Влияние процесса изготовления полимерных покрытий на их структуру и адгезию




 

Физические, химические и механические свойства полимерных жаростойких покрытий и прочность сцепления с металлической подложкой, при изготовление армейского кейса, определяют их работоспособность и долговечность. Проведено большое разнообразие исследований влияния технологических факторов на структуру и прочность сцепления тонкослойных полимерных покрытий, нанесенных на внутреннюю поверхность металлических втулок центробежным способом.

В качестве модельного материала для изготовления жаростойких покрытий использован линейный полимер — первичная смола поликапролактама. Толщина покрытия исследовалась в пределах 0.2—1.0 мм. Прочность сцепления покрытия с металлической подложкой определяется методом нормального отрыва на разрывной машине, для чего литье проводится в специально изготовленной втулке с плунжерами. Структуру покрытия исследуют на микроскопе в проходящем поляризованном свете. Образцы в виде тонких срезов изготавливают на микротоме.

Толщину жаростойких покрытий по характеру и размерам сферолитов условно можно разделить на три зоны: граничная, средняя и поверхностная.

Первая зона — непосредственно прилегающая к поверхности контакта полимер-металлическая подложка. Для нее характерна специфическая надмолекулярная структура, на формирование которой оказывает влияние материал металлической подложки. Для поликапролактама, нанесенного на чугунную втулку, сферолиты образуют ориентированный слой в направлении от подложки. Высота этого слоя колеблется от 10 до 55 мкм и зависит от режимов литья. В средней зоне отмечается рост размеров сферолитов к центру. И, наконец, третья зона, прилегающая к поверхности покрытия: характеризуется незначительным уменьшением размеров сферолитов.

Образование мелкосферолитной структуры в первой зоне можно объяснить структурирующим и ориентирующим влиянием металлической подложки, величиной центробежного давления и интенсивностью охлаждения, которые зависят от частоты вращения втулки п и толщины слоя полимера.

Слой сферолитов, формирующийся на поверхности подложки, имеет четкие границы. Сферолиты плотно прилегают друг к другу. Это объясняется зарождением их на поверхности металла, ограничением роста как подложкой, так и соседними сферолитами.

С повышением температуры литья наблюдается линейный рост размеров сферолитов от 15 до 35 мкм и прочности сцепления.

При Т=220-250° С наблюдается адгезионный характер разрушения, т. е. по границе металл-полимер. С повышением Т выше 265° С происходит смешанное разрушение — как по слою полимера, так и по границе контакта.

Полученная зависимость структуры полимера и прочности сцепления с подложкой от температуры литья объясняется увеличением подвижности молекул полиамида с увеличением Т.

При этом достигаются условия полного адгезионного контакта жаростойких покрытий и металла за счет удаления с поверхности подложки адсорбированных газов и других веществ. Дальнейшее повышение температуры приводит к некоторым дополнительным эффектам физической и химической природы — появлению в зоне контакта полярных функциональных групп полимера, ориентации макромолекул, способствующих повышению адгезии.

Увеличение центробежного давления Рц, способствует повышению сил адгезии и снижению величины граничного слоя. Величина центробежного давления существенно влияет на прочность сцепления и структуру полимера в интервале до 10-12 кгс/см2. При дальнейшем увеличении Рп прочность сцепления и структура граничного слоя почти не изменяются, оставаясь постоянными величинами.

При малых давлениях прочность сцепления уменьшается до Рн=220 кгс/сма из-за незначительного заполнения расплавом полимера шероховатостей поверхности металла и возникновения, больших внутренних напряжений на границе контакта при увеличенных размерах надмолекулярных образований в граничном слое до высоты 50-60 мкм. Это подтверждается адгезионным характером разрушения контакта полимер-металл.

Увеличение прочности сцепления до Рн=270-280 кгс/см2 при Рц > 10-12 кгс/см2 достигается за счет уменьшения дефектов в структуре полимера и более полного заполнения шероховатости поверхности подложки расплавом. При этом мелко-сферолитная структура в поперечном сечении полимерного покрытия облегчает протекание процессов релаксации внутренних напряжений.

Толщина жаростойкого покрытия оказывает существенное влияние на его работоспособность за счет возникновения внутренних напряжений, которые при достижении определенных критических значений могут вызвать отслаивание покрытия от подложки в процессе старения.

С увеличением толщины полимерного покрытия с 0.2 до 1.0 мм происходит уменьшение величины прочности сцепления покрытия с подложкой от 280 до 240 кгс/см2, а также уменьшение величины граничного слоя полимера от 30 до 10 мкм. Такая зависимость может быть объяснена несколькими причинами. Главная из них — масштабный фактор. В толстых покрытиях, согласно теории прочности твердых тел, значительно меньшая прочность многих материалов по отношению к теоретической объясняется дефектностью реальных тел. С этих же позиций можно объяснить зависимость прочности сцепления полимерного покрытия с подложкой от толщины слоя покрытия. Другой причиной являются внутренние напряжения. Суммарный эффект действия напряжений, приводящий к ослаблению адгезионных связей, оказывается выше в более толстых покрытиях. Во втулках с толщиной покрытия 0,8-1,6 мм в процессе старения наблюдается частичное самопроизвольное отслаивание на краях образцов.

Проведенные исследования показали, что по величине граничного слоя при одинаковой толщине жаростойких покрытий можно качественно судить о прочности сцепления покрытия с металлической подложкой. Максимальная прочность сцепления покрытия с подложкой обеспечивается температурой литья в пределах 250-260° С и центробежным давлением выше 10-12 кгс/см2 при толщине покрытия <0.4 мм.