Эпиламирование как способ улучшения характеристик инструмента

Качеству поверхности деталей и технологического инструмента всегда уделялось достаточное внимание по ряду причин. Большая часть инструмента, деталей машин и промышленных агрегатов функционируют в условиях повышенного трения, кавитации, значительных циклических и периодических нагрузок и подвержены воздействию коррозии, предельно низких и высоких температур, что способствует концентрации напряжений в поверхностных слоях металла, преждевременному износу и снижению эксплуатационных характеристик.

Качество и состояние поверхности деталей и инструмента напрямую определяет:

Количественные потери поверхностной энергии при перемещении в машинах и агрегатах.
Механические и эксплуатационные характеристики.
Внешний вид и технический дизайн.

Соответственно финишным этапом производства изготовления данной продукции должно является поверхностное упрочнение.

Существует множество методов увеличения прочности и сопротивления усталости поверхности, но лишь некоторые из них позволяют сохранить высокую пластичность, вязкость и трещиностойкость металла с увеличением надежности и долговечности. Наиболее эффективным методом физико-химического улучшения качества поверхности металлических и неметаллических тел является эпиламирование.

Технология эпиламирования основывается на использовании поверхностно-активных веществ во фторуглеродных легкоиспаряющихся растворителях. Такие растворы (эпиламы) наносятся на поверхность и после испарения образовывают тончащую пленку толщиной 4 ÷ 100 нм.

История изобретения

В узлах трения и сопряжения происходит повышенный износ контактных поверхностей и чтобы предотвратить преждевременную выработку деталей и рабочих поверхностей технологического инструмента прибегают к смазке. Но смазочная среда не всегда оказывается эффективной, она разогревается, приобретает свойства текучести и может выдавливаться из рабочей зоны. И в начале XX века были сделаны первые попытки применения эпиламов, но недостаточные методы контроля и незначительная термостойкость первых составов свели их на нет. И лишь к 70-м годам прошлого столетия производственники смогли по достоинству оценить эксплуатационные и экономические преимущества от внедрения пленок эпилам.

Но все равно данная продукция мировых производителей Японии (Стоп-Ойл), США (ФИЛМС, ПАРАЛЕН), Швейцарии (АРЕТОЛ, ФИКСАДРОП-Б) могли применяться лишь при температурах до + 200 ˚С.

В Советском Союзе разработкой высокоэффективных и термостойких композиций фторорганических соединений, способных обеспечить выполнение нескольких функций, в частности образовывать прочную защитную наноразмерную пленку и значительное улучшение поверхностных качеств металла, занимались представители отечественного военно-промышленного комплекса. Полученные учеными Ленинграда эпиламы на основе соединений с частичным и полным замещением атомов H в гидрофобных радикалах атомами F успешно выполняли поставленные технические задачи по повышению прочностных характеристик, кардинально уменьшали коэффициент трения и улучшали показатели поверхностной энергии, уровень гидрофобности, стойкость к истиранию, адгезионные, когезионные, адсорбционные и абсорбционные характеристики обработанной поверхности.

Отечественная разработка позволила использовать эпиламы в зоне работы высоких температур и стала активно применятся при производстве космических аппаратов; авторы проекта Н.А. Рябинин, Б.Н. Максимов и другие сотрудники ГИПХ были удостоены Государственной премии СССР.

Позже данные разработки были еще более усовершенствованы и созданы эпиламирующие составы на основе спиртовых и композиционных растворителей, что позволило значительно минимизировать толщину покрытия и расширить сферу их применения.

Эпиламы – специфика и эффективность

Нанесенные на поверхность эпиламы образуют наноразмерный молекулярный слой, связанный с поверхностью силой хемосорбции. Это означает, что полярная часть ПАВ адсорбируется с обработанной поверхностью, а молекулы фтора выстраивается антиполярно. Таким образом происходит замещение поверхностной энергии тела на поверхностную энергию гидрофобного радикала (фторПАВ).

Эпиламы после закрепления пленки на поверхности придают ей высокие гидрофобные свойства, отличную стойкость к истиранию и окислению, отменную химическую стабильность и термическую устойчивость вплоть до + 400 ˚С. Эпиламирующие составы обладают мультифункциональными свойствами, среди которых:

Высокая смазывающая способность.
Снижение поверхностной энергии и износа.
Возможность применения на металлах и неметаллах.
Существенное подавление газовыделение из покрытых материалов.
Стойкое сопротивление коррозионным процессам металлических тел.
Минимизация коэффициента трения и влияния радиоактивного излучения.
Предотвращение адгезионной реакции обработанных поверхностей с другими материалами.
Создание наноразмерного защитного слоя с полным сохранением первичных свойств внутренних слоев металла.

Эпиламы обладают отличной проникающей способностью, заполняют поры и микротрещины и замещают единичные атомы кислорода и водорода, аккумулирующие напряжения, и активно противостоят проникновению молекул воды.

Изменение энергетического потенциала поверхности обработанного тела и придание ей свойств гидрофобности в тоже время обуславливает улучшенную растекаемость жидкости по ней. Смазочные материалы ведут себя аналогично, они концентрируются в капли и удерживаются на границе поверхностного контакта обработанного эпиламом тела и сопряженного элемента. При вытеснении смазка мгновенно заполняет освободившийся объем, проникает в микроскопические трещины и за счет этого происходит существенное снижение износа.

Обработка изделий производится по очень простому алгоритму. Изначально подготавливаемая для обработки поверхность тщательно очищается и обезжиривается. Далее в зависимости от конфигурации и целевого назначения обрабатываемых изделий эпиламы могут наноситься посредством кисти, тампона или методом распыления и окунания. Для формирования более совершенной пленки рекомендуется проводить сушку при комнатной температуре в течение 8 часов и при температуре воздуха + 100 ÷150 ˚С не менее 60 минут.

Сфера применения

Каждая марка эпиламирующих составов также обладает своими доминирующими и специфическими технико-эксплуатационными свойствами. Наиболее востребованы на российском рынке смазочные композиции 6СФК-180-05, 6СФК-180-20, Эпилам-05, Эфрены, композиции ЗМП.
Продукты 6СФК-180-5 и 3МП-1 ÷ 3МП-3 практически в несколько раз снижают коэффициент трения, обладают повышенными показателями проникающей способности и отлично удерживают смазочные вещества. Они интенсивно используются для снижения физического износа рабочей поверхности инструмента и эффекта налипания обрабатываемых материалов и обработки:

Литейных и пресс-форм.
Изделий из алюминиевых сплавов.
Элементов прецизионных узлов трения в навигационных приборах.
Режущего, штамповочного, измерительного и технологического инструмента.

Практический опыт явно демонстрирует, что монтаж и фиксация крепежных болтов, обработанных 6СФК-180-5 и рассчитанных на установку с натягом, производиться на 15% быстрей, чем простановка болтов, покрытых адгезионной смазкой ППУ.

Марки ЗМП-4 ÷ 3МП-6 обладают повышенными свойствами гидрофобности и применяются для обработки печатных плат, защищают от атмосферной и химической коррозии и позволяют проводить пайку, наплавочные и ремонтные работы.

Улучшение характеристик абразивного инструмента

Для повышения качества абразивных видов инструмента также может применяться эпиламирование. В данном случае наиболее целесообразно использование композиции 6СФК-180-05, при этом эпилам является одним из используемых упрочняющих составов и наносится методом капиллярного импрегнирования. Он образует нанопленку, которая:

Отлично консервирует поверхность зерна.
Заполняет поры и микротрещины и тем самым прочно связывает зерна абразива.
Способствует снижению внутренних напряжений и улучшению технико-эксплуатационных свойств.

Использование эпилам в качестве импрегнатора позволяет надежно защитить абразивный инструмент от воздействия влаги, что в существенной мере снижает требования к условиям хранения и транспортировки данной продукции. Одновременно с этим глубокая проникающая способность эпилам способствует равномерной пропитке слоев абразива. Равномерная плотность и твердость рабочей абразивной поверхности, обработанного фторПАВ инструмента:

Положительно сказывается на качестве и чистоте обрабатываемых изделий.
Позволяет использовать вместо дорогостоящих керосино-масляных СОЖ водяные эмульсии.
Превосходно противостоит засорению и залипанию продуктами износа.

Обработка матриц и пуансонов

В процессе производства резинотехнических изделий необходимо обеспечить высокую чистоту рабочей поверхности пресс-форм и отличное отделение готового изделия от металлической поверхности. Длительная эксплуатация пресс-форм и применение штатных смазок и композита К-21 часто становятся причинами появления пор, краевых порывов, размерного отклонения в сечении, порывов и низкого качества поверхности РТИ.

Практические исследования продемонстрировали, что нанесение эпиламирующего состава 6СФК-180-05 на поверхность матриц и пуансонов по сравнению с типовым смазочным композитом К-12 обеспечивает:

98 % качественных РТИ.
Аналогичное количество запрессовок.
Безукоризненное отделение резины от металлической основы.
Высокоэффективное производство тонкостенных и сложных фигурных уплотнений.
Минимизацию использования силикона для промежуточной обработки пресс-форм.
Возможность многократного использования инструмента без профилактической полировки рабочих поверхностей.

Далее исследовалась проблема залипания резины типа ИРП-1287 к азотированным поверхностям пресс-форм. Опыты проводились в количестве 7 циклов на матрицах с химически упрочненным поверхностным слоем и с использованием 6СФК-180-05. В результате все РТИ отлично отделялись от пресс-формы и имели высокое качество. Лабораторные исследования подтверждают идентичность физико-механических и химических качеств полученных РТИ.

В этих опытах эпиламирующий состав наносился просто кистью в два слоя и без последующего отстоя, так как изготовление РТИ уже сопряжено с действием высоких температур.

Также проведены опыты с последующим нанесением поверх эпимала незначительного количества силикона и каждый раз также получали отличное отделение резинового манжета от металла пресс-формы.

Выше перечисленное в очередной раз подтверждает, что нанослой эпилама:

Химически инертен.
Изменяет поверхностную энергию.
Снижает молекулярное сцепление с резиновыми материалами.
Не влияет на параметрические и размерные величины изготавливаемых изделий.
Обеспечивает отличное отделение РТИ от конструктивных элементов пресс-форм любой конфигурации.
Может использоваться в качестве самостоятельного смазочно-защитного состава и обеспечивает отличную разделительную способность в сочетании с микроскопическим слоем силиконовых смазок.

Сочетание с инжиниринговыми технологиями

Технологии эпиламирования отлично компилируются с другими видами упрочняющей обработки деталей и всех видов инструмента.

Для повышения износостойкости инструмента первичное создание титановых и циркониевых покрытий может совмещаться с последующим эпиламированием. Сегодня такие технологии начинают внедряться в сферу упрочняющей обработки деталей машин, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенного трения, и металлоизделий, имеющих термохимический и гальванический слой покрытия.

В процессе магнито-импульсной обработки отличная проникающая способность фторсодержащих эпиламов, усиленная магнитоскрипцией, обуславливает глубокое проникновение фторПАВ в тело микротрещин и способствует кардинальному повышению прочностных и износостойких характеристик инструмента.

Обобщающие выводы

Технологическая эффективность и экономическая целесообразность применения эпиламов (ПАВ на основе фторорганических растворов) подтверждена многолетним успешным опытом внедрения в различные сферы производства и народного хозяйства.

Созданное с их помощью наноразмерное покрытие кардинальным образом изменяет динамику физико-химических процессов в поверхностных слоях, позитивно сказывает на улучшение технико-эксплуатационных и прочностных характеристиках инструмента и деталей. Преобразование поверхностной энергии обуславливает повышение адгезии, концентрирует технические жидкости и смазки в точке непосредственного контакта трущихся и сопрягающихся поверхностей, способствует улучшению антикоррозийной стойкости металлов и снижению коэффициента трения в 2 ÷10 раз.

Толщина эпиламного покрытия в несколько десятком нанометров превосходно дополняется химической инертностью, бесцветностью, легкостью применения и возможностью комбинации с другими видами технологической обработки. Эпиламы могут применяться при температурах до + 400˚С и стойко выдерживают внешнее усилие до 3500 Н/м2.

Пленки эпиламов могут состоять из одно-и нескольких монослоев и, главное, могут быть получены с незначительными материальными затратами. Однако использование эпиламы на протяжение длительного времени в военно-промышленном комплексом сделало их недостаточно широко известными в общепромышленной сфере, и на сегодняшний день достаточно мало квалифицированных рекомендаций по их применению. Появление новых методов контроля, расширение номенклатуры исследуемых характеристик повышают качество получаемых данных о преимуществах эпиламов. Ошеломительные результаты исследований на современном цифровом оборудовании выдвигают эпиламы на передовые позиции российских проектов по внедрению нанотехнологий.

Применение эпиламов практически не ограничено, они могут использоваться в области обработки режущего, металло- и деревоперерабатывающего и абразивного инструмента и технологических деталей, в сфере производства приборов учета и часов, в отраслях добычи, переработки и транспортировки углеводородных энергоносителей, а также в электронике, оптике, химии, микромеханике.