Технологические процессы окрашивания, применяемые в автомобилестроении при изготовлении автомобилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Порошковая краска, автомобиль, камера напыления, камера полимеризации, терморадиационный нагрев, конвективный нагрев, шероховатость, фосфатирование, обезжиривание.

Проанализированы технологические процессы окрашивания, применяемые в автомобилестроении при изготовлении автомобилей и при ремонтном окрашивании в условиях станции технического обслуживания автомобилей.

Освещены методы, применяемые при окрашивании. Выбраны рациональные режимы окраски порошковыми красками и разработан технологический процесс подготовки поверхности ремонтируемой детали автомобиля под покраску порошковыми красками с применением терморадиационного нагрева.

Предложена технология ремонтного окрашивания с выбором рациональных параметров подготовки поверхности, напыления и отверждения порошкового лакокрасочного покрытия.

Решены вопросы техники безопасности и производственной санитарии и экологической безопасности.

Проведены сравнительные экономические расчеты эффективности проекта и определен экономический эффект от внедрения технологии ремонтного окрашивания деталей автомобилей порошковыми красками.



Оглавление

Введение

1. Обоснование проекта

1.1 Достоинства и недостатки порошкового окрашивания

1.2 Анализ видов и причин отказов лакокрасочного покрытия автомобилей

1.3 Цели и задачи проекта

2. Виды порошковых красок и их сравнительные характеристики

2.1 Обоснование применения порошковых красок

2.2 Методы окраски порошковыми красками

2.3 Порядок технологического процесса окрашивания кузовов автомобилей в условиях завода-изготовителя

2.4 Исследование влияния способа отверждения порошковой краски на адгезию

2.5 Исследование влияния подготовки поверхности в условиях ремонтного производства на качество покрытия из порошковых красок

3. Расчетно-конструкторская часть

3.1 Организация технологического процесса ремонтного окрашивания деталей автомобилей порошковыми красками в условиях СТОА

3.2 Разработка участка окраски деталей автомобилей порошковыми красками

3.3 Описание оборудования, применяемого при окраске порошковыми красками

4. Безопасность жизнедеятельности

4.1 Опасные и вредные факторы, возникающие при работе с порошковыми красками

4.2 Требования техники безопасности при работе с порошковыми красками

5. Экологическая безопасность

5.1 Экологические опасности воздействия на природу от использования порошковых красок

5.2 Средства защиты окружающей среды от вредных факторов

6. Экономическая часть

6.1 Допущения, принятые при расчете экономической эффективности

6.2 Расчет стоимости ремонтных материалов при окрашивании жидкими лакокрасочными материалами

6.3 Расчет стоимости ремонтных материалов при окрашивании порошковыми лакокрасочными материалами

Заключение

Список использованных источников



Введение

Современные легковые автомобили в России эксплуатируются в сложных условиях. Переменные температурные режимы, контакт с топливно-смазочными материалами, механическое воздействие, городской смог создают на поверхности автомобиля сложные по составу и высоко агрессивные по воздействию слои загрязнения. Длительное воздействие слоев загрязнения приводит к нарушению защитного лакокрасочного покрытия (ЛКП) кузова и деталей автомобиля, коррозии, старению и т.д. и в конечном итоге снижает надежность и долговечность работы автомобилей.

Повышенная коррозионная активность современной среды, усложнение конструкции и формы отдельных частей автомобилей увеличивает число зон с повышенной интенсивностью корродирования. Необходимо отметить, что долговечность и прочность старых моделей автомобилей достигалась в основном за счет использования в конструкции кузовных деталей стальных листов большой толщины. При современных объемах производства и дороговизне металла такой подход стал неэффективным и толщина стального листа современных автомобилей намного меньше по сравнению со старыми моделями. В связи с этим вопросы защиты от коррозии кузовных деталей автомобилей приобретают большую актуальность.

Одним из способов защиты поверхностей деталей автомобилей от агрессивных факторов при изготовлении новых изделий и в ремонтном производстве является использование лакокрасочных покрытий.

Наиболее распространенная существующая технология окрашивания деталей автомобилей жидкими лакокрасочными материалами имеет ряд недостатков. При покраске жидкими ЛКП требуется применение органических растворителей и других огнеопасных и вредных веществ. Помимо этого коэффициент полезного использования жидких ЛКП составляет 40…60%, остальное уходит в отходы или в окружающую атмосферу.

Учитывая указанные недостатки жидких органорастворимых лакокрасочных материалов, специалисты проводят поиск и разработку новых покрытий более выгодных в экологическом, экономическом и техническом планах

К новым прогрессивным видам лакокрасочных покрытий относятся покрытия, образуемые водорастворимыми эмалями и порошковыми красками [1].

Водорастворимые лакокрасочные материалы отличаются от традиционных органорастворимых лакокрасочных материалов применением в качестве растворителя воды, что обеспечивает улучшение их экологических характеристик. Однако водорастворимые лакокрасочные материалы, также как и органорастворимые, имеют низкий коэффициент использования материала в результате потерь на туманообразование и невозможность возврата использованного лакокрасочного материала в производственный процесс [2].

Новый вид лакокрасочных материалов - порошковых красок - появился на рубеже 60-70 годов XX века вследствие технического прогресса в области органических покрытий, связанный с решением экологических и экономических проблем. Порошковые лакокрасочные материалы - это многокомпонентные системы, состоящие из твердых частиц - пленкообразующей основы и разделяющей их среды - воздуха. Они могут быть непигментированными - лаками и пигментированными - красками

Покрытия на основе порошковых красок характеризуются высокой исходной адгезионной прочностью, химической стойкостью и хорошими физико-механическими свойствами. В настоящее время существует много примеров применения порошковых красок для окрашивания автомобилей, но в основном порошковые краски в автомобилестроении применяются на этапе изготовления новых автомобилей. В ремонтном окрашивании применение порошковых красок в настоящее время ограничено из-за сложности и дороговизны технологического оборудования, а также других причин ( повышенная температура отверждения, невозможность ремонтной колеровки).

Исследования показывают [1, 3] что применение порошковых красок при ремонтном окрашивании в качестве верхних покрывных покрытий возможно с упрощением технологии окрашивания и получением более качественного покрытия на деталях автомобилей по сравнению с традиционными жидкими лакокрасочными материалами.



1. Обоснование проекта

1.1 Достоинства и недостатки порошкового окрашивания

В настоящее время в современном мире достаточно остро стоят вопросы экологической безопасности атмосферы, водного пространства и почвы. Поэтому все промышленные технологии, которые обеспечивают минимальные вредные выбросы и минимальное влияние на экологию очень актуальны и востребованы. Порошковая технология окрашивания как раз и относится к таким современным промышленным технологиям, которые уменьшают вредные выбросы в атмосферу. Вследствие этого разработка и расширение сфер применения технологии окрашивания с применением порошковых красок очень актуальна и своевременна в настоящее время. Одной из новых сфер применения порошкового окрашивания является ремонтное окрашивание кузовов и деталей автомобилей. Это направление применения порошкового окрашивания актуально и требует изучения технологических процессов окрашивания с целью упрощения технологии окрашивания.

Преимущества применения порошкового окрашивания по сравнению с окрашиванием жидкими ЛКМ прежде всего заключаются в прочности, экономичности и экологичности покрытия. Порошковая окраска обеспечивает образование ударопрочного антикоррозионного покрытия, которое работает в температурном диапазоне от -60С до + 150С и обеспечивает надежную электроизоляцию. Резкие смены температур не влияют на качество защитного покрытия.

Укажем основные достоинства и недостатки порошкового окрашивания.

Экономические преимущества порошковой окраски

1. Минимальные потери материала при окраске. Коэффициент использования при первичном окрашивании достигает 95%.

2. Экономия за счет низкого процента отходов. Отходы краски собираются и повторно используются. Максимальные потери краски составляют 1-2%. Коэффициент использования краски в целом достигает до 98%.

3.Отсутствие растворителей не требует времени на их испарение, на технологических затрат на удаление паров. В целом это уменьшает технологическое время, а также снижает энергозатраты на 20…40%.

4.Готовность к использованию. Порошковые краски поставляются в виде смеси, готовой к использованию. Порошковым краскам не нужно разведение или подготовка.

Экологические преимущества порошковой окраски

1.Порошковая краска не содержит вредных летучих органических соединений.

2.При порошковой окраске снижается опасность возгорания. Исключение растворителей, а также других легковоспламеняющихся жидкостей позволяет резко снизить уровень пожароопасности.

3.При порошковой окраске улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

4.Концентрация летучих веществ, выделяющихся при полимеризации, никогда не достигает предельно допустимой нормы.

Основные преимущества порошковых покрытий по сравнению

с жидкими красками

1.Отличные декоративные и физико-химические свойства покрытий, недостижимые при применении жидких красок.

2.Более высокое качество покрытий и лучшие эксплуатационные свойства.

3.Покрытие изделий осуществляется без грунтовки поверхности.

4.Уменьшение количества слоев покрытий.

5.Не требуется особой подготовки краски и отсутствие контроля вязкости, так как порошковые краски поставляются в готовом к применению виде.

6.Потери при порошковой окраске составляют 1-2%, при окрашивании жидкими красками около 40-50%.

7.Порошковые краски не нуждаются в больших складских помещениях для хранения.

Недостатки порошкового окрашивания

1.Покраска порошковыми красками требует более сложного технологического оборудования.

2.Невозможность колеровки перед окраской. Коллер порошковой краски задается при ее изготовлении. Вопрос решается использованием большого количества оттенков и колеров в готовых красках. Это позволяет подобрать требуемый цвет и оттенок краски .

3.Невозможность устранения локальных дефектов покрытия, необходимо перекрашивать изделие полностью. Этот недостаток можно устранить применением локального нагрева ремонтируемого места (например, инфракрасными лампами).

4.Можно окрашивать изделие только из термостойких материалов.

1.2 Анализ видов и причин отказов лакокрасочного покрытия автомобилей

В процессе всего жизненного цикла автомобиля происходят изнашивание, старение и повреждения различных элементов конструкции автомобиля.

Все это в конечном итоге приводит к возникновению отказов.

Отказ - это событие, при котором изделие или элемент изделия полностью или частично утрачивает работоспособность вследствие возникновения неисправности [4].

Разрушение ЛКП автомобиля не приводит к отказу всего автомобиля, однако для самого покрытия - это отказ. Такой отказ приводит к разгерметизации покрытия тонколистовых панелей кузова автомобиля, что в конечном итоге приводит к появлению очагов коррозии и разрушению каркасов кузовов и кабин, а это в свою очередь может привести к отказу всего автомобиля. Таким образом, надежность ЛКП автомобиля вносит существенный вклад в обеспечении заданного уровня надежности всего автомобиля. Рассмотрим различные виды отказов ЛКП и причины их вызывающие (рис.1.1).

Старение

Лакокрасочное покрытие автомобиля под действием влаги, тепла и холода, солнечной радиации, кислорода атмосферы и других факторов претерпевает необратимые изменения, отражающиеся на физико-химических и механических свойствах покрытия, в конечном счете, приводящие к разрушению последнего. Такое изменение свойств покрытия называют старением [5]

Старение лакокрасочных пленок сводится к двум химическим процессам - деструкции (отрицательный процесс) и структурированию (положительный процесс).

Деструкция - процесс, ведущий к разрыву цепей макромолекул покрытия, уменьшению их размеров и снижению молекулярной массы. В зависимости от главного разрушающего фактора различают несколько видов деструкции ЛКП: окислительную (происходит под действием кислорода воздуха); гидролитическую (происходит под действием воды); термическую (происходит под действием тепла); фотохимическую (происходит под действием света). При комплексном воздействии разрушающих факторов резко усиливается процесс разрушения ЛКП.

Одновременно с деструкцией происходит структурирование, приводящее к увеличению твердости пленки и уменьшению ее эластичности, происходит дальнейшая полимеризация покрытия. Так как деструкция происходит более интенсивно чем структурирование, поэтому с течением времени происходит разрушение покрытия.

Растрескивание

Растрескивание покрытия - это появление в толщине покрытия одиночных трещин или сетки трещин, вследствие чего к поверхности стального листа возможен доступ влаги и кислорода, что в свою очередь приводит к появлению очагов коррозии.

Растрескивание ЛКП происходит в результате теплового воздействия из-за различия коэффициентов теплового расширения пленки и окрашенного металла. Растрескивание может происходить вследствие механического разрушения под действием вибрации и ударов.

Механическое истирание

Механическое истирание ЛКП - это уменьшение толщины покрытия в процессе эксплуатации автомобиля. Механическое истирание ЛКП происходит под воздействие пыли, находящейся в атмосфере. При движении автомобиля атмосферная пыль действует как абразивный материал по отношению к ЛКП.

Выветривание

Выветривание - процесс отслоения ЛКП очагами из-за местного снижения адгезии ЛКП к подложке и уменьшения силы отрыва ЛКП от подложки.

Набухание слоя ЛКП

Так как ЛКП имеет микропоры на поверхности, то вследствие очаговой сорбции влаги, пыли, газообразных и жидких веществ внутрь слоя ЛКП происходит его набухание и затем разрушение по действием внутренних сил, возникающих от действия влаги и остальных ингридеентов.

Появление очагов коррозии

Появление очагов коррозии на и под ЛКП происходит из-за всех вышеназванных причин, а также из-за некачественной адгезии слоя ЛКП к подложке (окрашиваемому металлу).

На рис.2 приведено распределение основных видов отказов лакокрасочного покрытия автомобиля в процессе его жизненного цикла. Как видим, наибольшая часть разрушения ЛКП происходит в результате атмосферного воздействия, на втором месте - механические повреждения [5].

1.3 Цели и задачи проекта

Как было сказано выше, окрашивание автомобилей порошковыми красками улучшает экологию, обеспечивает защитное покрытие более высокого качества и с лучшими механическими характеристиками по сравнению с жидкими ЛКП. Однако применение порошкового окрашивания требует более сложного и дорогого технологического оборудования, если использовать традиционные технологические процессы окрашивания порошковыми красками. Применение такого оборудования на небольших станциях технического обслуживания автомобилей не может окупиться и поэтому невыгодно.

Требуется, исследуя новые известные технологические схемы процесса порошкового окрашивания [1, 3], предложить схему технологического процесса порошкового окрашивания автомобилей, которая не требует слишком дорогого технологического оборудования и возможна для применения в ремонтном окрашивании автомобилей непосредственно на СТО. При этом анализ литературы показывает, что этих целей можно достичь применяя:

а) Новые методы подготовки поверхности перед окраской в части шероховатости поверхности и материалов по обезжириванию поверхности;

б) Использование для полимеризации покрытия местного нагрева с помощью инфракрасных ламп.



2. Виды порошковых красок и их сравнительные характеристики

Все промышленные порошковые краски - полидисперсные системы в которых в качестве дисперсионной среды выступает воздух, а не растворитель или вода, как это имеет место в жидких ЛКМ и делает их технически, экологически и экономически выгодными в применении.

Порошковые краски имеют, как правило, большой разброс по размеру частиц - 10…100 мкм при нанесении электростатическим распылением. Краски должны быть однородными по цвету и составу, сыпучими, не гигроскопичными.

Порошковые краски можно разделить на две группы: термопластичные и термореактивные.

Термопластичные краски образуют покрытия без химических превращений, в основном за счет сплавления частиц при нагревании с последующим затвердеванием расплавов при охлаждении. Получаемые их них пленки термопластичны и растворимы Их состав соответствует составу исходного материала.

Термореактивные краски формируют покрытие в результате сплавления частиц и протекания в расплавленном материале химических реакций. Покрытия из термореактивных красок необратимы, не плавки и не растворимы. Их химический состав обычно существенно отличается от состава исходных красок.

По объему производства термореактивные краски значительно превосходят термопластичные и составляют до 80% от общего объема выпуска порошковых лакокрасочных материалов [6]. Основными факторами, определяющими преимущественное развитие термореактивных порошковых красок являются: меньшая толщина эксплуатационноспособных покрытий и лучшее качество покрытий (адгезия, декоративные свойства, теплостойкость и т.д.).

Необходимо отметить, что общее у всех порошковых красок, то, что для

формирования из них защитного покрытия необходима операция полимеризации при повышенной температуре.

Классификация порошковых красок приведена на рис.2.1. Учитывая сложные условия эксплуатации автомобилей, для их окрашивания применяют в основном термореактивные порошковые краски, поэтому их свойства мы рассмотрим более подробно.

Термореактивные краски - материалы на основе олигомерных пленкообразователей. Продолжительность формирования из них покрытий определяется скоростью протекания химических реакций отверждения, т.е превра-щения олигомеров в трехмерное состояние. Качество получаемых покрытий зависит от глубины протекания реакций и степени их завершенности.

Основные достоинства и недостатки термореактивных порошковых лакокрасочных материалов представлены в таблице 2.1.

Наибольшее применение имеют эпоксидные, эпоксидно-полиэфирные и полиэфирные краски. В меньшей степени используют полиуретановые и полиакрилатные материалы по причине повышенной стоимости [1].

Существуют также краски фотохимического отверждения. Это новый быстро развивающийся класс порошковых материалов. Пленкообразователем в них служат ненасыщенные полиэфиры с температурой плавления 100…125С. Формирование из них покрытия осуществляется в две стадии: сначала порошковый состав, находящийся на поверхности, с помощью ИК излучения нагревается и сплавляется в монолитное покрытие, затем подвергается воздействию УФ лучей, которые вызывают отверждение покрытия. Отверждение осуществляется за счет реакции полимеризации, которая инициируется радикалами, образующимися при распаде фотоинициатора. Последний является составной частью порошковой композиции. Процесс протекает в течение нескольких минут. Источником УФ излучения служат ртутные лампы среднего давления. Данная технология используется для получения покрытий на пластмассах и других термочувствительных элементах [7].

Тип пленкообразователя	Достоинства	Недостатки
Эпоксидные	- легкая заряжаемость в электрическом поле; - высокая реакционная способность; - широкий интервал температур и относительно небольшое время отверждения; - высокая твердость покрытия; - хорошая стойкость к химикалям и растворителям; - высокая коррозионная стойкость	- низкая погодоустойчивость; - относительно невысокая температуростойкость; - склонность к пожелтению при отверждении.
Эпоксидно-полиэфирные	- хорошее растекание расплавов; - стабильность цвета при формировании и эксплуатации покрытий; - хорошие механические свойства; - повышенная атмосферостойкость по сравнению с эпоксидными покрытиями.	- пониженная адгезия и ее нестабильность в воде; - ограниченная химическая стойкость покрытий; - трудность получения матовых покрытий при низкотемпературном отверждении
Полиэфирные	- высокая атмосферостойкость; - светостойкость при нагревании и воздействии УФ лучей; - прозрачность и бесцветность непигментированных покрытий; - хорошие механические свойства.	- повышенная токсичность; - пониженная реакционная способность составов.
Полиуретановые	- очень хорошее растекание; - стабильность цвета при перегреве и воздействии УФ лучей; - высокая адгезия к разным субстратам; - хорошие механические свойства и атмосферостойкость	- повышенное газовыделение в результате улетучивания деблокирующего агента; - повышенные температуры отверждения.
Полиакрилатные	- отличные оптические свойства пленок; - превосходная атмосферостойкость; -хорошие механические свойства; - высокая химическая стойкость.	- плохая сочетаемость с другими порошковыми системами; - повышенная стоимость.

2.1 Обоснование применения порошковых красок

Ремонтное окрашивание автомобилей в настоящее время на станциях технического обслуживания в большинстве случаев производится жидкими лакокрасочными материалами (ЛКМ). Эти ЛКМ содержат органические растворители, другие огнеопасные и вредные для здоровья вещества, поэтому при работе с ними необходимо применять специальные меры предосторожности. Многие органические растворители относятся к легковоспламеняющимся и горючим жидкостям, пары которых образуют с воздухом взрывоопасные смеси. Также пары и аэрозоли применяемых растворителей токсичны. Замена жидких лакокрасочных материалов на порошковых краски, в этом случае, своевременна и целесообразна. Учитывая большое количество станций технического обслуживания, такой подход улучшит экологическую обстановку в регионе.

Внедряя порошковые лакокрасочные материалы специалисты преследуют цель не только снизить эмиссию летучих органических соединений, но и сократить объемы жидких и твердых отходов, образующихся при окраске автомобилей. По сравнению с традиционными лакокрасочными материалами порошковые краски обеспечивают практически безотходную технологию производства покрытий. Кроме этого, физико-механические свойства покрытий из порошковых красок превосходят по многим параметрам покрытия из жидких лакокрасочных материалов [8].

Применение порошковых красок позволяет повысить коэффициент использования с 25…65% для жидких красок до 97% для порошковых красок. Кроме этого, возможно снижение энергозатрат при производстве порошковых покрытий на 20…40% по сравнению с использованием традиционных жидких лакокрасочных материалов.

Сравнительные характеристики жидких и порошковых лакокрасочных материалов приведены в таблицах 2.2 и 2.3.

Сравнительная характеристика комплексных систем окраски автомобилей с очки зрения экологической безопасности Таблица 2.2.

Структура покрытия	Тип ЛКМ	Эмиссия летучих веществ, г/см2
	Грунтовка	Шпатлевка	Базисный слой	Отделочный слой
1	Электрофорезная	Органо-разбавляемая	Органо-разбавляемый	Органо-разбавляемый	76
2	Электрофорезная	Водо-разбавляемая	Водо-разбавляемый	Водо-разбавляемый	36
3	Электрофорезная	Водо-разбавляемая	Водо-разбавляемый	Водо-разбавляемый	27
4	Электрофорезная	Водо-разбавляемая	Водо-разбавляемый	Порошковый	20

Сравнительная характеристика ЛКМ для верхних отделочных слоев

Таблица 2.3.

Показатели	Тип ЛКМ
	Порошковый эпоксиакриловый	Акриломеламинный одноупаковочный	Акрилоуретановый двухупаковочный
Толщина слоя, мкм	60…80	40	40
Текучесть	0	1…2	0…1
Эластичность	0	0	0
Твердость	2	2	1
Устойчивость к воздействию:
- растворителей	4	3	0
- 10% Н2SO4 (при 90С)	0	5	0…1
- искусственного кислотного дождя	0	5	1
- масла и сажи (48 часов при 40С)	0	1	0



2.2 Методы окраски порошковыми красками

Существует несколько методов окраски деталей термореактивными порошковыми красками:

1.Электростатическое распыление.

2.Способ нанесения с помощью потока воздуха.

3.Нанесение покрытий в кипящем слое.

Электро- и трибостатическое напыление

При электростатическом распылении сухие порошковые частицы краски специально электризуются под воздействием внешнего электростатического поля образуемого в электростатическом распылителе или трением у трибостатического краскопульта. Окрашиваемая поверхность при этом электрически нейтральна и заземлена. Сухие заряженные частицы с помощью сжатого воздуха подаются на окрашиваемую поверхность и притягиваются к окрашиваемой поверхности. Попадая на окрашиваемую, порошковое покрытие сохраняет свой заряд, который удерживает ее на окрашиваемой поверхности. Окрашенная таким образом поверхность помещается в специальную печь, где под нагревом частицы расплавляются и полимеризуются, образуя единое покрытие и теряя заряд. Такой метод окраски порошковыми красками наиболее распространен (до 80% от общего количества применения порошкового окрашивания).

Электростатическое напыление

Популярность нанесения порошковой краски электростатическим напылением (рис. 2.2) обусловлена следующими факторами: высокая эффективность зарядки почти всех порошковых красок, высокая производительность при порошковом окрашивании больших поверхностей, относительно низкая чувствительность к влажности окружающего воздуха подходит для нанесения различных порошковых материалов со специальными эффектами (металлик, шагрень, муар и т.д.). Основное оборудование для порошковой окраски - электростатический пистолет-распылитель.

Наряду с достоинствами электростатическое напыление имеет ряд недостатков, которые обусловлены сильным электрическим полем между пистолетом-распылителем и деталью, которое может затруднить нанесение порошкового покрытия в углах и в местах глубоких выемок (рис. 2.3). Это явление носит название эффекта клетки Фарадея. Данный дефект является результатом воздействия электростатических и аэродинамических сил.

На показано, что при нанесении порошкового покрытия на участки, в которых действует эффект клетки Фарадея, электрическое поле, создаваемое распылителем, имеет максимальную напряженность по краям выемки. Силовые линии всегда идут к самой близкой заземленной точке и, скорее всего, концентрируется по краям выемки и выступающим участками, а не проникают дальше внутрь. Это сильное поле ускоряет оседание частик, образуя в этих местах порошковое покрытие слишком большой толщины.

Эффект клетки Фарадея наблюдается в тех случаях, когда наносят порошковую краску на металлоизделия сложной конфигурации, куда внешнее электрическое поле не проникает, поэтому нанесение ровного покрытия на детали затруднено и в некоторых случаях даже невозможно.

Кроме эффекта клетки Фарадея при нанесении порошковых красок в электрополе иногда встречается и другая проблема - неправильный выбор электростатических параметров распылителя и расстояния от распылителя до детали может вызвать обратную ионизацию и ухудшить качество полимерного порошкового покрытия.

Обратная ионизация вызывается излишним током свободных ионов от зарядных электродов распылителя. Когда свободные ионы попадают на покрытую порошковой краской поверхность детали, они прибавляют свой заряд к заряду, накопившемуся в слое порошка. На поверхности детали накапливается слишком большой заряд. В некоторых точках величина заряда превышается настолько, что в толще порошка проскакивают микро-искры, образующие кратеры на поверхности, что приводит к ухудшению качества покрытия и нарушению его функциональных свойств. Обратная ионизация также способствует образованию дефекта "апельсиновой корки", снижению эффективности работы распылителей и ограничению толщины получаемых покрытий.

Для уменьшения эффекта клетки Фарадея и обратной ионизации было разработано специальное оборудование, сокращающее количество ионов в ионизированном воздухе, когда заряженные частицы порошка притягиваются поверхностью. Свободные отрицательные ионы отводятся в сторону благодаря заземлению самого распылителя, что значительно снижает проявление вышеупомянутых негативных эффектов. Увеличив расстояние между распылителем и поверхностью детали, можно уменьшить ток пистолета распылителя и замедлить процесс обратной ионизации.

Трибостатическое напыление

В отличие от электростатического напыления, в данной системе нет генератора высокого напряжения для распылителя. Порошок заряжается в процессе трения (рис. 2.5). Главная задача в данном процессе - увеличение числа и силы столкновений между частицами порошка и заряжающими поверхностями пистолета распылителя.

Одним из лучших акцепторов в трибоэлектрическом ряду является политетрафторэтилен (тефлон), он обеспечивает хорошую зарядку большинства порошковых красок, имеет относительно высокую износоустойчивость и устойчив к налипанию частиц под действием ударов.

Трибостатическое напыление имеет ряд существенных преимуществ:

1.В распылителях с трибостатической зарядкой не создается ни сильного электрического поля, ни ионного тока, поэтому отсутствует эффект клетки Фарадея (рис. 2.6) и обратной ионизации. Заряженные частицы могут проникать в глубокие скрытые проемы и равномерно прокрашивать изделия сложной конфигурации.

2.Возможно нанесение нескольких слоев краски для получения толстых порошковых покрытий.

3. Распылители с использованием трибостатической зарядки конструктивно более надежны, чем пистолеты распылители с зарядкой в поле коронного разряда, поскольку они не имеют элементов, преобразующих высокое напряжение. За исключением провода заземления, эти распылители являются полностью механическими, чувствительными только к естественному износу.

Способ нанесения с помощью потока воздуха

Этот метод предусматривает, что порошковые частицы краски удерживаются во взвешенном состоянии с помощью потока воздуха. Окрашиваемая поверхность предварительно нагревается. Вступая в контакт с предварительно разогретой окрашиваемой поверхностью, эти частицы расплавляются и прилипают к окрашиваемой поверхности. При нанесении термореактивных порошковых красок таким способом требуется дополнительное нагревание для полимеризации покрытия.

Нанесение покрытий в кипящем слое

Сущность способа получения покрытий в кипящем слое заключается в том, что изделие, нагретое несколько выше температуры плавления порошкового материала, погружают в ванну, в которой этот материал находится в кипящем псевдосжиженном состоянии. Псевдосжижение обеспечивается, например, потоком воздуха идущего снизу вверх или вибрацией. Частицы порошковой краски, приходящие в контакт с изделием, плавятся, образуя на его поверхности равномерный слой. Последующее нагревание изделия вне ванны улучшает растекание расплава и его полимеризацию, а его охлаждение окончательно завершает процесс получения готового покрытия.

Модификация этого метода - это нанесение порошковых красок в электростатическом кипящем слое. В этом случае окрашиваемое изделие не нужно предварительно нагревать. Процесс окрашивания происходит следующим образом, к псевдосжиженному материалу посредством электродной сетки или специального игольчатого контура подводится высокое напряжение (знак "-"). Вторым заземленным электродом является окрашиваемое изделие. В результате ионной адсорбции частицы порошка приобретают электрический заряд и равномерно осаждаются на изделии. Такой способ покрытия целесообразно применять при больших объемах производства новых изделий.

В ремонтном окрашивании выгодно применять электростатический метод окрашивания изделий. Этот метод универсален, его можно применять как для изделий простой формы, так и сложной. Особенно важно, что метод электростатического окрашивания наиболее доступный и дешевый из всех известных методов окрашивания.

2.3 Порядок технологического процесса окрашивания кузовов автомобилей в условиях завода-изготовителя

Применение порошковых красок в автомобилестроении началось в условиях завода-изготовителя при окраске новых изделий. Учитывая, что окраска порошковыми красками предполагает более сложное технологическое оборудование, внедрение порошкового окрашивания в условиях многосерийного производства было экономически выгодно. Однако в начале было организована окраска только небольших деталей автомобилей (колесные диски, кронштейны, ручки и т.д.). По мере совершенствования технологического процесса порошкового окрашивания появились автоматизированные окрасочные линии и начали окрашиваться кузова и кабины автомобилей.

Японская фирма "Хонда" одной из первых внедрила процесс грунтования кузовов автомобилей порошковыми материалами. Такой же процесс позже на своих заводах внедрила фирма Fiat (Италия". Европейские автомобильные фирмы BMW и Mercedes-Benz внедрили применение порошковых красок для верхних прозрачных покрытий кузовов в первой половине 1990-х годов. Для окраски используются материалы крупнейших лакокрасочных компаний: BASF, PPG, Hoechst и др.

К настоящему времени порошковыми материалами компании BASF на заводах фирмы Mercedes-Benz окрашено свыше 400 000 автомобилей. По технологии нанесения верхних порошковых покрытий на автозаводах BMW ежедневно окрашивается более 1000 кузовов.

Как видим окрашивание порошковыми красками имеет достаточно широкое применение при изготовлении автомобилей. Их применение на этом этапе жизненного цикла автомобиля оправдано и экономически выгодно из-за больших объемов многосерийного производства с максимальной типизацией окрашиваемых деталей, даже при сложном технологическом оборудовании.

Ремонтное окрашивание требует особых подходов, особенно в сервисном обслуживании на станциях СТО и упрощения технологического процесса и оборудования.

Окрашивания деталей автомобилей жидкими красками на сегодняшний день остаются еще достаточно распространенным и при изготовлении автомобилей. Рассмотрим для сравнения типовые технологические процессы окрашивания автомобильных деталей в условиях завода-изготовителя при применении жидких лакокрасочных материалов и порошковых (рис.2.2).

Процесс окрашивания автомобилей жидкими ЛКМ при производстве, включает в себя следующие операции:

- мойка;

- обезжиривание;

- сушка;

- фосфатирование;

- ополаскивание;

- грунтование электроосаждением;

- промывание;

- сушка;

- окрашивание 1-й слой;

- сушка;

- окрашивание 2-й слой;

- сушка;

- контроль

Мойка

Изделие опускается в моечную ванну и с него смывается механическая грязь, потеки и т.д.

Обезжиривание и сушка

Изделие опускается в ванну и на него распыляют обезжиривающие растворы. После ополаскивания и сушки все следы жира и масел удалены с поверхности кузова.

Фосфатирование и ополаскивание

Изделие при фосфатировании погружают в ванну с раствором различных солей фосфора и выдерживают определенное время. В результате образуется защитный кристаллический слой металлофосфата. Это обеспечивает оптимальную грунтовку и коррозионную защиту. По окончании процесса фосфатирования изделие ополаскивают, чтобы смыть остатки фосфата с поверхности.

Грунтование электроосаждением, ополаскивание и сушка

Вслед за фосфатированием изделие грунтуется методом катафорезного грунтования. Изделие погружается в ванну с раствором электролита краски и подключают к "минусу" источника постоянного тока."Плюс" образуют аноды, которые располагаются по стенкам ванны. Положительно заряженные частицы краски в электрическом поле, под воздействием электрических сил осаждаются на отрицательно заряженном кузове. При таком грунтовании образуется слой краски толщиной до 20 мкм.

При ополаскивании удаляются остатки неприставшей краски и производится сушка загрунтованного изделия.

Окрашивание 1-й слой, сушка

Окрашивание первым слоем проводится краскопультами, возможно окрашивание электростатическим методом. После окрашивания происходит сушка в камере.

Окрашивание 2-й слой, сушка

Окрашивание вторым слоем проводится производится аналогично 1-му слою. После окрашивания происходит сушка в камере.

Процесс окрашивания автомобилей порошковыми ЛКМ при производстве, включает в себя следующие операции:

- мойка;

- обезжиривание;

- сушка;

- фосфатирование;

- ополаскивание;

- грунтование электроосаждением;

- промывание;

- отверждение;

- окрашивание 1-й слой;

- отверждение;

- окрашивание 2-й слой;

- отверждение;

- контроль

При окрашивании порошковыми ЛКМ процесс подготовки поверхности изделия в условиях изготовления аналогичен жидким ЛКМ, только при грунтовании применяется порошковая краска и процесс грунтования производится в электростатическом кипящем слое.

Второе отличие - это то, что после грунтования и окрашивания изделие не сушится а выдерживается под нагревом определенное время. которое необходимо для полимеризации (отверждения) покрывного слоя.

Необходимо отметить, что типовые заводские процессы окраски новых изделий подразумевают в основном химические методы подготовки поверхности изделия к окраске. При новом изделии нет необходимости механической подготовки поверхности изделия к окрашиванию. В условиях ремонтного окрашивания тоже существует этап химической подготовки поверхности перед покраской, но технологические вопросы механической подготовки поверхности выходят на передний план и принимают первостепенное значение. Поэтому необходим тщательный анализ методов подготовки ремонтируемой поверхности перед покраской и их грамотной сочетание с этапом химической подготовки поверхности ремонтируемого изделия.

Учитывая, сказанное выше, можно отметить, что технологический процесс окрашивания порошковыми красками при ремонте в условиях сервисных предприятий будет значительно отличаться от заводского технологического процесса, путем упрощения одних операций и усложнения других, а также вводом новых (например, механической подготовки поверхности путем шлифования различными абразивами).

2.4 Исследование влияния способа отверждения порошковой краски на адгезию

Для разработки технологического процесса ремонтного окрашивания порошковыми красками необходимо исследовать влияние способа отверждения на адгезию покрытия к подложке. Такое теоретическое и экспериментальное исследование проведено в работе [1]. В этой работе исследовано два способа отверждения: конвективный нагрев в печи полимеризации и терморадиационный нагрев инфракрасными лампами ИКЗК.

Под адгезией лакокрасочных покрытий понимают явление, заключающееся в установлении связей между пленкой и подложкой, на которую она нанесена. Об адгезии судят по адгезионной прочности, т.е. о работе, которую нужно затратить на разрушение адгезионных связей.

Адгезия - важнейшее свойство лакокрасочных покрытий. От величины и стабильности адгезии существенно зависят многие свойства покрытий, в том числе долговечность и защитная способность в условиях эксплуатации [9].

Адгезия определялась в соответствии с ГОСТом 15140-58 "Материалы лакокрасочные, Методы определения адгезии" при помощи универсального прибора "Pig-Universal".

При проведении экспериментальных исследований использовались порошковые краски двух видов: эпокси-полиэфирная и полиэфирная. При проведении исследований подготовка поверхности проводилась традиционными методами.

Конвективный нагрев

Результаты экспериментальных исследований показывают, что при конвективном нагреве можно получить высшую степень адгезии (1 балл) при температуре нагрева 140С. Дальнейшее снижение температуры полимеризации резко уменьшает степень адгезии.

Терморадиационный нагрев

При применении терморадиационного нагрева исследовалось влияние на адгезию нескольких параметров: времени отверждения, температуры отверждения и расстояния между излучателем и отверждающей поверхностью

Как видим при длительности времени отверждения 60 мин получаем высшую степень адгезии.

При уменьшении расстояния между отверждаемой поверхностью и излучателем происходит увеличение интенсивности поглощаемого излучения, что повышает температуру нагрева подложки и повышает степень адгезии.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований показывают, что метод терморадиационного нагрева при отверждении порошкового напыления вполне работоспособен и позволяет получить результат по качеству адгезии не хуже классического конвективного нагрева. В то же время метод терморадиационного нагрева позволяет обеспечивать локальный нагрев ремонтируемой детали и отверждение порощкового покрытия в локальной зоне ремонта. Этот метод фактически не требует специальных нагревательных камер и позволяет производить локальный местный ремонт покрытия на больших по размеру кузовных деталях. Метод терморадиационного нагрева с помощью инфракрасных ламп намного дешевле, чем термоотверждение в специальной нагревательной камере. Это способствует возможности применения терморадиационного метода нагрева в небольших СТОА.

В работе [1] были проведены экспериментальные исследования по оптимизации процесса терморадиационного отверждения. В результате получены данные, позволяющие выбирать, для оптимального процесса терморадиационного отверждения необходимые параметры:

- время терморадиационного нагрева;

- толщина наносимого покрытия;

- расстояние между излучателем и отверждаемой поверхностью.

Оптимальные параметры терморадиационного отверждения приведены в таблице 2.4.

Оптимизация процесса терморадиационного отверждения порошковых красок

Таблица 2.4

Время терморадиационного нагрева, мин	Толщина наносимого покрытия, мкм	Расстояние между излучателем и отверждаемой поверхностью, мм
51	71	127,5
52	72	130
53	73	132,5
54	74	135
55	75	137,5
56	76	140
57	77	142,5
58	78	145
59	79	147,5
60	80	150

2.5 Исследование влияния подготовки поверхности в условиях ремонтного производства на качество покрытия из порошковых красок

Подготовка поверхности детали автомобиля к покраске в условиях сервисных предприятий

При проведении ремонтного окрашивания автомобилей в условиях сервисных предприятий возникает необходимость окрашивания новых деталей, а также окрашенных деталей с повреждениями, бывшими в употреблении.

В условиях сервисных предприятий при использовании порошковых красок большое значение, если не главное, имеет качественная подготовки окрашиваемой (ремонтируемой) поверхности детали перед нанесением нового покрытия.

Как правило, новые кузовные детали, используемые при ремонте автомобилей, первоначально покрыты катафорезным грунтом, а в некоторых случаях транспортным покрытием, исключающим коррозию детали.

В процессе транспортирования, а также хранения новых кузовных деталей на складах, они покрываются различными видами загрязнений, в большинстве своем пылью. Поэтому, первоначальной операцией технологического процесса подготовки поверхности к окрашиванию является удаление загрязнений с поверхности детали (мойка и обезжиривание)

Первая операция технологического процесса подготовки поверхности к окраске - мойка и сушка (новые детали зачастую не требуют мойки).

Вторая операция - обезжиривание. В настоящее время, наиболее распространенный способ обезжиривания предполагает использование двух специальных салфеток. Одну из салфеток необходимо пропитать составом для обезжиривания и этой салфеткой протереть поверхность, подлежащую обезжириванию и, не дожидаясь высыхания, протереть насухо, собрав все загрязнения второй салфеткой. При необходимости повторить процесс [1].

Третья операция - шлифование поверхности подлежащей окрашиванию. Новые детали, покрытые грунтом шлифуются для создания на грунте необходимой шероховатости для последующего нанесения ЛКМ. Если новая деталь покрыта транспортным покрытием его удаляют с помощью сухого шлифования полностью и затем очищают поверхность обдувом воздухом и обработкой пылеудаляющей салфеткой.

Детали, имеющие повреждения, шлифуют всухую до металла для зачистки неровных участков под шпатлевку. Риски, оставленные на металле, обеспечивают лучшую адгезию и полностью заполняются шпатлевочной массой. После сухого шлифования поверхность вновь обезжиривают способом двух салфеток.

Качественная очистка обрабатываемой поверхности является главной стадией подготовки поверхности перед нанесением на неё различных антикоррозионных и декоративных покрытий. От операции подготовки поверхности и качества её очистки зависит степень адгезии наносимого на поверхность покрытия и его долговечность. Даже самые лучшие методы нанесения защитных покрытий по своему действию никогда не превосходят значение качества предварительной обработки [10].

При шлифовании лакокрасочных покрытий в условиях сервисных предприятий необходимо учитывать, что данная операция преимущественно применяется для создания на окрашиваемой поверхности необходимой шероховатости, обеспечивающей сцепляемость лакокрасочных материалов с поверхностью. Именно поэтому важное значение, приобретает первичная риска, её глубина и особенно - форма. От неё зависит, насколько хорошо наносимый материал сцепится с подложкой, ведь она способствует улучшению механической адгезии, увеличивая площадь соприкосновения этого материала с поверхностью [11].

Влияние различных химических препаратов на адгезию порошковых ЛКП

В работе [3] экспериментально исследована эффективность применения различных химических препаратов в условиях ремонтного окрашивания, для удобного варианта химической подготовки поверхности (обезжиривания и фосфатирования).

Для исследования влияния химических препаратов были использованы четыре препарата - Du Pont 3920S, Du Pont 3911W, Ferrofos 7766, Henkel.

Препарат Du Pont 3920S применяется для обезжиривания поверхности деталей автомобилей при ремонтном окрашивании. Данный препарат может использоваться как перед нанесением финишных слоев органорастворимых покрытий, так и при нанесении промежуточных. Препарат Du Pont 3920S представляет собой композицию на основе алифатических растворителей.

Препарат Du Pont 3911W применяется для обезжиривания поверхности деталей автомобилей при ремонтном окрашивании. Однако препарат Du Pont 3911W представляет собой композицию растворителей на основе воды и спирта.

Препарат Ferrofos 7766 позволяет при обработке поверхности провести сразу две технологические операции - обезжиривание и фосфатирование, что удобно. При применении он образует фосфатные слои от серых до темно-синих тонов, обладающие хорошими пассивирующими свойствами и являющиеся хорошим подслоем для всех органических покрытий..

Препарат Henkel - обезжириватель.

При исследовании определялась степень адгезии покрытия к подложке и усилие отрыва ЛКП от подложки.

Адгезия определялась в соответствии с ГОСТом 15140-78 "Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии"

Результаты эксперимента приведены на рис.2.6. Исследования показали, что при применении различных химических препаратов для подготовки поверхности лучший результат показал препарат Ferrofos 7766. Применение этого препарата позволяет получить максимальное усилие до 500 Н, что в 3 раза больше, чем для препарата Henkel.

Необходимо отметить, что степень адгезии при применении всех препаратов одинакова в соответствии с ГОСТом и является максимальной, изменяется только усилие отрыва ЛКП.

Таким образом, целесообразно применение для химической обработки ремонтной поверхности детали перед окрашиванием препарата Ferrofos 7766. Это позволяет получить наилучшее качество поверхности и уменьшить трудоемкость процесса.

Влияние параметра шероховатости поверхности подложки на адгезию порошкового ЛКП

В работе [3] экспериментально исследован выбор оптимального процесса создания шероховатой поверхности под окраску порошковыми красками в условиях ремонтного окрашивания.

Основным критерием, характеризующим качество процесса шлифования поверхности, является глубина риски. Она измеряется в микрометрах и показывает отклонение профиля поверхности от идеального.

При обработке с помощью шлифовального материала глубина риски зависит от размера зерен и плотности его размещения. Не меньшую ответственность за глубину рисок несет ход эксцентрика шлифовальной машины.

Разные формы риска приобретает потому, что абразив на различных поверхностях оставляет за собой различные следы - их и должны заполнить наносимые материалы. Причем заполнить полностью, не оставляя полостей при соприкосновении с подложкой.

Для оптимизации этого процесса разработана градация абразивных материалов Р40, Р60, Р80 и т. д. - для каждого материала (и, соответственно, для каждой операции) свой абразив. Только так можно создать корректную риску, в которую проникнет именно предназначенный для этого вид лакокрасочного материала [1].

Шероховатость твердой поверхности характеризуется ее микрорельефом, который обычно представляет сложное хаотическое чередование разнообразных выступов и впадин. Величина шероховатости поверхности сильно влияет на смачивание поверхности лакокрасочным материалом, а от этого в свою очередь зависит степень адгезии ЛКП к подложке. На рис. 2.7 показаны результаты исследования влияния величины шероховатости на усилие отрыва ЛКП. Максимальное усилие отрыва ЛКП достигается при величине шероховатости Ra = 1,1 мкм.

Совместимость жидких ЛКМ с порошковыми ЛКМ

В работе [1] было проведено исследование совместимости порошковых красок с жидкими ЛКМ. В качестве жидкого ЛКМ применялся грунт ГФ-021, а верхний слой покрытия - это порошковая краска. Начиная с температуры отверждения 140С и выше степень адгезии комбинированного покрытия получается наивысшая в соответствии с ГОСТом. Результаты исследования степени адгезии комбинированного покрытия приведены на рис. 2.8.