Защита металла методом гуммирования

Современное машиностроение пользуется необычайно широким спектром конструкционных материалов. В ход идёт всё — металлы и сплавы, дерево, пластик, резина, текстолит, асбестовое полотно и полиэтиленовая пленка. Новое тысячелетие также привнесло в промышленность уникальные композиты, в структуре которых совмещены металлические и неметаллические компоненты.

Но сборка узлов из разнородных по материальной составляющей детали — это уже прошлый век. Сегодня в теле одного-единственного изделия инженеры научились сочетать элементы разной природы, формируя в том числе многослойные конструкции. Ярким примером служит обрезинивание металла, называемое гуммированием.

Эта технология известна уже достаточно давно, но ей по-прежнему сложно составить конкуренцию. Функциональность, надежность, сравнительная простота реализации и экономичность — все эти показатели делают гуммирование одним из лидеров специальной обработки металла в машиностроении.

Основные понятия технологии

Обрезинивание металлических изделий подразумевает размещение на их поверхности толстого сплошного слоя эластичного материала, обладающего выраженными упругими свойствами и способного эффективно сопротивляться внешним воздействиям.

Гуммирование позволяет повысить стойкость металла в отношении:

• коррозии со стороны агрессивных сред (кислот, щелочей, солей);
• абразивного изнашивания (от постоянного соприкосновения с песком, горной породой, почвой);
• кавитации в бурлящей жидкости;
• фрикционного износа сопряженных подвижных тел.

Резина на контактирующих поверхностях также снижает риск искрообразования. Это особенно важно для машин, которым следует обеспечить определенный уровень взрыво- и пожаробезопасности.

При гуммировании используют резиновые смеси двух групп:

• мягкие — для покрытия деталей, подверженных ударным воздействиям, вибрации, перепадам температур;
• твердые (эбонитовые) — для изделий, работающих при постоянстве температур, под высокой силовой нагрузкой и с истиранием.

На глубоком уровне проектирования при оценке достижимых свойств готовой детали учитывают характеристики как металла основного тела, так и наносимого покрытия.

Обрезинивание применяют к разным материалам. Наиболее часто это распространено для машиностроительной продукции из:

• углеродистых и легированных сталей;
• чугунного литья;
• титана и сплавов на его основе.

Для гуммирования характерно получение прочного и целостного поверхностного слоя с толщиной, существенно превосходящей иные варианты покрытий — лакокрасочные (эмаль, лак), полимерные (например, УС и ВУС-изоляция на магистральных трубах), металлические (цинковое, никелевое, хромовое) и керамические. Стандартная толщина обрезинивания — 6 мм для защиты металла от коррозии и 9 мм для защиты от абразивного воздействия.

Технология гуммирования включает ряд последовательных этапов:

1. Подготовка поверхностей.
2. Нанесение специального клея.
3. Облицовка сырой резиновой смесью.
4. Вулканизация.
5. Термическая обработка для стабилизации структуры и достижения определенных свойств.
6. Испытание на прочность посадки и эластичность.

Вулканизация подразумевает нагрев материала до уровня +130...+200°С с определенной, строго регламентированной скоростью. В состав вносят вулканизирующие агенты, а после — производят контролируемое охлаждение. В результате получают целостную резиновую форму с нужными свойствами.

Вулканизация может проходить:

• под давлением острого пара;
• под давлением горячего воздуха;
• без давления в горячей воде или водном растворе;
• без давления в горячем воздухе;
• без давления при комнатной температуре с ультраускорителями.

Гуммирование — давно известная и хорошо изученная технология. Ее реализуют разными методами, но общая цель остается одной: получение непроницаемого сплошного слоя резины с высокой адгезией к поверхности детали. Этим гуммирование в существенной мере отличается от иных вариантов закрепления резиновой облицовки — например, болтами или накладками, как делают при размещении листового уплотнения на доменных клапанах.

Виды гуммирования

Обрезинивание металлических поверхностей можно условно разделить на две большие группы технологий:

1. Горячее гуммирование — с вулканизацией на высоких температурах.
2. Холодное гуммирование — с вулканизацией на низких температурах посредством инфракрасного излучения или ввода дополнительных реагентов.

Выбор между этими вариантами делают на основании свойств конкретной марки резиновой смеси, используемой для защиты металла. Кроме того, отказ от горячей технологии может быть связан с тем, что в отношении некоторых закаленных сталей при температуре +200°С может произойти отпуск, и сплав потеряет прочность, приобретенную при предшествующей закалке.

Также существует классификация методов гуммирования по способу нанесения сырой резины на заготовку:

• обкладкой — когда листовую резину нарезают фрагментами и укладывают по контуру детали в несколько слоев с промежуточным нанесением клея, после чего подают на вулканизацию, получая сплошное резиновое покрытие;
• обмазкой — с ручным нанесением полужидкой резины кистью;
• в пресс-формах под давлением — с загрузкой полости мелко порезанной резиной, которая при вулканизации заполнит зазор между стенками формы и деталью;
• окунанием — погружением заготовки в жидкую резину;
• напылением — покрытием поверхности мелкодисперсным резиновым составом, поданным через распылитель под высоким давлением;
• наливом — с заливкой внутренних поверхности детали жидкой резиной и последующим застыванием.

Решение о применении того или иного способа нанесения резинового слоя на поверхность принимают, оценивая в комплексе множество факторов: наличие необходимого оборудования, скорость реализации технологии и производительность, а также итоговую себестоимость и достигнутый экономический эффект.

Материалы для гуммирования

При обрезинивании металлических изделий используют материалы трех типов: непосредственно сами резиновые смеси, специальные технологические добавки к ним, а также клей, который обеспечивает как адгезию резины к поверхности заготовки, так и сцепление слоев обкладки между собой.

При гуммировании применяют резины:

• из натурального каучука — в общем случае;
• из изопренового каучука — с повышенной прочностью при хорошей эластичности, с возможностью работы при нагреве до +100°С;
• из бутадиеновых каучуков — с высокой гибкостью и эластичностью, низкой прочностью, сниженным коэффициентом трения и выраженной морозостойкостью;
• из бутадиен-стирольных каучуков — с высоким пределом прочности, сопротивлением истиранию, теплостойкостью вплоть до +120°С;
• из бутадиен-нитрильных каучуков — с повышенной прочностью, газонепроницаемостью, стойкостью к воздействию масел и бензина, теплостойкостью до +150°С;
• из хлоропренового каучука — с устойчивостью к абразивному изнашиванию и с низкой морозостойкостью;
• из этиленпропиленовых каучуков — высокопрочных и эластичных;
• из полиуретановых каучуков — с максимально достижимой у резин прочностью, с сопротивлением истиранию и раздиру, стойкостью к маслам, кислороду и озону;
• из термоэластопластов — не требующих вулканизации, но и не обладающих какими-то специфичными эксплуатационными свойствами.

Дополнительными ингредиентами резиновых смесей для гуммирования выступают:

• вулканизаты — активаторы и стабилизаторы процесса вулканизации;
• ускорители вулканизации — химические реагенты, повышающие скорость вулканизации;
• замедлители подвулканизации — повышают стойкость резины при хранении и дальнейшей термической обработке;
• наполнители — влияющие на изменение каких-то определенных свойств материала;
• модификаторы — для придания клейкости и улучшения адгезионных свойств;
• противостарители — для защиты резин от старения и последующего растрескивания, расслаивания, выкрашивания;
• пластификаторы — для улучшения технологических свойств и облегчения процесса гуммирования.

При обрезинивании поверхностей холодным методом, без вулканизации резины, основную нагрузку по креплению наружного слоя несет на себе специальный клей холодного отвержения. Это марки КР-5-8, 88-Н и 51-К-51.

Горячее гуммирование также требует применения клеевого состава, по характеристикам близкого непосредственно к самим резинам. Это клеи на основе натурального (термопрен, хемонит) и хлоропренового каучука (88-СА, 88-НП), бутадиен-нитрильного каучука (ВКР-7, ВКР-16), а также хлорированных каучуков (хемосил, хемлок). В зависимости от выбранной марки клея прочность соединительного слоя может превышать 6 МПа или 611 832 кгс на 1 квадратный метр.

Достаточно широкую практику приобрели клеи на основе изоциантов и их композиций. Посадка резиновой обкладки на такие составы обеспечивает прочность на отрыв от 6 до 8 МПа. Это марки «Лейконат» и «Десмодур R».

Чтобы подготовить металлическую поверхность под нанесение клея, ее тщательно обезжиривают. Для этого используют разнообразные растворители — бензол, этилацетат, сероуглерод, дихлорэтан и бензин.

Задачи и области применения в промышленности

Среди наиболее распространенных примеров гуммирования следует назвать:

• защита рабочих органов перемешивающего оборудования в химической и пищевой промышленности;
• антикоррозийная обработка внутренних поверхностей технологических емкостей и резервуаров под хранение агрессивных жидкостей;
• футеровка ванн металлургического травления;
• футеровка гальванических ванн;
• футеровка хранилища стоков водоподготовки;
• защита строительных конструкций, контактирующих с водой;
• защита крыльчаток насосного оборудования;
• гуммирование приводных валов;
• получение уплотнительных поверхностей на запорной арматуре;
• защита трубопроводов в химической, пищевой и нефтеперерабатывающей отраслях;
• предотвращение абразивного износа от контакта с растительной массой рабочих органов техники в сельском хозяйстве;
• восстановление изношенных деталей машин.

Большой интерес представляет практика гуммирования железнодорожных шпал. Обрезинивание по отношению к деревянной конструкции позволяет повысить влагостойкость, уменьшить вибрации от идущего состава и в существенной мере продлить срок службы шпал. Особенно выгодно использовать такие опоры для прокладки путей шахтного транспорта — где в подземных выработках из-за застоя воздуха и повышенной влажности деревянные шпалы гниют в десятки раз быстрей.

В горно-обогатительном производстве гуммирование применяют для защиты узлов коллективной флотации. Этот процесс подразумевает отделение ценных минералов от пустой породы путем создания сложного турбулентного движения в водовоздушной среде. Нанесение резинового слоя на рабочие поверхности позволяет повысить ресурс импеллеров с 3 до 24 месяцев, статоров — с 6 до 36 и даже 48 месяцев. Гуммирование также используют для изготовления роликов подающих конвейеров и внутренней футеровки барабанов шаровой мельницы. В последнем случае наблюдается повышение срока службы в 2-3 раза от исходных значений.

Обрезиненные подшипники скольжения еще в прошлом веке начали использовать для установки гребных винтов морского транспорта. Эти узлы работают в условиях, когда вода неизбежно вымывает из соединения любую смазку, что влечет за собой катастрофический износ металлических вкладышей. Скольжение на резиновых подшипниках, даже с учетом высоких нагрузок и большой частоты вращения, демонстрирует куда меньший износ за счет эластичности материала.

Этот же принцип использовали для проектирования опор скольжения в гидроэнергетике. Гидротурбины ставят на подшипники с гуммированными поверхностями, добиваясь тем самым показателей срока эксплуатации от 20 до 60 лет, в зависимости от мощности самой турбины.

В нефтегазовой промышленности гуммированные детали можно встретить в виде:

• поршней грязевых насосов;
• статоров винтовых забойных двигателей;
• подшипниковых узлов турбобуров.

На строительно-дорожной технике обрезинивание стальных поверхностей используют, чтобы снизить износ стали в результате постоянного контакта с абразивом — горной породой, грунтом, сыпучими материалами. Самые яркие примеры гуммирования:

• эластичная футеровка отвалов на грейдерах;
• навесные снегоуборочные устройства с резиновыми ножами;
• защита диска-разбрасывателя дорожной машины.

Как показала практика, монтаж защитных резиновых накладок без приклейки и вулканизации, всего лишь на прихватах и фиксирующем крепеже, не дает нужного стабильного результата: под влиянием эксплуатационных ударов и вибраций соединения ослабевают, а резина — деформируется и отстает от поверхности.

В автомобильной промышленности широко применяют такую технологию, как покрытие внутренних поверхностей кузова самосвала полиуретаном. Наружный резиновый слой эффективно сопротивляется ударам, истиранию, абразивному изнашиванию и смене температур. Гуммирование кузова полиуретаном повышает ресурс его использования в среднем в 3...5 раз. Это особенно актуально для техники, работающей на месторождениях полезных ископаемых, где без покрытия стальной кузов пришлось бы «латать» буквально каждые 4-5 месяцев.

Гуммирование деталей резиной стало обязательной процедурой при изготовлении ответственных узлов лопастных насосов, работающих с абразивными гидросмесями. В черной и цветной металлургии такую технику применяют для удаления шлака и окалины с поверхности металлопроката и литья, в теплоэнергетике — для работы систем шлакозолоудаления, в горной добыче — при гидравлической разработке месторождений, транспортировке вскрышных пород и угля. Для подобных насосов характерен катастрофический абразивный износ, поэтому быстроизнашиваемые части обязательно изолируют резиной.

Подготовка к гуммированию и контроль готовой продукции

Прочность сцепления резиновой облицовки с поверхностью металла в существенной степени зависит от качества подготовки посадочного места.

В этом случае нет столь высоких требований, как к нанесению металлизированных или керамических покрытий — деталь не нужно полировать, хонинговать или суперфинишировать до зеркального блеска. Но перед гуммированием поверхность следует привести к однородному состоянию микрорельефа, стабильному цвету и матовости.

Показатель шероховатости зависит от типа прорезиненного покрытия. В общем случае актуальны такие рекомендации:

• для обрезинивания толщиной до 3 мм — Ra 1,6...3,2 мкм;
• для обрезинивания толщиной 3...6 мм — Ra 3,2...6,3 мкм;
• для толстого обрезинивания свыше 6 мм — Ra 6,3...12,5 мкм.

Грубая шероховатость улучшает адгезию резины к металлу и смачивание поверхности клеем, но может привести к преждевременному разрушению покрытия, поскольку вершины микронеровностей будут работать как концентраторы напряжений.

Стандартная подготовка к гуммированию включает в себя такие этапы:

• пескоструйная или дробеструйная обработка поверхностей;
• промывка и тщательная очистка (нанесение клея на загрязненную деталь должно быть полностью исключено);
• сушка;
• обезжиривание.

Для мелких деталей пескоструй или дробеструй иногда заменяют такими технологиями доводки, как химическое или электрохимическое травление. С их помощью в металлургии удаляют остатки окалины или ржавчину с металла, а в машиностроении — «съедают» на микроуровне часть рельефа поверхности, достигая более низкой шероховатости.

Контроль качества готовых гуммировочных покрытий предусматривает:

• внешний осмотр (при необходимости — с использованием увеличительных приборов);
• простукивание деревянным или металлическим молотком, при котором может обнаруживаться отхождение резины от поверхности детали;
• проверку электродефектоскопией с целью обнаружения несплошностей в местах швов, межслойного вздутия, газовых пузырей.

Электродефектоскопию гуммировочного слоя производят двумя способами — электроискровым и электролитическим.

Сущность электроискрового метода оценки заключается в том, что к покрытию из материала-диэлектрика пускают электрический ток. В случае структурных нарушений целостности резины (проколы, микротрещины, пузыри) наблюдается искровой разряд.

При электролитическом методе к изделию также прикладывают ток с напряжением 9...12 В через увлажненный электролитом электрод. При наличии дефектов на контрольном приборе зажигается сигнальная лампочка.

Преимущества технологии гуммирования

1. Закрытие металлических поверхностей толстым слоем резины обеспечивает надежную защиту от коррозии по принципу простейшей барьерной изоляции. В этом случае для изготовления емкостей и деталей техники, работающей с агрессивными технологическими средами, можно использовать не кислотостойкую нержавейку или легированный чугун, а более простые и дешевые стали.
2. Гуммирование предохраняет металл основы от абразивного изнашивания. Эластичность резины компенсирует ее низкую прочность, и постоянное истирание с участием частиц абразива не оставляет на материале таких глубоких борозд и выкрашиваний, как на металлах и сплавах.
3. Обрезинивание позволяет демпфировать нагрузку в подвижных соединениях за счет упругих свойств поверхностного резинового слоя и добиться комплексного снижения шума при работе. Эти возможности уже используют в проектировании сложных узлов, испытывающих в том числе ударные и вибрационные воздействия.
4. Гуммировочное покрытие имеет выраженные диэлектрические свойства, что очень востребовано в производстве метизов для электротехники и промышленной электроники. Так можно без прикручивания изоляционных слоев винтами или шпильками на гайках обеспечить надежное отделение детали от электрического контакта с другим элементом.
5. Резиновые подшипники скольжения — эффективное и дешевое решение для механизмов, где невозможно удержать смазку на всё время работы. Сплошной и целостный слой резины в гнезде подшипника способен проработать в условиях постоянного силового фрикционного изнашивания куда дольше, чем баббит, чугун или бронза.

Заключение

Технология гуммирования металлических поверхностей давно уже стала классикой. Изделия, прошедшие подобную обработку, используются в самых различных отраслях промышленности — начиная от горной добычи и нефтегазодобычи и заканчивая химическим производством и прокладкой рельсовых путей.

Закрытие металла толстым слоем резины придает объекту принципиально новые свойства: надежную защиту от коррозии полной изоляцией от внешней среды, стойкость к абразивному и эрозионному изнашиванию, диэлектрические характеристики, способность демпфировать приложенную нагрузку и успешно выдерживать ударное воздействие. В сумме всё это делает способ обработки поверхностей обрезиниванием весьма востребованным, а в отдельных случаях — незаменимым.