автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка композиционных материалов на основе эпоксидной смолы и диборидов титана и хрома для защиты деталей машин от коррозии, гидроабразивного и кавитационного разрушения

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ Р г П ОД ім. Г.В.КАРПЕНКА

1 а ММ* «97

. На правах рукопису

КОНДРАТЮК Віктор Лукич

РОЗРОБКА КОМПОЗИТНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ЕПОКСИДНОЇ СМОЛИ І ДИБОРИДІВ ТИТАНУ ТА ХРОМУ ДЛЯ ЗАХИСТУ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ВІД КОРОЗІЇ, ГІДРО АБРАЗИВНОГО І КАВІТАЦІЙНОГО РУЙНУВАННЯ

05.02.01 - матеріалознавство в машинобудуванні

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В.КАРПЕНКА

На правах рукопису

КОНДРАТЮК Віктор Лукич

РОЗРОБКА КОМПОЗИТНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ЕПОКСИДНОЇ СМОЛИ І ДИБОРИДІВ ТИТАНУ ТА ХРОМУ ДЛЯ ЗАХИСТУ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ВІД КОРОЗІЇ, ГІДРО АБРАЗИВНОГО І КАВІТАЦІЙНОГО РУЙНУВАННЯ

05.02.01 - матеріалознавство в машинобудуванні

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному педагогічному інституті.

Науковий керівник: академік НАН України,

доктор технічних наук, професор Кислий Павло Степанович.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Пашечко Михайло Іванович,

кандидат хімічних наук, доцент Ластухін Юрій Олександрович.

Провідна організація: Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М.Францевича НАН України, Київ

Захист відбудеться “_________________________________ 1997 року

о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 04.01.03

при Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАН України ( 290601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (290601, м.Львів, МСП, вул Наукова, 5).

Автореферат розпслано 6"” лютого 1997 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради, доктор технічних наук, професор

Г.М.Никифорчин

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Проблема підвищення надійності машин і обладнання в умовах одночасної дії корозії та гідроабразивного зношування набуває все більшого значення з точки зору довговічності машин, економії металів, енергоресурсів, ефективного використання сировини і відноситься до актуальних завдань матеріалознавства. Це в першу чергу стосується насосних агрегатів магістральних нафтопроводів, водопроводів, очисних споруд та інших промислових об’єктів. Від 50 до 90% таких насосів виходять з ладу через зношування їх проточних частин. Для ремонту і продовження ресурсу насосних агрегатів доцільно створювати композитні покриття з пошаровим розташуванням матеріалів, що виконують конкретні функції (підвищення адгезії і зносостійкості покриттів, надання їм необхідних властивостей та ін.). Найперспективнішим напрямом вирішення даної проблеми є нанесення захисних покриттів з використанням композитних матеріалів на основі епоксидних смол. У створенні таких матеріалів вже набутий певний науковий і практичний досвід, проте на даний час недостатньо вивчені процеси структурування і взаємодії компонентів у високонаповненних композитах, а також практично не досліджені в ролі наповнювачів полімеркомпозитів бориди тугоплавких матеріалів, які добре себе зарекомендували як зносостійка фаза в покриттях, нанесених напиленням, наплавленням та іншими відомими способами.

Мета роботи. Вивчення закономірностей формування високонаповнених композитних матеріалів на основі модифікованих епоксидних смол, диборидів титану і хрому та створення на їх базі нових зносостійких покриттів для захисту деталей машин від корозії і гідроабразивного зношування.

Для досягнення мети були поставлені такі наукові і практичні завдання:

1) розробити полімерну матрицю холодного тверднення з оптимальними фізико-механічними та технологічними властивостями;

2) з’ясувати вплив природи і дисперсності наповнювача на

реологічні та експлуатаційні властивості композитів; “

3) дослідити структуроутворення та взаємодію на межі фаз “полімер - наповнювач”;

4) вивчити вплив ультразвукової обробки на структуру і властивості високонаповнених епоксидних композитів і покриттів на їх основі;

5) оптимізувати склад і товщину демпфірувального й зносостійкого шарів і дослідити їх вплив на міцність і зносостійкість покриттів;

6) перевірити ефективність розроблених покриттів в промислових умовах та впровадити технологію їх нанесення на

проточні поверхні корпусів магістральних насосів.

Наукова новизна. Встановлено, що модифікація епоксидної смоли ЕД-20 поліефіром ПЕ-220 збільшує рухливість макромолекул епоксидного олігомеру та їх адсорбцію поверхнею наповнювача за рахунок збільшення кількості активних рухливих сегментів макромолекул і зменшення ефективної густоти просторової сітки епоксидного в’яжучого, що дозволяє регулювати його релаксаційні та міцнісні властивості

Показано, що високі міцнісні параметри композитів, наповнених диборидом титану і хрому, визначаються виникненням міжмолекулярних водневих зв’язків і утворенням додаткових фізичних вузлів між функціональними групами епоксидного в’яжучого і адсорбційно-активними центрами на поверхні наповнювача, що спричиняє збільшення ступеня зшивання епоксидного в’яжучого, зміну щільності молекулярної упаковки на поверхні ТіСгВ2 і формування еластичного міжфазного шару.

Вперше встановлено, що ультразвукова обробка високонаповнених композицій збільшує рухливість макромолекул епоксидної матриці, площу поверхні міжфазного контакту та адсорбційну активність поверхні наповнювачів. Це дозволяє керувати технологічними і фізико-механічними властивостями полімеркомпозитів. На основі проведених доліджень розроблено нові композитні матеріали (а.с. 1434762, 1440004).

Запропоновано новий спосіб підвищення гідроабразивної зносостійкості покриттів введенням проміжного еластичного шару на основі епоксикаучукових композитів (а.с. 1793605).

Практична цінність праці Розроблено зносо- і корозійностійкі багатошарові полімеркомпозитні покриття та технологію її нанесення на великогабаритні деталі зі складним профілем поверхні, зокрема, на корпуси магістральних нафтоперекачувальних насосів. Показано, що за зносостійкістю такі покриття перевищують сталь 35Л в 1,4 - 1,8 раз.

Технологію нанесення захисних покриттів впроваджено в УМН “Дружба”. Використання захисних покриттів дало можливість знизити гідродинамічні втрати насосів і підвищити їх к.к.д. на 4-5%, суттєво збільшити міжремонтний ресурс насосів і тим самим зменшити потребу в нових насосах за рахунок багатократного відновлення поверхні деталей до початкових розмірів. Економічний ефект від впровадження результатів роботи становить Імлн.ЗО тис. крб. у цінах 1990 р.

На захист виносяться:

1. Експериментально встановлені закономірності процесів структуроутворення і взаємодії на межі епоксидної матриці з тугоплавким наповнювачем.

2. Метод направленого регулювання реологічних і фізико-механічних властивостей, внутрішніх напружень епоксидних

композитів шляхом використання різних за природою полідисперсних наповнювачів.

3. Спосіб покращення фізико-механічних властивостей захисних покриттів ультразвуковою обробкою високонаповненого в’яжучого.

4. Спосіб підвищення зносостійкості полімеркомпозитних покриттів уведенням проміжного еластичного шару.

5. Склад і будова захисних покриттів, технологія їх нанесення на деталі проточної частини відцентрових магістральних насосів, що експлуатуються в умовах одночасної дії корозії, кавітації та гіадроабразивного зношування.

Особистий внесок автора: Показано актуальність використання полімеркомпозитних покриттів для захисту деталей проточних частин насосів від корозії і гідроабразивного зношування, обгрунтовно вибір об’єктів дослідження; розроблено методику дослідження реологічних властивостей наповнених полімеркомпозитів; досліджено вплив полідисперсних наповнювачів на їх реологічні, фізико-механічні та експлуатаційні властивості; розроблено оптимальний склад композитних матеріалів і покриттів; аналіз та узагальнення результатів досліджень.

Публікації та апробація роботи. За результатами виконаних досліджень опубліковано 28 наукових праць, у тому числі 6 авторських свідоцтв на винаходи. Основні результати досліджень і досвід їх застосування викладено й обгрунтовано на чотирьох міднародних симпозіумах і конференціях (м.Краків (ПР) 1990 р., м.Львів 1994, 95 рр., м.Зелена ГуРа (ПР) 1995 р.), одній всесоюзній (м.Новокузнецьк (РФ) 1986 р.), шести республіканських конференціях (м.Суми 1988 р., м.Запоріжжя 1988 р., м.Івано-Франківськ 1990 р.) і науково-практичних семінарах (м.Тернопіль 1988 р., 1989 р., м.Львів 1996 р.), та двох конференціях молодих вчених (м.Гомель 1986 р., 1988 р.).

Структура та об’єм. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, основних висновків, списку використаної літератури та додатків. Матеріал викладено на 127 стор. машинописного тексту. У роботі подано 62 ілюстрації, 14 таблиць та бібліографію 117 джерел.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, наукову новизну та її практичну цінність.

У першому розділі проаналізовано результати експериментальних робіт по підвищенню зносостійкості обладнання, яке працює в умовах гідроабразивного зношування при одночасній дії корозії і кавітації. Показано, що традиційні методи зміцнення поверхні та створення захисних покриттів наплавленням, напиленням й іншими відомими способами є трудомісткі, вимагають складного спеціального обладнання та високої кваліфікації виконавців, а тому

недостатньо ефективні. Найперспективнішим напрямом захисту від корозії, гідроабразивного зношуванння і збільшення ресурсу роботи обладнання є застосування композитних покриттів на основі полімерів. Обгрунтовано доцільність використання як основи полімерних матриць низькомолекулярних епоксидних смол, а для забезпечення зносостійкості композитів - дисперсних порошків боридів тугоплавких сполук.

Розглянуто механізми руйнування металевих і неметалевих матеріалів у потоці твердих частинок під різними кутами атаки гідроабразивного середовища. Оскільки деталі насосів піддаються гідроабразивному зношуванню в усьому діапазоні кутів атаки, розробка захисних покриттів, що вдало поєднують низькі значення параметрів контактної взаємодії й високу зносостійкість надтвердих матеріалів при ковзному потоці з високою зносостійкістю гум при прямій дії потоку твердих частинок, є досить актуальною.

Показано, що розробка й ефективне використання таких покриттів можливі за умови комплексного вирішення завдань як щодо розробки матеріалу з заданими властивостями, так і в сфері технології одержання покриттів на їх основі.

На підставі огляду літературних джерел і відповідно до поставленої мети сформульовано ключові завдання роботи.

В другому розділі обгрунтовано вибір основних компонентів полімеркомпозитних матеріалів та методів дослідження. В якості полімерної матриці вибрано епоксидно-діанову смолу ЕД-20, яка відзначається унікальним поєднанням властивостей порівняно з іншими синтетичними смолами. Для полімеризації епоксидних композитів використано амінні твердники холодного твердіння -ПЕПА, ТЕТА, ДЕТА, УП-0633, УП-583. Для пластифікації епоксидної матриці використано дибутилфталат, поліефір-220, нітрильний каучук СКН-26, тіокол НВТ, аліфатичну смолу ДЕГ-1.

Як основний зносостійкий наповнювач використано порошки боридів - ТіВг, СгВг , ТіСгВг дисперсністю від 2-6 до 400 мкм. Як наанювачі адгезійно-шпаклювального шару і для запобігання седиментації боридів застосовано кварцовий пісок і промислові відходи: подрібнений бій фарфору і скла, червоний шлам, які є комплексними оксидами. -

Описано методики дослідження полімеркомпозитних матеріалів і покриттів на їх основі, які включають вивчення адгезійних, фізико-механічних, реологічних, теплофізичних властивостей; дослідження структури покриттів і міжфазної взаємодії; корозійної, кавітаційної та гідроабразивної зносостійкості покриттів.

Розроблено методики й установки для вивчення впливу ультразвуку на властивості полімеркомпозитів, дослідження реологічних і діелектричних властивостей наповнених полімеркомпозитних матеріалів і демпфірувальних властивостей

покриттів.

Третій розділ присвячений розробці оптимального складу полімерної матриці на основі епоксидної смоли ЕД-20, вивченню її адгезійних і фізико-механічних властивостей, дослідженню закономірностей формування наповнених полімеркомпозитів, їх структури і характеру взаємодії полімеру з поверхнею наповнювача.

Встановлено, що найбільше підвищення адгезійної міцності і змочувальної здатності епоксидної матриці досягається шляхом її модифікації поліефіром ПЕ-220, який сприяє збільшенню рухливості і гнучкості макромолекул епоксидного олігомеру, на що вказує зниження температури склування і зміщення шах Ід 5 в бік низьких температур. Крім того, в’яжуче, модифіковане ПЕ-220, характеризується конформаціями макромолекул, набільш сприятливими для адсорбції молекул в’яжучого твердою поверхнею і максимально можливого утворення водневих зв’язків.

Особливий інтерес становлять епоксикаучукові композити, які утворюють при затвердінні двофазні системи і відзначаються високими еластичністю й ударною в’язкістю (рис.1) без суттєвого зниження теплостійкості. Для забезпечення високого модифікуючого ефекту попередньо (до введення затверджувана) проводили реакцію етерифікації при 413 - 433К протягом 2-3 годин з утворенням хімічного зв'язку між молекулами каучуку й епоксидною смолою. В 14 спектрах таких композитів зникає смуга поглинання при частоті 920 см1, знижується інтенсивність смуг при частотах 3200-3400 см 1 і 1000 -1200 см1. Це свідчить про взаємодію непрореагованих а -оксидних циклів ЕД-20 з реакційноздатними групами поліетиленполіаміну і каучуку СКН-26 під час термообробки. Проведені дослідження

дозволили оптимізувати склад епоксидної матриці для адгезійно-шпаклювального і зносостійкого шару та склад

240 КОМПОЗИТІВ ДЛЯ

демпфірувального шару покриття.

Рис.1.

■ ■ Залежність адгезійної міцності при відриві (1) і відносного видовження при розриві (2) від співвідношення СКН-26 і ЕД-20.

Досліджено вплив наповнювачів на реологічні властивості епоксидних композитів. Встановлено, що в'язкість і тиксотропні характеристики композитів монотонно зростають зі збільшенням наповнення при використанні дисперсного наповнювача однієї фракції

і знижуються при збільшенні зернистості наповнювача. При цьому зміна зернистості ТіСгВг меншою мірою впливає на в’язкість композиту порівняно з ТіВг і СгВг. Показано, що для досягнення 90100% умовної в’язкості в композити необхідно ввести порошків ТІВг і СгВг відповідно в 1,5 і 2,0 рази більше, ніж ТіСгВг. Це пов'язано як з адсорбційною активністю розвинутої поверхні частинок ТіСгВг, що визначає міцність й товщину адсорбованого шару і впливає на процеси структуроутворення, так і з хорошою її змочуваністю епоксидним в’яжучим.

Використання ж порошків, які включають набір фракцій (менше 400 мкм), дозволяє змінювати динамічну в’язкість при постійному значенні умовної в’язкості. Згідно з результатами досліджень, для досягнення необхідного ступеня тиксотропності, що забезпечує нестікання композиту з вертикальних поверхонь та розтікання нерівностей на поверхні покриття, композиції повинні мати 65%-ну умовну в’язкість, що відповідає 9±1 Пас динамічної в’язкості. Можливість регулювання в'язкості композитів при необхідному ступені їх тиксотропності має принципове значення під час нанесення покриттів.

Дослідження показують, що при введенні в полімерну матрицю боридів відбувається їх седиментація, яка негативно впливає на формування і властивості захисних покриттів. Такі композити володіють і недостатнім тиксотропним ефектом, що спричиняє сповзання композитів з вертикальних поверхонь. Для запобігання седиментації дрібнозернисті порошки (менше 40 мкм) використані як заповнювачі каркаса, утвореного більш крупними частинками. Це сприяє рівномірному розподілу наповнювача по товщині покриття і утворенню однорідної структури з компактною упаковкою частинок. Встановлено, що для утворення такого лабільного каркаса, який забезпечує одержання текучих неосідаючих полімеркомпозитів, до їх складу, який містить 100 мас.ч. фарфору дисперсністю 80-100 мкм на 100 мас.ч. епоксидного в’яжучого необхідно ввести не менше 60 мас.ч. ТіСгВг , 90 мас.ч. ТІВг і 120 мас.ч. СгВг.

Експериментальні дослідження процесів структуроутворення на межі поділу “епоксидне в’яжуче - борид” з використанням 14 -спектроскопії і ДТА показали, що при введенні дисперсних боридів і оксидів знижуються швидкість і повнота полімеризації епоксидного в’яжучого. Встановлено, що зі збільшенням кількості дисперсних наповнювачів до 250 мас.ч. швидкість полімеризації епоксикомпозитів знижується на 16-33%. Причиною гальмування твердіння і наявності непрореагованих епоксидних груп, кількість яких монотонно зростає з підвищенням концентрації наповнювача в композиті, є вибірна адсорбція більш рухливих молекул епоксидної смоли та утворення фізичних вузлів між ними та адсорбційно-активними центрами на поверхні наповнювача. 14- спектроскопією підтверджено утворення міжмолекулярних водневих зв’язків функціональних груп 8

епоксидного олігомеру з ОН-групами ТіСгВг і фарфору, які приводять до зміни щільності молекулярної упаковки і зменшення рухливості полімерних ланцюгів.

Підвищення температури термообробки сприяє більш повному процесу структуроутворення в граничному шарі. Це підтверджується зменшенням абсолютного значення і зміщенням max tg 8 в бік високих температур, а також значним зниженням в ГЧ-спектрах інтенсивності основних смуг поглинання в інтервалі 750-3100 см Ч 3200-3600 смЛ Роздвоєння max tg 5 вказує на наявність мікрогетерогенності в граничному шарі і утворення полімерів різної молекулярної маси, за рахунок яких формується еластичний міжфазний шар. За даними фрактографічних досліджень, шар полімеру, який покриває поверхню зерен ТіСгВг, є достатньо щільним і однорідним за своєю структурою.

На основі проведених досліджень обгрунтовано доцільність ступінчастого режиму низькотемпературного твердіння (24 години при 293 К і 6 годин при 323-333 К), який знижує дефектність структури і сприяє одерджанню покриттів із впорядкованою структурою і мінімальними внутрішніми напруженнями.

Досліджено можливість покращення фізико-механічних властивостей наповнених епоксикомпозитів обробкою їх ультразвуком (УЗ). З цією метою розроблено методику та установку, яка дозволяє дослідити вплив УЗ на властивості полімеркомпозитів. Основним параметром УЗ обробки є кількість поглинутої композитом енергії, що визначається частотою і амплітудою коливань магнітострикційного вібратора і тривалістю впливу на полімеркомпозит. Встановлено, що УЗ обробка сприяє підвищенню на 20-30% адгезійної міцності, ударної в’язкості, теплостійкості, збільшенню швидкості і повноти полімеризації внаслідок упорядкування структури епоксидної смоли, збільшення поверхні

45

п.МПа

міжфазного контакту і числа активних центрів на поверхні наповнювача в результаті її звільнення під дією кавітації від адсорбованих речовин. Оптимізований режим УЗ обробки: 3-4 хвилини при амплітуді 15-20 мкм і частоті 22 кГц (Рис.2).

Рис.2. Залежність адгезійної міцності епоксидної смоли від амплітуди коливань і

тривалості дії ультразвуку

(f = 22 кГц ).

Четвертий розділ містить результати досліджень впливу складу, структури і технології формування на фізико-механічні властивості, корозійну, гідроабразивну та кавітаційну стійкість полімеркомпозитних матеріалів і покриттів на їх основі.

Експериментально встановлено, що зі збільшенням вмісту дисперсних диборидів у композиції до 200-250 мас.ч. на 100 мас.ч. епоксидного в’яжучого їх фізико-механічні властивості покращуються. При цьому композити, наповнені частинками ТіСгВг , мають вищі показники порівняно з композитами, наповненими ТіВг і СгВг. Так, уведення в полімерну матрицю 250 мас.ч. частинок ТіСгВг підвищує розривне напруження і ударну в’язкість композитів в 2,1 і 1,75 раза відповідно. При використанні такої ж кількості ТіВг міцнісні властивості зростають в 1,33 в 1,48 раза, СгВг- в 1,37 і 1,31 раза відповідно. Більша міцність композитів, наповнених частинками ТіСгВг, пояснюється високою адгезійною міцністю між наповнювачем і полімерною матрицею за рахунок міжмолекулярної взаємодії та розвинутої поверхні частинок ТіСгВг.

При дослідженні впливу наповнювачів на теплофізичні властивості композитів встановлено, що зі збільшенням ступеня наповнення полімерної матриці порошками ТіСгВг , СгВг і ТіВг теплостійкість композитів зростає, а ТКЛР - знижується. При цьому найбільше змінює теплостійкість і ТКЛР порошок ТіСгВг: підвищує теплостійкість на 20 К стосовно полімерної матриці і знижує ТКЛР до 3,4 10 5 К1 . Використання полідисперсного наповнювача сприяє максимальному наповненню композиту, додатковому зниженню ТКЛР і підвищенню теплостійкості, що можна пояснити зниженям рухливості макромолекул на межі поділу фаз, збільшенням кількості фізичних вузлів і об’єму міжфазного шару.

Зносостійкість покриття підвищується зі збільшенням вмісту диборидів. Максимальну зносостійкість мають полімеркомпозити, наповнені частинками ТіСгВг (200 мас.ч. на 100 мас.ч. в’яжучого). Додаткове уведення 60-120 мас.ч. фарфору дисперсністю 80-120 мкм дозволяє зберегти високу зносостійкість композиту при меншій кількості ТіСгВг (40-60 г*іас.ч.). Показано, що роль частинок наповнювача зводиться до сприймання і розосередження сили удару абразивних частинок гідропотоку, захисту епоксидної матриці від руйнування в результаті зіткнення з абразивними зернами.

. Досліджено вплив пошарової конструкції покриттів на їх деформаційно-міцнісні властивості. Встановлено, що механічні властивості двошарових покриттів кращі, ніж окремо взятих шарів. Так, ударна в’язкість двошарового покриття на 15-18% вища, ніж відповідних одношарових за інших однакових умов. Пояснюється це тим, що сили адгезії на межі поділу шарів перешкоджають ростові тріщин, збільшуючи роботу по їх зародженню і розповсюдженню.

Внутрішні напруження в двошарових покриттях на 12-26% менші, ніж у відповідних одношарових при однаковій їх товщині, внаслідок релаксації і перерозподілу напружень на межі поділу шарів Застосування проміжного еластичного шару, товщиною більше 200 мкм, викликає повну релаксацію внутрішніх напружень у покритті.

Вперше запропоновано спосіб підвищення гідроабразивної зносостійкості полімеркомпозитних покриттів, що полягає у використанні проміжного еластичного шару, який, пружно деформуючись, сприяє ефективному розсіюванню енергії абразивних частинок без його руйнування. Встановлено, що товщина, адгезія, демпфірувальні властивості еластичного шару значною мірою визначають весь комплекс експлуатаційних характеристик захисного покриття. Максимальні значення міцності покриття досягаються при товщині еластичного шару 0,8 - 1,4 мм, а демпфірувальних властивостей - при товщині більше 1,2 мм. Висока міцність і здатність покриття деформуватися пояснюються тим, що еластичний шар перерозподіляє напруженя між шарами і узгоджує їх роботу при спільному деформуванні. Показано, що демпфірувальна здатність тришарового композиту залежить також від товщини зовнішнього зносостійкого шару, яка не повинна перевищувати 0,5 мм.

При дослідженні впливу еластичного шару на зносостійкість покриття встановлено (рис.З.), що його використання сприяє суттєвому зменшенню величини зносу при прямому ударі абразивних частинок за рахунок пружної деформації покриття, а при ковзному потоці гідроабразивного середовища зносостійкість тришарового покриття забезпечується високою твердістю і зносостійкістю тугоплавких дисперсних наповнювачів. Таким чином, використання еластичного

шару дозволяє поєднати в одному покритті високу зносостійкість гум при кутах атаки, близьких до 90°, з високою зносостійкістю тугоплавких сполук при малих кутах атаки гідроабразивного середовища, що забезпечує його ефективність під час транспортування високоабразивних гідросумішей та пульп.

" ЗО-" 45 60 75 а,град. 90

Рис.З.

Залежність відносної зносостійкості двошарового (1) і тришарового (2) покриття від кута атаки гідроабразивної суміші.

Розроблені покриття мають і високу корозійну стійкість (див. таблицю). Це пояснюється збільшенням дифузійного шляху агресивного середовища і зменшенням доступної для дифузії площі епоксидного в’яжучого при його наповненні хімічно стійкими частинками фарфору і ТіСгВг, а також обмеженням швидкості дифузійних процесів внаслідок додаткового бар’єрного ефекту, створеного адгезійною взаємодією між шарами покриття.

Вплив агресивних середовищ на фізико-механічні властивості зносостійкого шару.

Показники властивостей

Агресивне середовище Руйнівне напруження при розтягу, МПа Відносне видовження при розриві, % Руйнівне напруження при згині, МПа Твер- дість, НІШ МІЦНІСТЬ при УДарі, Дж Внутрішні напру- ження, МПа

— 68,0 4,0 48,4 48 4,6 0,9

Вода 67,1 4,0 48,0 46 4,2 1.1

Нафта 67.2 4.2 46.2 44 4.6 0.6

Бензин 66.3 3.7 42.7 42 4.3 0.8

Мінеральні масла 67.8 4.4 48.2 46 4.8 0.5

НС1 10% 66.4 3.4 32.2 39 3.2 -

15% 54.7 3.2 27.3 33 2.4 -

30% 42.2 2.9 12.4 24 1.6 -

НгБО^ 10% 58.9 2.8 29.2 32 2.8 -

25% 42.4 2.2 20.7 23 2.0 -

50% 31.5 1.7 6.4 12 0.8 -

НКОз 7% 28.8 3.5 8.8 10 1.4 -

N3 ОН 5% 62.8 3.8 34.7 37 3.9 -

10% 52.3 3.5 26.2 31 3.2 -

20% 50.1 3.1 18.8 26 2.6 -

П’ ятий розділ присвячений аналізові умов роботи відцентрових насосів, призначених для перекачування гідроабразивних сумішей в різних галузях промисловості, розробці складу і технології нанесення захисних покриттів на проточні частини насосів та дослідженню їх експлуатаційних характеристик.

Розроблені дво- і тришарові покриття для захисту проточних частин відцентрових насосів від гідроабразивного зношування, корозії і кавітації. Використання таких покриттів дозволяє одержувати напівглянцеву поверхню проточних частин насосів і, тим самим, покращувати їх гідродинамічні характеристики, підвищуючи к.к.д.

насосів на 4-5%.

Впровадження розроблених захисних покриттів дозволяє суттєво збільшити строк служби насосів за рахунок високої зносостійкості і можливості багаторазового нанесення покриттів на одні й ті ж деталі і, одже, зменшити потребу в нових насосах.

Для впровадження технології нанесення захисних покриттів розроблено технологічну документацію, спроектовано і організовано виробничу дільницю. Загальний економічний ефект від впровадження становить понад 1 млн.крб. станом на 1990 рік.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1.Встановлено можливість регулювання релаксаційних і адгезійно-міцнісних властивостей композитів при модифікацією епоксидної смоли ЕД-20 поліефіром ПЕ-220, який збільшує рухливість

і гнучкість макромолекул епоксидного олігомеру та їх адсорбцію поверхнею наповнювача за рахунок збільшення кількості активних рухливих сегментів макромолекул і зменшення ефективної густоти просторової сітки епоксидного в'яжучого.

2. Запропоновано спосіб направленого регулювання реологічних і фізико-механічних властивостей полімеркомпозитів оптимізацією вмісту різних за природою полідисперсних наповнювачів з урахуванням закономірностей взаємодії на поверхні розділу полімер - наповнювач. Показано, що уведення до складу композиту 60-120 мас.ч. фарфору дисперсністю 80-120 мкм та 40 мас.ч. ТіСгВг дисперсністю 20-40 мкм на 100 мас.ч. полімерного в’яжучого збільшує в 1,5 -2,5 раза адгезію і міцність покриття, в 5-6 разів зменшує температурний коефіцієнт лінійного розширення, значно знижує внутрішні напруження.

3. Показано, що високі міцнісні параметри композитів, наповнених диборидом титану- -срому, визначаються виникненням міжмолекулярних водневих з і’язків і утворенням додаткових фізичних вузлів між функці шальними групами епоксидного в’яжучого та адсорбційно-аі-сивними центрами на поверхні наповнювачів, які спричиняю1 ь збільшення ступеня зшивання епоксидного в'яжучого, зміну її льності молекулярної упаковки на поверхні ТіСгВг і формування є іастичного міжфазного шару.

4. Вперше досліджено вплив ультразвукової обробки на властивості високонаповнених епоксидних композитів та встановлено її оптимальний режим: час дії 3-4 хв при частоті 22 кГц і амплітуді коливань 15-20 мкм. Застосування ультразвукової обробки високонаповнених епоксидних композитів дозволяє підвищити на 2030% їх фізико-механічні характеристики за рахунок збільшення

рухливості макромолекул епоксидної матриці, числа адсорбційно-активних центрів на поверхні наповнювача та площі поверхні міжфазного контакту.

5. Розроблено спосіб підвищення гідроабразивної зносостійкості полімеркомпозитних покриттів на 20% введенням проміжного еластичного шару (а.с. 1793605).

6. Розроблено методику визначення оптимальної товщини зносостійкого і еластичного шарів в багатошарових композитних покриттях. Показано, що їх кращі механічні та демпфірувальні властивості в умовах гідроабразивного зношування забезпечуються при товщині еластичного шару не менше 1,2 мм і зносостійкого - не більше 0,5 мм. Встановлено, що нанесення дво- та тришарових покриттів приводить до підвищення на 15-18% їх міцнісних показників та відносного видовження при розриві (на 20-80%) і зниження (на 12-26%) внутрішніх напружень порівняно з моношаровим покриттям такої ж товщини.

7. Розроблено нові композитні зносо- і корозійно-стійкі покриття та технологію їх нанесення на проточні частини корпусів насосів, що працюють у мовах гідроабразивного зношування, кавітації та корозії (а.с 1434762,1440004). Застосування розроблених покриттів збільшує в 1,4-1,8 раза зносостійкість відносно сталі 35Л, що істотно збільшує строк експлуатації насосів, знижує їх гідродинамічні втрати, підвищує К.К.Д. насосів на 4-5%.

Економічний ефект від впровадження розроблених покриттів становить 1 млн.30 тис. крб у цінах 1990 року.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ:

1. Кальба Е.Н., Кондратюк В.Л.,Оверко И.В., Разумей В.А. Установка для измерения вязкости композиций// Лакокрасочные материалы и их применение,- 1985.- № 4 -С.56-57.

2. Кальба Е.Н., Кондратюк В.Л., Оеерко И.В., Помелуйко А.П. . Полимеркомпозиционные износо- и коррозионностойкие покрытия для защиты деталей сельхозмашин // Лакокрасочные материалы и их применение.- 1991.- № 1.-С.43-44.

3. Кальба Е.Н., Кондратюк В.Л., Оверко И.В., Голотенко С.Н. Улучшение эксплуатационных характеристик магистральных нефтеперекачивающих насосов.//Нефтяное хозяйство.- 1991.- № 7. -С.36-37.

4. Кальба Е.Н., Кондратюк В.Л., Помелуйко А.П. Защита деталей сельхозмашин от коррозии и гидроабразивного разрушения/

/ Тракторы и сельхозмашины.- 1990 - №11.-С.37-38.

5. Ас. 1434762 (ДСП). Износостойкое полимерное покрытие/ Дзядыкевич Ю.В., Кислый П.С., Кондратюк В.Л. и др. - Б.И. -1988.

6. А.с. 1440004 (ДСП). Антикоррозионное износостойкое покрытие /Кислый П.С., Кондратюк В.Л., Кальба Е.Н. и др. -Б.И. -1988.

7. А.с. 1793605. Износостойкое покрытие / Кислый П.С., Кондратюк В.Л., Кальба Е.Н. и др.-Б.И.-1992.

8. Ас. 1782998. МКИ С 23 С 22/10 Электролит для обработки поверхности алюминиевых сплавов перед нанесением полимерных покрытий /Кислый П.С., Кальба Е.Н. , Кондратюк В.Л и др.-Б.И,-1992.

АННОТАЦИЯ

Кондратюк В.Л. Разработка композиционных материалов на основе эпоксидной смолы и диборидов титана и хрома для защиты деталей машин от коррозии, гидроабразивного и кавитационного разрушения.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 -материаловедение в машиностроении (рукопись).

Физико-механический институт НАН Украины, Львов, 1997.

Исследовано влияние полидисперсных наполнителей с различной поверхностной активностью и физикохимического воздействия на границе раздела фаз на реологические, адгезионно-прочностные и физикомеханические свойства, а также на коррозионно- и износостойкость полимеркомпозиционных покрытий.

Установлено, что ультразвуковая обработка высоко наполненных эпоксидных композитов увеличивает на 2030% их физико-механические параметры. Предложен способ повышения на 20% гидроабразивной износостойкости полимеркомпозиционных покрытий за счет введения промежуточного демпфирующего слоя. Разработана методика определения оптимальной толщины износостойкого и демпфирующего слоев в многослойных покрытиях. Созданы новые композиционные износо- и коррозионно-стойкие покрытия, обладающие в 1,4 - 1,8 раза большей гидроабразивной стойкостью по отношению

к стали 35Л.

Ключові слова: Композити, епоксидне в’яжуче,

наповнювачі, фізико-хімічна взаємодія, структура, адгезійна міцність, внутрішні напруження, корозія, гідроабразивне зношування, покриття.

V.L.Kondratyuk. The treament of the polimer-com-posite materials on the base of the epoxy and the of tita-nium-chromium for the mashine components protection from corrosion, hydroabrasive and csvitation.

Candidate of tngineering dissertaton on specialization 05.02.01. - material science in engineering industry (manuskript).

The Physico-Mechnical institute of the National Academy of Science of Ukraine, Lviv, Ukraine, 1997.

Teh influence of the polydispersional buildups wuth different surface activity and physical-chemical interction on the boyndary of a phase division over on the rheological, and, physical-mechanical characteristics, corrosion - and wear out resistance of polimer-composite coverings are investigated.

It was established that ultrasound treatment of highly-filled epoxy composites increases their physical-mechanical qualities over 20-30%. The war of the raising of the hydroabrasive wear out resistance of the polimer-composite covering over 20% because of the insertion of the intermediate elastic layer was developed. The method of the setting of the optimum thickness of wear out resistant and elastic layers in polilayers covering was developed. The new composite wear out-' and corrosion - wear our resistant coverings, which have hydroabrasive in 1,4 - 1,8 times more with respect to steal 35L were developed.

ANNOTATION

n