Вал для нанесения краски с градиентом твердости для металлургических композитов

Когда слышишь про вал для нанесения краски с градиентом твердости, многие сразу думают о чём-то суперсовременном, почти лабораторном. Но на деле, если копнуть в металлургические композиты, всё упирается в старый добрый износ и адгезию. Градиент — это не просто модное слово, а часто вынужденная мера, когда один торец вала работает в агрессивной среде с абразивом, а середина должна держать форму под давлением, не продавливая композитную основу. Самый частый промах — пытаться сделать вал просто 'жёстким в сердцевине и мягким снаружи'. В реальности профиль твёрдости по радиусу — это кривая, и её расчёт часто идёт от обратного: от условий сушки и вязкости конкретной краски или связующего для композита.

Почему градиент, а не просто слои?

Раньше пробовали комбинированные решения: на стальной или алюминиевой оси напрессовывали или клеили кольца разной твёрдости. Скажем, для нанесения защитных покрытий на сталеалюминиевые композиты. Работало, но недолго. На стыках колец начиналось отслоение, появлялась полосатость на покрытии. Особенно критично при работе с тонкими плёнками или когда требуется микронная точность толщины слоя. Переход твёрдости должен быть плавным, иначе вал ведёт себя как пакет, а не как единое целое.

Тут и пришлось глубоко погрузиться в полиуретаны. Не все составы позволяют сформировать контролируемый градиент в одной отливке. Часто это вопрос не только рецептуры, но и технологии отверждения. Мы, например, долго сотрудничали с лабораторией ООО Шанхай Диби по производству резиновых и пластиковых изделий — их профиль как раз исследования и производство полиуретановых изделий полного спектра твёрдости. Для них наш запрос на вал с градиентом для металлургических композитов стал интересной прикладной задачей. На их сайте https://www.sh-dibi.ru видно, что они делят продукцию на серии: жёсткие валики (≥70 ед.), валики для нанесения покрытий (40–70 ед.) и резиновые для травления. Но наш случай оказался где-то между этими сериями, потребовав гибридного подхода.

Ключевым стало понимание, что градиент твёрдости — это не только о Shore D или A. Это о модуле упругости, который меняется по сечению. Вал для композитов, особенно с металлической матрицей, часто работает с суспензиями, где есть твёрдые частицы. Если внешний слой слишком мягкий, он быстро изнашивается и 'залипает'. Если слишком жёсткий — не обеспечивает равномерного прилегания к неровной поверхности заготовки. Идея в том, чтобы сердцевина (ближе к оси) гасила вибрации и держала геометрию, а внешний слой, имея чуть меньшую твёрдость, компенсировал микродефекты основы.

Опыт и косяки: от чертежа до первого образца

Первый заказ на такой вал пришёл с завода по производству теплообменных панелей из алюминиевого композита. Требовалось наносить термостойкое покрытие ровным слоем в 50-70 мкм. Конструкторы прислали чертёж с указанием: 'полиуретановый вал, твёрдость 65 Shore A в ядре, 55 Shore A на периферии'. Казалось бы, ясно. Но мы с коллегами засомневались: Shore A — для более мягких резин. Для полиуретана, который должен держать давление и не 'плыть' от растворителей в краске, чаще оперируют Shore D. Это была первая точка недопонимания с технологами.

Сделали образец по их цифрам. На испытаниях вал отлично наносил краску первые пару часов, а потом началась деформация — не критичная, но на микрометрах уже видно. Периферийный слой начал немного 'просаживаться', и градиент твёрдости фактически сдвинулся. Покрытие стало чуть толще по краям вала. Пришлось разбираться. Оказалось, что полиуретановая смесь для внешнего слоя была недостаточно стойкой к конкретному растворителю в составе краски. Твёрдость-то по Шору была 55, но после контакта с химией она падала до 45-48. А ядро оставалось 65. Возник резкий перепад свойств, которого изначально не планировали.

Этот провал, хоть и небольшой, заставил пересмотреть подход. Стали обязательно запрашивать не только паспорт твёрдости, но и данные о стойкости к конкретным химическим средам. И главное — условились проводить пробную обкатку вала на стенде с реальными материалами заказчика. Без этого любая спецификация на бумаге — лотерея.

Технологическая кухня: как это делается

Сейчас, после нескольких удачных и не очень проектов, вырисовывается более-менее отработанная схема. За основу берём полиуретановые композиции, которые позволяют варьировать твёрдость в процессе формовки. Часто это двух- или даже трёхкомпонентные системы. Заливка идёт в пресс-форму, установленную на центрифугу или с контролируемым температурным градиентом. Суть в том, что распределение наполнителей или скорость полимеризации по сечению заготовки разная. Это и даёт тот самый плавный переход.

Важный нюанс — армирование. Для валов большого диаметра, которые используются в прокатке или нанесении покрытий на широкие композитные листы, внутри часто есть стекловолоконная или полимерная оплётка. Она не даёт усадки и добавляет прочности на разрыв. Но здесь кроется подводный камень: если армирование слишком жёсткое, оно может 'заламывать' градиент твёрдости, создавая локальные жёсткие точки. Приходится очень точно рассчитывать толщину полиуретанового слоя между осью и внешним рабочим слоем.

После формовки идёт механическая обработка — токарная, шлифовка. И вот здесь часто проявляются внутренние напряжения материала. Бывало, что после проточки вал, который по замерам имел красивую плавную кривую твёрдости, вдруг показывал едва уловимую бочкообразность. Не критично, пару соток, но для высокоточного нанесения — уже брак. Пришлось ввести дополнительную стадию термостабилизации (отдыха) заготовки перед чистовой обработкой. Мелочь, но без которой не обойтись.

Специфика для металлургических композитов

Металлургические композиты — это не однородный материал. Это может быть сэндвич из алюминия и пластика, стальная сетка в полимерной матрице, или даже материалы с керамическими включениями. Поверхность часто неидеальная: есть рёбра жёсткости, микропоры, разные коэффициенты теплового расширения компонентов. Вал для нанесения краски здесь работает не только как аппликатор, но и как своеобразный 'утюг', который должен, не повреждая основу, обеспечить максимальный контакт краски с поверхностью.

В одном из проектов для нанесения антикоррозионного покрытия на композитные трубы (сталь + полимерная оболочка) потребовался вал с очень специфическим профилем градиента. Внутренняя часть (контакт с осью) — порядка 75 Shore D для стабильности, середина — 65 Shore D для демпфирования, а внешний рабочий слой — всего 50 Shore D, но с добавлением тефлона для снижения адгезии к липкой краске. Сделать такой — это высший пилотаж. Компания ООО Шанхай Диби по производству резиновых и пластиковых изделий, с её специализацией на полной серии полиуретановых изделий разной твёрдости, как раз помогла с подбором базовых полиуретановых систем для этого эксперимента. Их опыт в создании полиуретановых валиков для нанесения покрытий (вторая крупная серия по их же классификации) стал хорошей отправной точкой, хотя пришлось значительно модифицировать рецептуру.

Ещё один момент — температура. Некоторые краски или связующие для композитов наносятся в подогретом состоянии, или же сам процесс происходит в тёплом цеху. Полиуретан имеет температурный коэффициент расширения и может 'дубеть' или 'размягчаться' при нагреве. Градиент твёрдости, замеренный при 20°C, может 'сползти' при рабочих 40-50°C. Поэтому сейчас мы всегда оговариваем и этот параметр, а иногда даже делаем калибровочные испытания на нагрев.

Взгляд в будущее и практические советы

Сейчас тема валов с градиентом твёрдости постепенно выходит из разряда экзотики в категорию специального, но востребованного инструмента. Особенно с ростом применения лёгких композитных материалов в строительстве и транспорте. Думаю, скоро появятся более стандартизированные решения, может, даже каталогизированные серии под разные типы композитов и покрытий.

Если задумываетесь о таком вале для своего производства, мой совет — начинайте не с жёстких ТЗ, а с диалога. Соберите максимум данных: какая именно краска или паста (состав, вязкость, температура нанесения, содержание абразивов), какая основа (тип композита, шероховатость, наличие рёбер), условия работы (скорость, давление, ширина нанесения). И будьте готовы к итерациям. Первый образец почти наверняка потребует доработки.

И конечно, ищите поставщика, который не просто продаёт валы, а способен вникнуть в процесс. Как та же ООО Шанхай Диби, которая занимается не только производством, но и исследованиями. Способность технолога задать уточняющие вопросы о процессе часто важнее, чем готовая спецификация. В конце концов, вал для нанесения краски с градиентом твердости для металлургических композитов — это не стандартная деталь, а часть технологической цепочки, и его проектирование — это всегда совместная работа.