RU2812667C1 - Композиционное фторполимерное покрытие на стали с металлическим адгезионным слоем - Google Patents
Композиционное фторполимерное покрытие на стали с металлическим адгезионным слоем Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812667C1 RU2812667C1 RU2023110997A RU2023110997A RU2812667C1 RU 2812667 C1 RU2812667 C1 RU 2812667C1 RU 2023110997 A RU2023110997 A RU 2023110997A RU 2023110997 A RU2023110997 A RU 2023110997A RU 2812667 C1 RU2812667 C1 RU 2812667C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steel
- coating
- corrosion
- coatings
- layer
- Prior art date
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 35
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 239000004446 fluoropolymer coating Substances 0.000 title claims abstract description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 9
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims abstract description 9
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 55
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 36
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 25
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 9
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 abstract description 8
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 abstract description 8
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 5
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 4
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 229910017773 Cu-Zn-Al Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- TVZPLCNGKSPOJA-UHFFFAOYSA-N copper zinc Chemical compound [Cu].[Zn] TVZPLCNGKSPOJA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 2
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 2
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 2
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004962 Polyamide-imide Substances 0.000 description 1
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 1
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 1
- 229910000746 Structural steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000006061 abrasive grain Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 229920000180 alkyd Polymers 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000003373 anti-fouling effect Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017053 inorganic salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 238000001874 polarisation spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 1
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 1
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000007779 soft material Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000000057 synthetic resin Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к технологии получения антикоррозионного защитного покрытия на стали с включением ультрадисперсного политетрафторэтилена. Композиционное фторполимерное покрытие на стали состоит из первого микроструктурированного шероховатого металлического слоя, включающего медь, цинк, корунд. Его формируют методом холодного газодинамического напыления порошка состава Cu - 38,3 мас.%, Zn - 28,6 мас.%, Al2O3 - 33,1 мас.%. Второй финишный слой состоит из УПТФЭ, который наносят фрикционным методом или методом ХГН. Техническим результатом изобретения является формирование более шероховатого слоя на поверхности стали для лучшего сцепления с УПТФЭ, что увеличивает адгезию фторполимера и, как следствие, приводит к увеличению износостойкости всего антикоррозионного покрытия и длительности эксплуатации стальных конструкций. 1 ил., 3 пр.
Description
Изобретение относится к технологии получения антикоррозионных защитных покрытий на стали с включением фторполимера, обладающих также водоотталкивающими, антифрикционными, противоизносными, противообрастающими свойствами, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения при изготовлении или восстановлении деталей, в частности, в судостроении и судоремонте.
Стальные изделия часто эксплуатируются в агрессивных условиях, например, в морской воде, кислых газах, аэрозолях растворов неорганических солей, при контакте с частицами грязи, при перепадах температур, УФ-излучении, статических и динамических нагрузках. Поэтому проблема коррозионного разрушения стальных элементов конструкций, в том числе нефтепромыслового оборудования весьма актуальна.
Фторполимерные покрытия обладают повышенной стойкостью к истиранию, высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам, нефтепродуктам, растворителям и другим агрессивным средам, в связи с чем они характеризуются превосходными антикоррозионными свойствами. В настоящее время класс защитных слоев на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) представляет собой наиболее распространенные антикоррозионные покрытия.
Известна технология нанесения фторполимерных покрытий для получения гладкого однородного слоя толщиной 15-40 мкм, имеющего низкий коэффициент трения, устойчивого к старению [https://atr.gov.ru/tech/243772089081]. Для этого проводят предварительное обезжиривание, струйноабразивную очистку, химическое фосфатирование (для черных сталей) либо травление (для нержавеющих сталей). На подготовленную поверхность наносят материал на основе синтетических смол с содержанием политетрафторэтилена методом пневматического распыления, который затем полимеризуют при температуре до 250°С.
Недостатком известной технологии является то, что фторполимерное покрытие получают после многоэтапной предварительной подготовки поверхности. Помимо этого, эффективность таких стадий, как обезжиривание, струйноабразивная обработка и химическое фосфатирование или травление недостаточна для обеспечения надежной адгезии ПТФЭ к поверхности стали, что скажется на эксплуатационных характеристиках покрытия.
В пат. EP № 2483359, публ. 06.07.2016 для продления срока службы объектов нефтепромыслового оборудования предложена антикоррозионная обработка стальных конструкций путем нанесения пленочного покрытия, содержащего 1-35 масс.% одного или более фторполимера, 1-70 масс.% одной или более эпоксидной смолы, 5-70 масс.% одного или более полиамидимида, 1-40 масс.% вспомогательного связующего, состоящего из одного или более полиэфирсульфона, полифениленсульфида, полиамида, полиимида, полиэфирэфиркетона, полиэфиримида, полиуретана, алкидной смолы, полиэфира или акрилового полимера. Для получения бездефектных покрытий с высокой адгезией основание обрабатывают пескоструйной очисткой. Далее на пластину из углеродистой стали или алюминия наносят антикоррозионный состав и сушат в течение 15-20 минут при температуре 115-130°С. Затем его дополнительно отверждают в течение 25 минут при 230°C.
Основным недостатком заявленного изобретения является недостаточность пескоструйной обработки для долговременной адгезии фторполимера при эксплуатации в агрессивной среде, что скажется на периодичности дорогостоящей антикоррозионной обработки стальных конструкций. Помимо этого, многокомпонентность состава увеличивает трудозатраты и себестоимость пленочного покрытия.
Известно многофункциональное защитное покрытие [пат. РФ № 2619687, опубл. 17.05.2017], формируемое путем нанесения на металлическую подложку лакокрасочного материала (ЛКМ) и наноструктурированного политетрафторэтилена, полученного термодеструкцией фторопласта-4 с последующей конденсацией из газовой фазы. Наноструктурированный порошок ПТФЭ вводят непосредственно в лакокрасочный материал в виде дисперсии в ксилоле в количестве 1-40 масс.% от веса сухого ЛКМ, либо наносят путем натирания на поверхность после его отверждения.
К существенным недостаткам известного композиционного покрытия можно отнести длительность процесса его формирования в силу наличия подготовительной стадии диспергирования ПТФЭ и смешения с лакокрасочным покрытием. Помимо этого, ПТФЭ в составе ЛКМ может оказывать влияние на свойства пленки из-за низкой поверхностной энергии частиц фторполимера, что снизит износостойкость композиционного покрытия. С другой стороны, покрытие не имеет хорошую адгезию к металлической поверхности так как наносится на необработанную подложку. Это приведет к отслаиванию защитного слоя при эксплуатации в агрессивных условиях.
Для повышения значений твердости, износостойкости поверхности металлических изделий, а также адгезии к ним наносимых поверх покрытий используют микродуговое оксидирование детали. Из пат. РФ №2353716, опубл. 27.04.2009 известно защитное покрытие на изделиях из стали, эксплуатируемых в коррозионно-активных средах, в частности в морской воде. Покрытие является композиционным, первый слой на поверхности изделия получают плазменным электролитическим оксидированием сначала в анодном режиме при увеличении напряжения от 0 до 180-200 В со скоростью 0,2-0,3 В/с, затем в биполярном режиме при постоянном анодном напряжении 180-200 В и постоянной плотности катодной составляющей тока 0,5-1,0 А/см2, а второй слой получают обработкой оксидированной поверхности изделий нанесением высокодисперсного низкомолекулярного политетрафторэтилена натиранием с помощью аппликатора подходящей формы с наконечником из мягкого материала типа фетра и последующим нагреванием при 80-90°С в течение 50-70 мин.
Недостатком известного способа является то, что плазменное электролитическое оксидирование мало применимо для стали, а используется в основном при обработке вентильных металлов и их сплавов (например, Al, Mg, Ti). Плазменное электролитическое оксидирование не позволяет создать плотное гетерооксидное покрытие на стальной поверхности, что не даст сформировать антикоррозионное защитное покрытие, так как приведет в результате к отслаиванию композиционного покрытия и сократит время эксплуатации изделия.
Известно коррозионностойкое покрытие для металлических поверхностей [з. US №20030049485, опубл. 13.03.2003], включающее нанесенный термическим напылением металлический слой из сплава на основе никеля или нержавеющей стали толщиной по меньшей мере 0,125 мм, и полимерный слой, содержащий один или несколько полимеров поверх металлического слоя, толщиной около 0,5 мм. При этом полимер для внешнего слоя выбирают из группы, включающей в том числе фторполимеры, а именно политетрафторэтилен. Перед нанесением металлического слоя обрабатываемую поверхность для удаления масла, смазки и других загрязнений предварительно нагревают до температуры 371°С (700°F) - 482°С (900°F) и выдерживают в течение нескольких часов в зависимости от модели печи и массы поперечного сечения изделия. Для нанесения металлического слоя на обработанную подложку используют метод электродугового или плазменного напыления.
Основным недостатком известного изобретения является, прежде всего, общая энергозатратность процесса формирования покрытия и использование специального оборудования, что увеличивает себестоимость покрытия.
Холодное газодинамическое напыление (ХГН) используется для нанесения на металлическую поверхность толстых покрытий из различных веществ, в основном металлов или керамики. Это твердотельный метод обработки, при котором частицы микронного размера ускоряются (до сверхзвуковых скоростей) по направлению к подложке при температурах до 600 К. При разгоне до сверхзвуковых скоростей частицы приобретают высокую кинетическую энергию, и при столкновении с обрабатываемой поверхностью происходит деформация как частиц, так и подложки с образованием прочной химической и механической связи напыляемых частиц друг с другом и подложкой.
В машиностроении ХГН покрытия применяют для защиты поверхности детали или придания ей функциональных свойств. Метод ХГН позволяет наносить покрытия толщиной от 20 мкм, устраняя дефекты (каверны, сколы). Для защиты от атмосферной коррозии стальных деталей распространение получили цинковые покрытия, слои на основе алюминия. Для защиты изделий, эксплуатирующихся при более высоких температурах, используются никелевые покрытия. Технология нанесения покрытий методом ХГН эффективна для антикоррозионной защиты стальных деталей и позволяет наносить покрытия на сложнопрофильные элементы конструкций, а также на локальные участки поверхности с коррозионными поражениями. За счет обеспечения катодной электрохимической защиты стальных деталей ХГН-покрытия по антикоррозионным свойствам превосходят лакокрасочные покрытия. В антикоррозионных покрытиях, полученных методом газодинамического напыления используют порошки алюминия, цинка и сплавов на их основе, а для увеличения коррозионной стойкости полученного покрытия проводят термообработку в печи при температуре 480-500°С. Например, известно защитное покрытие от разрушения низкоуглеродистой стали под воздействием агрессивной среды из [пат. РФ №2542196, опубл. 20.02.2015]. Его формируют в две стадии. Предварительно на стальную основу наносят подложку. Для этого производят предварительный нагрев сжатого воздуха до температуры 400-500°C, подают его в сверхзвуковое сопло, формируют в нем высокоскоростной воздушный поток, вводят в этот поток порошковый материал из оксида алюминия и меди в соотношении 1:1 и наносят порошковое покрытие на стальную основу до формирования толщины слоя подложки 0,3-0,4 мм. Затем производят нанесение основного покрытия. Для этого предварительно нагревают сжатый воздух до температуры 400-500°C, подают его в сверхзвуковое сопло, формируют в нем высокоскоростной воздушный поток, вводят в этот поток порошковый материал из оксида алюминия и никеля в соотношении 1:1 и наносят порошковое покрытие толщиной 0,2-0,3 мм.
К основному недостатку можно отнести то, что поверхность покрытия имеет значительную шероховатость и рыхлость, что требует проведения дополнительных механической и безабразивной ультразвуковой финишных обработок перед эксплуатацией изделия, что увеличивает число технологических операций и себестоимость покрытия.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (износостойкости и эксплуатационным свойствам) является защитное покрытие на стали, сформированное методом холодного газодинамического напыления в сочетании с обработкой ультрадисперсным политетрафторэтиленом (УПТФЭ) [Номеровский А.Д., Гнеденков А.С., Цветников А.К., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. «Формирование и исследование защитных покрытий на стали методом холодного газодинамического напыления»// Материалы региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по естественным наукам, Владивосток, 15-30 апреля 2022 г., с. 440-441]. В данной работе на образцах из стали Ст3 с использованием метода холодного газодинамического напыления медно-цинковой смеси, с последующей термической обработкой образца при температуре 500°C и фрикционным нанесением УПТФЭ были получены покрытия с хорошей сплошностью, низкой концентрацией пор. Представленные потенциодинамические кривые указывают на повышение защитных свойств образца в результате формирования покрытия (плотность тока коррозии 0,5-0,8 мкА/см2).
Полученное покрытие характеризуется хорошей адгезией, но не обладает хорошей износостойкостью из-за недостаточности толщины адгезивного слоя в силу того, что при использовании метода холодного газодинамического напыления чистые порошки пластичных металлов, таких как медь и цинк, из-за недостаточной скорости частиц не проникают глубоко в поверхность стали. Это является существенным недостатком предложенного антикоррозионного покрытия на стали.
В основу заявляемого изобретения положена задача разработать покрытие на основе фторполимера, обеспечивающее антикоррозионные свойства сталей в процессе эксплуатации и характеризующееся высокой адгезией и износостойкостью. Так как для напыления металлов методом ХГН необходима более высокая кинетическая энергия частиц (скорость) в заявляемом изобретении предложено ввести в состав наносимого порошка меди и цинка твердые минеральные частицы корунда (Al2O3) с узким фракционным составом (размером 50-150 мкм) для более глубокого внедрения металлических частиц в слой стали при бомбардировке частицами корунда. Техническим результатом является формирование более шероховатого слоя на поверхности стали для лучшего сцепления с УПТФЭ, что увеличивает адгезию фторполимера и как следствие приводит к увеличению износостойкости всего антикоррозионного покрытия и длительности эксплуатации стальных конструкций.
Технический результат достигают композиционным фторполимерным покрытием на стали, состоящим из первого микроструктурированного шероховатого металлического слоя, включающего сталь, медь, цинк, корунд. Его формируют методом холодного газодинамического напыления порошка состава Cu - 38,3 масс.%, Zn - 28,6 масс.%, Al2O3 - 33,1 масс.%. Второй финишный слой состоит из УПТФЭ, который наносят фрикционным методом или методом ХГН.
Технический результат изобретения реализуется следующим способом. Для обеспечения однородности поверхности образцы конструкционной стали Ст3 механически обрабатывали на шлифовальном станке шлифовальной бумагой на основе карбида кремния с размером зерна абразива 100-250 мкм. Корундовый порошок с размером частиц 200-250 мкм использовали для очистки и струйно-абразивной подготовки поверхности стали перед нанесением металлического покрытия. Коммерчески доступный порошок состава медь-38,3 масс.%, цинк-28,6 масс.%, корунд-33,1 масс.% использовали для нанесения металлического покрытия, УПТФЭ имел размер частиц 1-2 мкм.
Первый слой покрытия формировали методом ХГН при помощи оборудования с соплом диаметром 5 мм, с использованием сжатого воздуха под давлением 5 атм, без предварительного нагрева. Расстояние от сопла до поверхности субстрата составляло ~4 см, сопло перемещали относительно подложки со скоростью ~1 см/с. В некоторых вариантах осуществления в муфельной печи при температуре 500°C проводили термическую обработку образцов. Второй слой УПТФЭ наносили методом ХГН или фрикционным методом с использованием пластиковой щетки с ПВХ-щетинами диаметром 200 мкм.
Толщину формируемых покрытий измеряли с помощью микрометра, массу наносимых покрытий - с помощью аналитических весов. Морфология поверхности образцов была изучена с использованием сканирующего электронного микроскопа EVO 40, оснащенного модулем для проведения элементного анализа методом энергодисперсионной спектроскопии. Электрохимические исследования методами потенциодинамической поляризации и электрохимической импедансной спектроскопии выполняли при комнатной температуре в трехэлектродной ячейке в 3,5% растворе NaCl. Площадь исследуемой поверхности составила 1 см2. Противоэлектродом служила платинированная ниобиевая сетка, электродом сравнения - хлоридсеребряный электрод (Ag/AgCl, потенциал относительно нормального водородного электрода +0,197°В). Перед проведением электрохимических измерений для стабилизации электродного потенциала образцы выдерживали в электролите 15 мин. Значение частоты при электрохимической импедансной спектроскопии изменяли в диапазоне от 100 кГц до 10 МГц с логарифмической разверткой 10 точек на декаду. Потенциодинамические измерения проводили при скорости развертки 1 мВ/с. Поляризацию образца осуществляли в анодном направлении в диапазоне потенциалов от Ес -0,2 В до Ес +0,7 В. В результате анализа полученных поляризационных кривых были установлены: потенциал коррозии, Ес, плотность тока коррозии, Ic, поляризационное сопротивление, RP, анодный, βа, и катодный, -βc, тафелевские углы наклонов кривой. Потенциодинамическую поляризацию проводили после снятия импедансного спектра для оценки способности покрытий к сохранению защитных свойств.
Трибологические свойства покрытий изучали на трибометре в режиме вращения со скоростью 50 мм/с и нормальной нагрузкой 15 Н. В качестве контртела использовали корундовый шар (α-Al2O3) диаметром 10 мм. Диаметр трека, образующегося при износе покрытия, равнялся 10 мм.
Для подтверждения изобретения на Фиг.1 приведены СЭМ-изображения поверхности образца стали после обработки методом ХГН и отжига при 500°С по примеру 1.
Пример 1
Методом холодного газодинамического напыления на предварительно подготовленную стальную подложку нанесли порошок Cu-Zn-Al2O3. Толщина покрытия составила около 30-40 мкм. ЭДС-анализ показал равномерное распределение меди и цинка как основных компонентов напыляемого материала в структуре покрытия и включения оксида алюминия. Затем провели термическую обработку образца при 500°С в течение 1 ч и нанесли УПТФЭ фрикционным методом. В результате после ХГН на покрытии сформировалась оксидная микроструктура в виде игольчатых кристаллитов. Формирование подобной структуры значительно увеличило шероховатость поверхности, что является важным преимуществом для дальнейшей функционализации покрытия УПТФЭ. Общая толщина покрытия составила 35-45 мкм. Устойчивость к коррозионным процессам характеризуется низким значением плотности тока коррозии Ic=8,5⋅10-7 А⋅см-2 и высоким значением модуля импеданса на низкой частоте |Z|f=0,1Гц=5,33⋅104 Ом⋅см2. Износ исследуемых образцов составил 9,0⋅10-5 мм3 Н-1 м-1.
Пример 2
Покрытие Cu-Zn-Al2O3 сформировали и термически обработали по примеру 1. УПТФЭ нанесли фрикционным методом, после чего образец нагрели до 350°С в течение 1 часа. Процедура позволила получить более гладкое покрытие с оплавленным УПТФЭ. Покрытие имело высокую стойкость к коррозии и установленные электрохимические характеристики: Ic=5,2⋅10-7 А⋅см-2; |Z|f=0,1Гц=8,49⋅104 Ом⋅см2. Значение износа образца с покрытием составило 2,1⋅10-4 мм3 Н-1 м-1.
Пример 3
Аналогичен примеру 1, с разницей в том, что нанесение УПТФЭ производилось на поверхность без предварительного отжига при 500°С. В результате обработки поверхности был получен образец SC-FF. Толщина покрытия составила 40-50 мкм; Ic=4,6⋅10-6 А⋅см-2; |Z|f=0,1Гц=4,25⋅104 Ом⋅см2; значение износа образца с покрытием 9,3⋅10-5 мм3 Н-1 м-1.
Пример 4.
Аналогичен примеру 3, с разницей в том, что УПТФЭ наносили методом ХГН в тех же условиях, что и медно-цинковый порошок с добавлением корунда. В результате обработки поверхности был получен образец с толщиной слоя 40-50 мкм; коррозионные характеристики составили: Ic=6,1⋅10-6 А⋅см-2; |Z|f=0,1Гц=8,13⋅103 Ом⋅см2; значение износа образца с покрытием 2,9⋅10-4 мм3 Н-1 м-1.
Claims (1)
- Композиционное фторполимерное покрытие на стали, состоящее из первого микроструктурированного шероховатого металлического слоя, включающего медь, цинк, корунд, сформированного методом холодного газодинамического напыления порошка состава Cu – 38,3 мас. %, Zn – 28,6 мас. %, Al2O3 – 33,1 мас. %, и второго финишного слоя ультрадисперсного политетрафторэтилена.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2812667C1 true RU2812667C1 (ru) | 2024-01-31 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2353716C1 (ru) * | 2007-10-24 | 2009-04-27 | Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (Институт химии ДВО РАН) | Способ получения защитных покрытий на стали |
| RU2542196C1 (ru) * | 2013-12-19 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Способ нанесения покрытия на стальную основу |
| RU2619687C1 (ru) * | 2015-11-26 | 2017-05-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Способ получения многофункциональных защитных покрытий |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2353716C1 (ru) * | 2007-10-24 | 2009-04-27 | Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (Институт химии ДВО РАН) | Способ получения защитных покрытий на стали |
| RU2542196C1 (ru) * | 2013-12-19 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Способ нанесения покрытия на стальную основу |
| RU2619687C1 (ru) * | 2015-11-26 | 2017-05-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Способ получения многофункциональных защитных покрытий |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Номеровский А.Д., Гнеденков А.С., Цветников А.К., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. "Формирование и исследование защитных покрытий на стали методом холодного газодинамического напыления"// Материалы региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по естественным наукам, Владивосток, 15-30 апреля 2022 г., с. 440-441. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mashtalyar et al. | Composite coatings formed on Ti by PEO and fluoropolymer treatment | |
| Dong et al. | Enhanced corrosion resistance of duplex coatings | |
| Xiang et al. | Effects of current density on microstructure and properties of plasma electrolytic oxidation ceramic coatings formed on 6063 aluminum alloy | |
| Ferreira et al. | Synthesis and characterization of polypyrrole/TiO2 composites on mild steel | |
| Parco et al. | Investigation of HVOF spraying on magnesium alloys | |
| Hamdy et al. | Intelligent self-healing corrosion resistant vanadia coating for AA2024 | |
| Mashtalyar et al. | Polymer-containing layers formed by PEO and spray-coating method | |
| Ürgen et al. | Characterization of molybdenum nitride coatings produced by arc-PVD technique | |
| Amiriafshar et al. | Fabrication and coating adhesion study of superhydrophobic stainless steel surfaces: The effect of substrate surface roughness | |
| Mindivan | Wear behavior of plasma and HVOF sprayed WC-12Co+ 6% ETFE coatings on AA2024-T6 aluminum alloy | |
| Ramanathan et al. | Comparative study on polyester epoxy powder coat and amide cured epoxy liquid paint over nano-zirconia treated mild steel | |
| Zhang et al. | Influence of processing time on the phase, microstructure and electrochemical properties of hopeite coating on stainless steel by chemical conversion method | |
| Sheu et al. | A comparison of the corrosion resistance and wear resistance behavior of Cr-C, Ni-P and Ni-B coatings electroplated on 4140 alloy steel | |
| Qin et al. | Corrosion and bio-tribological properties of Ti (CN) x hard coating on titanium alloy by the pulsed plasma electrolytic carbonitriding process | |
| RU2812667C1 (ru) | Композиционное фторполимерное покрытие на стали с металлическим адгезионным слоем | |
| CN101914743A (zh) | 一种镁合金表面处理方法 | |
| Lee et al. | Study on the characteristics of MAO/polymer/Ni three-layer composite film formed on AZ31 magnesium alloy | |
| Hosseini Rad et al. | Corrosion behavior and adhesion strength of PEO/Epoxy duplex coating applied on aluminum alloy | |
| Li et al. | A sandwich-like structure hybrid coating of cold galvanizing coating/polydopamine on hot-dip galvanized steel with enhanced adhesion and corrosion resistance | |
| Frenzel et al. | Polyelectrolytes to promote adhesive bonds of laser-structured aluminium | |
| Patel et al. | Corrosion behavior of Ti2N thin films in various corrosive environments | |
| RU2617088C1 (ru) | Способ получения антикоррозионного износостойкого покрытия на сплавах магния | |
| Yulin et al. | Effect of novel surface treatment on corrosion behavior and mechanical properties of a titanium alloy | |
| Bestetti et al. | Anodic oxidation and powder coating for corrosion protection of AM6oB magnesium alloys | |
| Mirabedini et al. | Adhesive strength of powder coated aluminium substrates |