Ремонт металлических деталей полимерными материалами

6.2.12.1. Полимерные материалы

Эффективное использование физико-механических и химических свойств по­лимерных материалов позволяет значительно снизить трудоемкость ремонта ав­томобиля, что обусловлено следующими особенностями их использования:-технологии с использованием полимерных материалов не требуют сложного оборудования и высокой квалификации работающих;при использовании полимерных материалов появляется возможность произво­дить ремонт без разборки узлов и агрегатов;использование полимерных материалов во многих случаях позволяет не толь­ко заменить сварку или наплавку, но и производить ремонт таких деталей, кото­рые другими известными способами отремонтировать невозможно или опасно с точки зрения безопасности труда;применение полимерных материалов позволяет восстанавливать детали ми­нуя сложные технологические процессы нанесения материала и его обработку.Наиболее широко при ремонте автомобилей используют анаэробные полиме­ры и композиционные материалы.

Анаэробные полимерные материалы представляют собой смеси жидкостей различной вязкости, способные длительное время оставаться в исходном состоянии без измене­ния свойств и быстро отвердевать с образованием прочного полимерного слоя в уз­ких зазорах между поверхностями при температурах 15…35 ^с С при условии прекраще­ния контакта с кислородом воздуха.Основой анаэробных составов являются способные к полимеризации соеди­нения акрилового ряда, чаще всего, диметакриловые эфиры полиалкиленгликолей. В анаэробный состав входят ингибирующие и инициирующие системы, обеспечивающие его длительное хранение и быстрое отверждение в зазорах, а также загустители, модификаторы, красители и другие добавки. Отечест­венная промышленность выпускает анаэробные полимерные материалы с разнообразными свойствами. Из зарубежных фирм ведущее место в разработке и производстве анаэробных материалов принадлежит фирме LOCTITE.По прочностным свойствам анаэробные полимерные материалы делятся на высоко-, средне- и низкопрочные. Анаэробные материалы после отверждения обладают высокой термической и химической стойкостью, обеспечивают работо­способность узлов и деталей при эксплуатации их в контакте с органическими растворителями и агрессивными средами в широком интервале температур и да­влений. Скорость отверждения и время достижения максимальной прочности со­единений зависит от температуры окружающей среды. При температуре ниже 15°С полимеризация замедляется. Благодаря высокой проникающей способно­сти анаэробные полимерные материалы плотно заполняют трещины, микроде­фекты сварных швов, зазоры.На скорость отверждения анаэробных полимеров влияет материал, контакти­рующий с полимером. По этому признаку материалы делятся на три группы: активные — ускоряющие отверждение полимера (сплавы меди, никель, малоуглеродистые стали);нормальные — не влияющие на скорость отверждения (железо, углеродистые стали, цинк);пассивные — замедляющие отверждение (высокоуглеродистые стали, алюми­ний, золото, титан и его сплавы, материалы с антикоррозионными покрытиями, пластмассовые изделия).

Композиционные полимерные материалы (холодная сварка) обычно классифицируются по виду армированного наполнителя или связующего. Наиболее распространены следу­ющие связующие: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды и смолы, силико­ны, алкиды, меламиды, полиамиды, фтороуглеродистые соединения, поликарбо­нат, акрилы, ацетали, полипропилен, полиэтилен и полистирол.Связующие делятся на термопласты (способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры) и реактопласты или термореактивные смолы (свя­зующие, в которых при нагревании происходят необратимые структурные и хи­мические превращения). В настоящее время для композиционных материалов больше используются термореактивные связующие.Эпоксидные смолы являются одним из лучших видов связующих для большого числа композиционных материалов, что объясняется следующими причинами:эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией к большинству наполнителей, армирующих компонентов и подложке; разнообразие доступных эпоксидных смол и отверждающих агентов позволя­ет получить после отверждения материалы с широким сочетанием свойств;в ходе химической реакции между эпоксидными смолами и отверждающими агентами не выделяются вода и вредные летучие вещества, а усадочные явления при отверждении в этом случае ниже, чем для фенольных или полиэфирных смол, отвержденные эпоксидные смолы обладают хорошей химической стойкостью к бензину, маслам, специальным жидкостям.К преимуществам композиционных материалов перед полимерными относят­ся: повышенные жесткость, прочность, теплостойкость, стабильность размеров; пониженные газо- и паропроницаемость; регулируемые электрические и фрикци­онные свойства; пониженная стоимость. Однако достичь всех этих свойств в од­ной композиции нельзя.Наименование «холодная сварка» по отношению к полимерным композицион­ным материалам обосновывается тем, что во многих случаях они позволяют не только заменить пайку, сварку или наплавку, но и производить восстанов­ление таких деталей, ремонт которых известными способами затруднен или невозможенМногие свойства полимерной композиции в значительной степени определяются свойствами матрицы. Для ремонтных целей наиболее подходят матрицы из эпоксид­ных олигомеров, которые являются основой многих композиционных материалов, как отечественных, так и зарубежных. В технической и научной литературе эпоксидными олигомерами называют эпоксидные смолы в неотвержденном состоянии. Для компо­зиционных материалов, применяемых при ремонте автомобилей, наиболее подходят эпоксидно-диановые смолы отечественного производства марок ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22 (табл. 6.4). Наибольшей вязкостью обладает смола ЭД-16, которую перед употребле­нием необходимо нагреть до температуры 60…80°С, смолы ЭД-20 и ЭД-22 пригодны для работы при комнатной температуре. Неотвержденные эпоксидные смолы легко рас­творяются во многих органических растворителях и имеют ограниченное применение.Эпоксидные смолы проявляют ценные физико-механические свойства в результате превращения под действием отвердителей в сетчатый полимер. Эпоксидные компози­ции обладают уникальным набором технологических свойств, а полимерные материалы на их основе отличаются таким сочетанием высоких прочностных, теплофизических, ди­электрических, адгезионных, влагозащитных и других показателей, какого не имеет ни одна группа высокомолекулярных соединений.

Характеристики эпоксидно-диановых смол

Основное достоинство технологии ремонта с использованием эпоксидных олигомерных композиций основано на возможности их отверждения при любых тем­пературах, начиная с отрицательных, и получения требуемой формы и размеров отвердевшей композиции. Это позволяет восстанавливать детали, минуя слож­ные технологические процессы нанесения и обработки материала.На основе матрицы из эпоксидных смол могут быть созданы универсальные материалы. Эпоксидные смолы в неотвержденном состоянии относятся к высо­комолекулярным соединениям с низкой степенью полимеризации, которые могут вступать в реакции полимеризации. Они содержат функциональные группы, обу­славливающие возможность образования полимеров с пространственной сетча­той структурой (реакция отверждения).Свойства отвержденной эпоксидной композиции во многом определяются ха­рактеристиками эпоксидной смолы, условиями и режимами протекания процесса их отвержденияОтверждение происходит в результате взаимодействия функциональных разно­типных групп или ненасыщенных связей с низкомолекулярными веществами, на­зываемыми отвердителями. Химическая природа и строение молекул отвердителя во многом определяют структуру сетки и оказывают влияние не только на техно­логические свойства исходных композиций, но и на эксплуатационные характери­стики полимеров. Самым распространенным отвердителем эпоксидных смол явля­ется полиэтиленполиамин, но отверждать эпоксидные смолы можно прак­тически любым карбофункциональным соединением или основанием Льюиса. Существующие отвердители можно разбить на четыре группы: аминные отвердители; ангидриды ди — и поликарбоновых кислот; олигомерные отвердители;катализаторы и ускорители отверждения эпоксидных смол. Однако для практического использования пригодна лишь малая доля соедине­ний, т.к. использование композиционных материалов при ремонте автомобилей требует отверждения эпоксидных композиций при комнатной температуре или при умеренном нагревании, а в случае необходимости и при отрицательных тем­пературах. Указанным требованиям отвечает подгруппа аминных отвердителей, в которую входят полиаминоалкилфенолы в виде технически чистых соедине­ний, технология получения которых освоена промышленностью. Отвержденные эпоксидные смолы в чистом виде обладают повышенной хруп­костью, плохо выдерживая удары и вибрации. Для повышения их эластичности в состав смол вводят пластификаторы. Сущность пластификации состоит в изме­нении вязкости полимерной композиции, увеличении гибкости молекул и подвиж­ности надмолекулярных структур. Пластификаторы уменьшают хрупкость, повы­шают морозостойкость и стойкость к резкому изменению температур отвержденных композиций. В ремонтном производстве в качестве пластификатора, в основ­ном, применяется дибутилфталат (ДБФ) — желтовато-маслянистая жидкость с небольшой молекулярной массой и достаточно высокой температурой кипения.Эпоксидные смолы не вступают в химическое взаимодействие с ДБФ и в про­цессе эксплуатации подвергаются быстрому старению. ДБФ является инертным разбавителем эпоксидной композиции. В процессе эксплуатации происходит вы­ход ДБФ из композиции, что снижает прочность сцепления и стойкость к удар­ным нагрузкам, одновременно снижается теплостойкость отвержденной компо­зиции, уменьшается прочность при изгибе, растяжении и сжатии, ухудшаются диэлектрические характеристики материала.К активным разбавителям, содержащим реакционноспособные группы, отно­сятся низковязкие эпоксидные смолы. Введение активных разбавителей в эпок­сидные смолы способствует снижению их начальной вязкости, удлинению жиз­неспособности и повышению эластичности отвержденных композиций.Пластификаторы можно вводить вручную, однако это может привести к нерав­номерному смешиванию с образованием большого количества пузырьков возду­ха. Поэтому целесообразно использовать готовые компаунды, в которые уже введены пластификаторы.В эпоксидный компаунд входит олигоэфиракрилат МГФ-9, представляющий собой эфир, полученный на основе метакриловой и фталевой кислот и триэтиленгликоля.В качестве пластификаторов эпоксидных смол также используют низкомоле­кулярные полиамидные смолы (Л-18, Л-19, Л-20), являющиеся одновременно отвердителями.Наполнитель может влиять на молекулярную структуру полимерной матрицы на сравнительно больших расстояниях от поверхности наполнителя, значительно пре­вышающих радиус действия межмолекулярных сил. Наполнители в виде металличе­ских порошков придают эпоксидным композициям свойства, присущие металлам: теплопроводность и электропроводность. Одновременно они сохраняют важные свойства полимеров: эластичность, адгезию к металлам, химическую стойкость. Кроме того, при определенных условиях полимеры, наполненные металлическим порошком, могут приобретать протекторные и ингибирующие свойства соответству­ющих металлов.Влияет наполнитель также и на процесс отверждения эпоксидной смолы, вступая в химические реакции с реакционноспособными группами эпоксидных отвердителей. Наполнители могут быть неорганическими и органическими, а также могут представлять из себя порошки различных металлов.В производственной практике ремонта автомобилей наибольшее распростра­нение получили многочисленные композиции на основе эпоксидных смол ЭД-20 и ЭД-16, где в качестве пластификатора используется дибутилфталат с отвердителем полиэтиленполиамином. Готовят композиционные материалы следующим образом. Для лучшего пере­мешивания эпоксидную смолу ЭД-16 разогревают до температуры 60…80°С и от­бирают в ванночку необходимое ее количество. В смолу добавляют небольшими порциями пластификатор (если он содержится в композиции) и перемешивают смесь в течение 5…8 мин. Затем также вводят наполнитель и перемешивают в течение 8…10 мин. Такой состав можно хранить длительное время.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.Среди зарубежных компаний, занимающихся разработкой, производством и внедрением композиционных материалов, наиболее известными являются фир­мы Multi Metall, Durmetall и LOCTITE.

6.2.12.2. Ремонт кузовных деталей полимерными материалами

Ремонт кузова. Полимерные материалы при ремонте применяются для следующих целей: заделки трещин и пробоин, антикоррозионной защиты, склеивания деталей и материалов, герметизации сварных, заклепочных соединений, устранения неровностей.

Важными этапами процесса нанесения полимерного материала являются очи­стка и подготовка ремонтируемой поверхности, что оказывает определяющее влияние на качество полимерного покрытия и на стабильность его прочностных показателей. После очистки поверхности от загрязнений, перед нанесением полимерного покры­тия необходима специальная подготовка поверхности. Качеством проведения этой операции во многом определяется долговечность и стабильность прочностных показа­телей полимерного материала.Значительно облегчить процесс подготовки поверхности для нанесения поли­мерного покрытия можно, используя преобразователи или нейтрализаторы ржавчины, которые преобразуют продукты коррозии в более стабильные соеди­нения.

Затем производится грунтование и тщательная сушка. После этого наносят полимерный материал с ис­пользованием в необходимых случаях стеклоткани, которая формирует недостающие участки ремонтиру­емой поверхности и, армируя их, придает им прочность.

Желательны два-три слоя стеклотка­ни разного размера. Клееные латки де­лаются овальными — без острых углов, которые всегда являются концентраторами напряжения. Первым накладывается кусок стеклоткани наимень­ший — на нанесенный на обезжиренную поверхность слой смолы. Каждый последующий кусок стеклоткани должен быть большего, чем предыдущий, размера и тоже накладывается на очередной слой смолы. Главным при наклейке накладок является удаление из-под них воз­душных пузырей (валиком или торцеванием жесткой кистью). Для улучшения пропитки и облегчения формирования из стеклоткани сложных поверхностей ее иногда обжигают в пламени паяльной лампы или газо­вой горелки, а также замачивают в емкости со смолой до установки на место. В отличие от паяных или вваренных латок, латки на синтетических клеях ставят сразу с двух сторон: слой снару­жи, слой изнутри. Края за­делываемого отверстия на лицевой стороне панели дол­жны быть поднутрены так, чтобы армирующая ткань не выступала на наружную поверхность. Еще лучше армировать клееную латку мелкой металлической сет­кой. Возможно применение строительной синтетической мелкой сетки.

Ниже приведена технология устранение повреждений кузова с использованием стекломатериалов и клеев состоит в следующем.

Место повреждения, например, сквозное отверстие, тщательно обезжиривают и шлифуют таким образом, чтобы его края были скошены под тупым углом (рис. 6.113). После шлифовки удаляют абразивную пыль.

1 — опорная пластина; 2 — восстанавливаемая деталь; 3 — шуруп-саморез; 4 — шпатлевка; 5,6,7 — 1-й, 2-й и 3-й слои стеклоткани

В зависимости от толщины детали, под­лежащей восстановлению вырезают от одного до трех кусков стеклоткани, кото­рые после их пропитки полимерной смо­лой будут играть роль усилительных на­кладок. В соответствии с геометрией от­верстия, подготовленного для устранения, нижняя накладка должна иметь наименьшую площадь, а верхняя — наибольшую. Каждая накладка должна не только при­легать к нижерасположенному слою сте­клоткани, но и примыкать по всему пери­метру к скошенным кромкам отверстия. Смешивают в нужной пропорции синте­тическую смолу, предназначенную для последующего проклеивания стеклотка­ни, с отвердителем. Если температура ок­ружающего воздуха слишком высока (восстановление производится летом), те­кучесть смолы окажется слишком высо­кой, и при нанесении на вертикально рас­положенную поверхность она будет сте­кать, не успев отвердиться. Чтобы избе­жать этого, смолу следует сделать более густой, перемешав с измельченным стек­ловолокном.

Приготовленную смесь кистью наносят на восстанавливаемую поверхность, после чего укладывают первую усилительную накладку. Кисть окунают в смолу и тщательно промазы­вают стеклоткань, следя за тем, чтобы в по­крытии не оставалось воздушных пузырьков. При необходимости укладывают следующий слой стеклоткани и также прома­зывают его смолой. Подобную процедуру по­вторяют до тех пор, пока на лицевой поверх­ности не останется небольшое углубление. В заключение в течение определенного време­ни смолу сушат и отверждают. Процесс от­верждения может быть ускорен нагреванием поверхности инфракрасным нагревателем (температура не должна превышать 60° С).

После полного отверждения смолы на ли­цевую поверхность наносят слой шпатлев­ки — смесь основного компонента с соответ­ствующим отвердителем. Перемешивание компонентов шпатлевки должно быть очень тщательным. Чтобы визуально контролиро­вать качество перемешивания, используют отвердитель красного цвета, благодаря чему сгустки плохо распределенного отвердителя будут хорошо заметны на сером фоне основ­ного компонента шпатлевочной массы.

Толщина одного слоя шпатлевки не должна превышать 2 мм. Далее отверждают шпатлевку, шлифуют поверхность эксцентриковой машинкой и наносят следующий слой шпатлевки.

Если отверстие в поврежденной детали очень большое, возникает опасность, что первый (самый нижний) слой стеклоткани про­валится, прежде чем произойдет отвержде­ние смолы. Во избежание этого с обратной стороны восстанавливаемой детали закреп­ляют жесткий металлический лист, который по окончании восстановления удаляют.

Детали, изготовленные из стеклопластика, могут быть восстановлены способом замены поврежденной части так же, как и детали из обычного стального листа. Поврежденную деталь отделяют от кузова с помощью ко-роткоходной или вибрационной пилы, при­чем выбирают наиболее короткую линию реза. Пригонку новой детали осуществляют так же, как при восстановлении стального кузова. Концы обеих деталей, подлежащих соединению, шлифуют под таким углом, чтобы ширина отшлифованных кро­мок составила 20…30 мм. В результате обра­зуется такая же поверхность, как при устра­нении разрыва. Для повышения жесткости создаваемого соединения с обратной сторо­ны крепят усилительный металлический или пластмассовый элемент с нахлестом на ста­рую и новую детали, составляющим около 50 мм (рис. 6.114). Если соединяемые кромки имеют сложную конфигурацию, в качестве усилительного элемента применяют соответ­ствующий элемент, отрезанный от старой или новой детали кузова.

1 — отверстие диаметром 10 мм; 2 — оставшаяся часть детали; 3 — уси­лительный элемент; 4 — уголок; 5 — пластина

Точная пригонка новой детали обеспечивается благодаря усили­тельному элементу. Половину его общей дли­ны крепят с обратной стороны оставляемой детали кузова. Другая половина усилительного элемента временно остается свободной. Просверливают отверстия сквозь сохраняе­мую часть кузова и усилительный элемент и соединяют их шурупами-саморезами. Затем ими же соединяют свободный конец усили­тельного элемента с новой деталью, точно пригнанной к сохраняемой части кузова. Пос­ле выполнения пригонки усилительный эле­мент демонтируют. Поверхности взаимного прилегания усилительного элемента, сохраня­емой части кузова и новой детали очищают и обезжиривают. Смолу, выполняющую роль клея, смешивают с отвердителем, и смесь на­носят на подготовленные поверхности. Усили­вающий элемент шурупами-саморезами со­единяют с оставляемой частью кузова, а затем с новой деталью, тщательно соблюдая точ­ность пригонки кромок.

Как только новая деталь будет окончатель­но зафиксирована в должном положении, скошенные кромки заполняют смолой. При этом шурупы-саморезы оставляют незакры­тыми (после отверждения смолы их следует удалить). Восстанавливаемой поверхности придают шероховатость, а затем выравнива­ют ее полиэфирной шпатлевкой. Шпатлева­нию подлежат и отверстия под саморезы.

Для устранения неровностей в панелях кузова может применяться различные методы напыления полимеров: газопламенное напыление, теплолучевой метод напыления, струйно-электрофоретический метод напыления.

Газопламенное напыление легкоплавких термопластичных мате­риалов типа ПФН-12 или ТПФ-37 при помощи установки УПН-6-63.

При нанесении покрытия поверхность предварительно подогрева­ют без подачи полимерного материала до температуры 215 — 220 °С.

Отделом механики полимеров национальной академии наук Рес­публики Беларусь разработан теплолучевой метод напыления по­лимеров, который является более производительным по сравнению с газопламенным в 1,5… 1,8 раза. При этом расход порошка умень­шается на 25 … 30 %. Сущность метода состоит в том, что, струя по­рошкообразного полимера подается в мощный поток светотепловых лучей, где частицы материала плавятся и с большой скоростью на­носятся на покрываемую поверхность, образуя покрытие. Схема прибора для нанесения полимеров приведена на рис. 6.115. Наноси­мые теплолучевым методом покрытия имеют лучшие физико-меха­нические свойства и адгезию к подложке.

1 — аппарат для создания воздушно-порошковой смеси; 2 — шланг; 3 – рукоятканагревателя; 4 — щелевой распылитель; 5 — кварцевые лампы;6 — параболические отражатели

Струйно-электрофоретический способ напыления полимерно­го порошка (рис. 6.116) заключается в том, что заряженные частицы порошка под воздействием сил электростатического поля переме­щаются к противоположно заряженному изделию и осаждаются на поверхности ровным слоем.

1 — рабочая камера; 2 — фильтр; 3 — электродная сетка; 4 — сменные насадки; 5 -питательный бачок; 6 — пневматический вибратор; 7 — клапан для выпуска избы­точного газа; 8 — корпус пистолета-распылителя; 9 — пористая перегородка; 10 -высоковольтный генератор

Струйно-электростатический метод имеет следующие положи­тельные особенности:

1) покрытия имеют равномерную толщину и обладают хорошей сплошностью;

2) процесс нанесения покрытия регулируется автоматически, так как высокое электрическое сопротивление нанесенного слоя частиц заставляет силовые линии искать места с меньшим сопротивлением и направлять частицы полимера к более углубленным или еще не по­крытым участкам поверхности;

3) отсутствует потеря материала, а процесс нанесения покрытия практически безопасен.

После отверждения нанесенный слой термопластика зачищают пневматическим абразивным инструментом.

Контрольные вопросы к подразделу подразделу 6.2.12

1. Назовите виды полимерных материалов, применяемых при ремонте кузова.

2. Из чего состоит технология устранение повреждений кузова с использованием стекломатериалов и клеев?