160	0,02 – 0,3
PbS2	Кубическая	7500 – 7590	0,37
WS2	Гексагональная	7500 – 7690	0,03 – 1,16
WTe2	Ромбическая	–	0,22

Дисульфид молибдена MoS₂. Наиболее распространенный наполнитель полимерных материалов антифрикционного назначения. Получают очисткой природного молибденита или в процессе взаимодействия серы или сероводорода с триоксидом молибдена. Представляет собой порошок свинцово-серого цвета с твердостью 20HV, обладает высокой несущей способностью до 2800 МПа. Основное назначение – внутренняя смазка и снижение коэффициента трения при повышение износостойкости. На воздухе сохраняет смазочные свойства в пределах температур вплоть до криогенных 400°С, в неокислительной среде – выше. Недостаток – химическая нестабильность во влажной атмосфере уже при 80–100°С с протеканием процессов абразивного и коррозионного изнашивания в связи с образованием специфических продуктов химического взаимодействия. Обеспечивает высокую термостойкость, электрическую прочность и магнитную проницаемость, модуль упругости и напряжение растяжения и изгиба наполненных полимеров.

Сульфат бария BaSO₄. Используется в качестве наполнителя и белого пигмента для композиций. Придает им высокую плотность, повышенное сопротивление истиранию, химическую стойкость, экранирующую способность для ультрафиолета. Введение в ненасыщенные полиэфиры способствует увеличению скорости отверждения. Наполненные полимеры характеризуются высокой технологичностью, плотностью и несущей способностью.

Таблица 10.17. Свойства сульфатов и сульфидов

Название	Формула	Тпл, °С	r, г/см^3	Твердость по Моосу	Внешний вид
Сульфат бария, шпат, баррит	BaSO4		4,25 – 4,5	3 – 3,5	Тонкодисперсный, белого цвета
Дисульфид молибдена	MoS2		4,8	1 – 1,5	Черный, серый
Сульфид цинка	ZnS		3,98 – 4,1	3,5	Желтовато-белый

Нитрид бора характеризуется гексагональной решеткой с атомами бора и азота в базисной плоскости, расположенных попеременно. Снижение коэффициента трения осуществляется за счет адсорбирования разного рода пленок на поверхности трения.

Графит и его производные при использовании в качестве антифрикционного наполнителя также вызывают повышенный интерес.

Антифрикционные материалы на основе углерода относятся к классу самосмазывающихся материалов и применяются в тех случаях, когда использование других антифрикционных материалов не допускается. Обычно это бывает в тех случаях, когда применение смазывающих масел исключается по техническим соображениям, в частности, в парах трения, контактирующих с агрессивной средой; при температурах, когда смазочные масла разлагаются, при работе пары трения без смазки. Данный класс материалов отличается высокой термостойкостью (температура плавления равна 3800°С, а пластичное состояние наступает при 2000°С). Относительно высокий коэффициент сухого трения (0,15–0,2) и низкий по отношению к металлам коэффициент линейного расширения графита вызывают трудности при конструировании графитовых опор. Поэтому использование графита и материалов на его основе в некоторых случаях целесообразно только в качестве наполнителей антифрикционного назначения /1,6,7/. По результатам работ ряда авторов необходимое содержание графита в покрытии должно составлять: на воздухе при постоянном давлении в зоне контакта поверхностей – 33%; в условиях переменного давления окружающей среды в широком диапазоне действующих нагрузок (вплоть до предельно допустимых) рекомендуется 15%. Однако введение большого количества графита в покрытие не рекомендуется ввиду ухудшения прочностных и триботехнических свойств.

Структурно-активные и ультрадисперсные наполнители. Традиционно в качестве структурно-активного наполнителя наиболее часто использовался аэросил. Высокая активность вызвана особыми структурными особенностями, в первую очередь – высокая удельная поверхность порядка 130–380 м²/г при размерах частиц 0,16–0,07 мм. Обладает следующим химическим составом: 99,8% SiO₂, 0,05% Al₂O₃, 0,003% Fe₂O₃, 0,03% TiO₂. При использовании в качестве модификатора оказывает тиксотропный и усиливающий эффекты, повышает устойчивость к расслаиванию и слипанию, увеличивает вязкость и текучесть полимерных композитов при переработке.

Однако в связи с развитием промышленности и созданием новых технологий получения веществ, имеющих возможность выступать в качестве структурно-активных веществ, начали получать распространение другие ультрадисперсные модификаторы /16/. Механизм модифицирующего воздействия заложен в энергетическом состоянии их поверхности, с одной стороны, и способности полимерной матрицы к направленному воздействию на надмолекулярную структуру полимера с другой. Выяснилось, что структурной активность в высокодисперсном состоянии обладают практически все материалы. Это объясняется не столько химическим строением, сколько свойствами кристаллической решетки, приобретаемым в процессе получения. Высокая реакционная способность вызвана ее дефектностью и малым размером частиц, что является причиной высокого число нескомпенсированных связей.

Работы по созданию композиционных полимерных композитов с использованием ультрадисперсных материалов ведутся в следующих направлениях:

- силановые соединения типа SiMeN;

- оксинитриды – иттрия-кремния (Y₂O₃×Si₃N₄, YSiO₂N), бора-кремния (B₂O₃×Si₃N₄, BSiO₂N);

- нитридов – алюминия AlN, титана TiN; кремния Si₃N₄; соединений типа Si₃N₄×TiN, Si₃N₄×SiС;

- оксидов – алюминия Al₂O₃, титана TiO₂, кремния SiO₂, циркония ZrO₂, хрома Cr₂O₃;

- двойных оксидов – шпинели кобальта CoO×Al₂O₃, магния MgO×Al₂O₃, меди CuO×Al₂O₃.

Для таких материалов характерна высокая удельная поверхность порядка 25–50 м²/г (в некоторых случаях до 180 м²/г), при среднем размере частиц 20–100 нм, плотности 3340–3100 (сиалоны, оксинитриды). Характеристики модифицированных покрытий зависят от способа получения материала и для одинаковых материалов могут колебаться в широких пределах.

Ультрадисперсные алмазы (УДА).Среди прочих ультрадисперсных модификаторов кластеры синтетического углерода или УДА занимают особое место ввиду обладания уникальным комплексом макросвойств алмаза со специфической структурой и надструктурной организацией, присущей кластерным материалам. Например, синтезированные детонационным синтезом УДА обладают следующими свойствами /8,9/:

- высокая каталитическая способность;

- абсолютная химическая стабильность в атмосфере;

- высокая химическая стабильность при температурах 200 – 400°С;

- высокие значения удельной поверхности порядка 350 – 400 м²/г;

- аномально высокие значения коэффициента поглощения ЭМИ в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной частях спектра и разночастотном диапазонах;

- сравнительно низкие температуры спекания порядка 300 – 400°С.

Существуют следующие модификации ультрадисперсных материалов на основе УДА:

- непосредственно УДА (95–98% алмазного вещества);

- УДАВ (70% алмазного вещества);

- УДАГ (30% алмазного вещества и 70% графит).

Обладают специфическим комплексом характеристик, например, морфологических: размер частиц 4 нм, удельная поверхность до 420 м²/г. Диапазон концентраций, вводимых в полимер достаточно широк и составляет 0,001 – 2% /9,10/.

Механические свойства полимеров зависят от их молекулярной, в частности надмолекулярной, структуры, в том числе от размеров сферолитов. При введении рассматриваемого модификатора в структуре полимерной матрицы может происходить трансформирование ленточной надмолекулярной структуры ненаполненного полимера в сферолитную наполненного, сопровождаемое повышением степени упаковки и кристалличности. Упорядочение надмолекулярной структуры приводит к росту прочностных и триботехнических характеристик вследствие уменьшения локальных напряжений и повышения скорости релаксации внутренних релаксационных процессов в системе. Эти особенности определили использование ультрадисперсных частиц, а именно кластерных материалов, в т.ч. ультрадисперсных алмазов, в качестве искусственных зародышей структурообразования.

Механизм упрочняющего действия также заложен в обеспечении повышенного адгезионного взаимодействия, заключающегося в образовании физических (адсорбционных) и химических связей между наполнителем и полимером. Физическое взаимодействие зависит от физико-химических свойств поверхности, химическое – от наличия функциональных групп в молекуле и подвижности неспаренных электронов. Высокая поверхностная энергия объясняется спецификой электронного состояния, связанного с аномалиями кристаллической решетки, которая инициирует обобществление электронной системы всеми атомами и появление значительной доли поверхностных атомов. Это позволяет говорить о том, что в высокодисперсных частицах проявляются особенности поверхностных состояний, характерные для «объема» материала. Высокая поверхностная энергия высокодисперсного наполнителя активирует адсорбцию полимерных цепей к его поверхности. Влияние поляризационного заряда УДА на свойства термопластов состоит в электрической стимуляции физико-химических процессов на границе «полимер – частица УДА».

Отмечается особенно активное влияние дисперсного модификатора на динамику протекания процесса химического взаимодействия «полимер – наполнитель», особенно на стадиях смачивания поверхности и адсорбции полимерных молекул. В процессе поликонденсационного взаимодействия участвуют оксифункциональные группы как алмаза так и графита типа [С]_m(ОН)_n. Продуктом реакции является соединение со связями С^SP3 – O – … (на алмазе) и С^SP2p – O – … (на графите). Поверхность синтетического алмаза стабилизирует скорость полимеризации, в отличии от графита, для которого характерен резкий спад скоростей после начальной стадии процесса. Это связывается со скоростью образования неактивных продуктов взаимодействия за счет более сильных восстановительных свойств поверхности графита и последующего торможения реакций. Максимальная концентрация активных групп на алмазе (4,2 мкмоль/м²) и на графите (9,6 мкмоль/м²) оказывает влияние на формирование центров роста приводят к искажениям в расположении макроцепей, препятствуя их плотнейшей упаковке, что является причиной образования менее упорядоченных структур. Таким образом, поверхность наполнителя в виде УДА, обладая определенной концентрацией активных центров, способствует быстрому и стабильному протеканию процессов полимеризации (в том числе и кристаллизации) именно на стадии роста молекулярных цепей, длина которых, как известно, определяет многие прочностные свойства полимера.

Дата добавления: 2015-05-06