Прогрессивные технологии изготовления деталей из антифрикционных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

В. С. Гацков,

С. В. Гацков

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

УДК 621.81.763 ББК 34.2 Г 24

Гацков В. С., Гацков С. В. Прогрессивные технологии изготовления деталей из антифрикционных материалов: Учебное пособие. – М.: НИЯУ МИФИ, 2011. – 152 с. В учебном пособии изложены вопросы улучшения свойств антифрикционных материалов и увеличения ресурса работы деталей из них в узлах трения и уплотнительных узлах. Уделено внимание управляемым процессам, предопределяющим формирование структур материалов с соответствующими им свойствами, разработке технологических процессов и оборудования для изготовления деталей и их испытаниям. Предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся по машиностроительным и материаловедческим специальностям, научных работников машиностроительных предприятий, вузов и научных организаций. Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ. Рецензенты: А. М. Антимонов, доктор техн. наук, проф. (УГТУ УПИ), А. П. Моргунов, доктор техн. наук, проф. (ОмГТУ), В. Г. Елисеев, канд. техн. наук, доцент (НИЯУ МИФИ)

ISBN 978-7262-1399-6

© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................... 5 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ФТОРОПЛАСТ ............................................................................................ 7 1.1. Создание и совершенствование антифрикционных материалов для экстремальных условий ................................................................. 7 1.2. Материалы наполненного типа на основе фторопластов ................ 9 1.3. Технология изготовления антифрикционных и уплотнительных материалов и деталей из них ............................................................ 10 1.4. Исследования материалов, содержащих фторопласт .................... 11 1.5 Материалы с металлическим каркасом ............................................. 17 1.6. Материалы с металлическим пористым каркасом на тонкой стальной подложке и пропитанным фторопластом .......................... 18 1.7. Детали из комбинированного материала ......................................... 20 1.8. Изготовление материалов и деталей из смесей, содержащих фторопласты........................................................................................ 21 Контрольные вопросы .............................................................................. 22 2. СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ФТОРОПЛАСТ .......... 24 2.1. Структуры материалов, изготовляемых горячим прессованием смесей порошковых компонентов............................. 24 2.2. Формирование структур многокомпонентных материалов, содержащих фторопласт ................................................................... 29 2.3. Предельные условия для формирования структур материалов, содержащих фторопласт ................................................................... 30 Контрольные вопросы .............................................................................. 36 3. ГОРЯЧЕЕ ПРЕССОВАНИЕ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ.............. 37 3.1. Процессы уплотнения порошков и развития межчастичного сцепления при горячем прессовании ................................................ 37 3.2. Влияние некоторых факторов на процесс формирования межчастичных контактов и свойства порошковых материалов ....... 41 3.3. Особенности формирования структуры и свойств при горячем прессовании материалов, содержащих фторопласт ........................ 43 3.4. Оптимизация процесса горячего прессования материалов, содержащих фторопласты.................................................................. 48 Контрольные вопросы .............................................................................. 49 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ФТОРОПЛАСТЫ ................................... 50 4.1. Исследование адгезии частиц порошковых компонентов ............... 50 4.2 Влияние размеров частиц и содержания порошковых компонентов на формирование структуры материалов ................... 58 3

4.3. Влияние оксидов металлов порошковых компонентов и технологических факторов на свойства материалов, содержащих фторопласт ..................................................................... 73 4.4. Влияние количественного соотношения компонентов и размеров их частиц на трение и износ материалов, содержащих фторопласт .................................................................... 84 4.5. Влияние размеров частиц и количественного соотношения компонентов на упругость и релаксационные свойства наполненных фторопластов ............................................................ 109 Контрольные вопросы ............................................................................ 116 5. ОПТИМИЗАЦИЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ, РАЗМЕРОВ ИХ ЧАСТИЦ И РЕЖИМОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ............................................................. 117 5.1. Оптимизация состава и режимов изготовления материалов каркасного типа................................................................................. 117 5.2. Оптимизация состава и режимов горячего прессования трехкомпонентных уплотнительных материалов на основе фторопласта .................................................................................... 121 5.3. Характеристики материалов оптимальных составов..................... 127 Контрольные вопросы ............................................................................ 129 6. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ, УЗЛОВ ТРЕНИЯ И ИХ ИСПЫТАНИЕ ..................................................... 130 6.1. Конструктивные особенности и свойства деталей......................... 130 6.2. Технологические процессы изготовления деталей, содержащих фторопласт, горячим прессованием ......................... 132 6.3. Оборудование для горячего прессования ..................................... 133 6.4 Установка для нанесения антифрикционного металлофторопластового слоя в отверстиях ................................. 135 6.5. Испытания уплотнительных колец узлов торцевого уплотнения ......................................................................................... 138 6.6. Испытание сальниковых уплотнительных узлов компрессоров ..................................................................................... 141 6.7. Испытание покрытия рабочей поверхности статора электробензонасоса инжекторной системы питания автомобилей «Волга», «Газель», «Соболь».................................... 142 Контрольные вопросы ............................................................................ 144 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................ 145 ПРИЛОЖЕНИЕ ...................................................................................... 146

4

ПРЕДИСЛОВИЕ Важнейшей предпосылкой повышения качества проектируемых машин и технологического оборудования является разработка новых антифрикционных и уплотнительных материалов, способных работать в экстремальных условиях, совершенствование процессов их изготовления. Перспективными среди них являются материалы, содержащие фторопласт, антифрикционные свойства которого реализуются введением его с другими компонентами в тонкий пористый слой, нанесенный на металлическую ленту или поверхность деталей, в пористый металлический каркас, имеющий форму детали или приближенный к ней, а также введением в него различных наполнителей, повышающих износостойкость. Простой метод изготовления материалов, содержащих фторопласт, горячим прессованием непосредственно из смесей порошковых компонентов обеспечивает повышенную их прочность при содержании фторопласта до 25–30 % (по объему). При таких его количествах материал имеет высокий коэффициент трения и низкую износостойкость. При увеличении содержания фторопласта его частицы в большей степени изолируют частицы металлических порошков, что препятствует спеканию из них каркаса, являющегося основой материала и определяющего его прочность. При оптимальном количестве наполнителя материалы наполненного типа имеют низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Невысокая твердость позволяет применять их в качестве уплотнителей объемов рабочих сред, содержащих твердые частицы. Вдавливаемые в уплотнитель частицы не нарушают герметизацию уплотняемых объемов. В работе проведен анализ антифрикционных уплотнительных материалов, содержащих фторопласты, их свойства и технологические процессы изготовления из них деталей узлов трения и уплотнительных узлов. Теоретические варианты макроструктур композиционных материалов, содержащих фторопласты, предопределенные на стадии смешивания порошковых компонентов и подтвержденные экспериментально, позволяют проводить выполнение операций при условиях формирования необходимых структур, соответствующих типов материалов. 5

Для получения материалов деталей с оптимальными служебными свойствами в работе приведены методики проведения испытаний материалов и деталей, приборы и оборудование необходимые для этого. Создание новых прогрессивных технологий изготовления антифрикционных материалов связано с углубленным изучением технологических свойств порошков-компонентов, их взаимодействия при формировании структур в объемах заготовок и деталей. Изучение рассмотренных вопросов весьма полезно в курсах: материаловедение, технология машиностроения, ремонт оборудования, проектирование машин и оборудования, а так же для специалистов, занимающихся в области самолетостроения и космической техники, приборостроения и атомного машиностроения.

6

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ФТОРОПЛАСТ 1.1. Создание и совершенствование антифрикционных материалов для экстремальных условий Использование подшипников скольжения, не требующих смазки, позволяет отказаться от применения сложных узлов трения, что существенно упрощает конструкцию машин и оборудования и повышает их надёжность. В эволюции подшипников скольжения, способных работать без смазки, выделяют три главных этапа. Первый этап – разработка и совершенствование самосмазывающихся материалов. Появились углеграфитовые материалы и полимеры с наполнителями [1]. Антифрикционные свойства фторопласта – политетрафторэтилена (ПТФЭ) – и его химическая стойкость стимулировали разработку композиционных материалов. Свойства антифрикционных композиций улучшают применением в качестве наполнителей таких твердых смазок со сложной структурой, как дисульфид молибдена, графит, нитрит бора, пористый свинец и т.п. На втором этапе относительно мягкий антифрикционный слой наносили на твердую конструкционную основу. Прочностные свойства тонких плёнок, нанесённых на твердую основу, и их износостойкость повышаются с уменьшением толщины плёнки. Однако при этом уменьшается и величина допустимого линейного износа подшипника, что ограничивает его долговечность. Это противоречие устранено на третьем этапе созданием материалов со структурами, в которых расходуемая антифрикционная плёнка постоянно пополняется и обновляется поступающим в зону трения самосмазывающимся материалом, содержащемся в порах каркаса, образованного спеканием металлических порошков. Самосмазывающиеся материалы и подшипники скольжения из них подразделяют на монолитные и комбинированные. Монолитные антифрикционные материалы имеют однородный (простой или композиционный) по всем направлениям состав в зависимости от того, образован он одним материалом или материалом со специ7

альными наполнителями. Комбинированные материалы (например, для подшипников) состоят из отдельных слоёв различной структуры с разными свойствами. Монолитные материалы простого состава редко применяют для подшипников. Чаще монолитные подшипники изготовляют из композиционных материалов. Наибольшее распространение получили композиционные материалы на основе эпоксидных и фенолоформальдегидных смол, полиамидов, углеграфитов и фторопластов. На основе эпоксидных смол созданы такие материалы как маслянит, состоящий из эпоксидной смолы, алюминиевой пудры, полиэтилена, полиамида, ксилола и минерального масла, и эпоксилит, состоящий из эпоксидной смолы, бронзовой стружки, деревянных опилок и графита. Для работы при сухом трении используют такие полиамиды, как поликапролактам, нейлон, смолы П-68 и АК-7, наполненные твердыми смазками. Повышение прочности углеграфитовых материалов достигнуто пропиткой их полимерами и металлами. Постоянно увеличивается количество композиционных антифрикционных и уплотнительных материалов на основе полимеров, в состав которых для снижения коэффициента трения вводят ПТФЭ. Оптимальное содержание ПТФЭ составляет 20 % для кристаллических и 15 % для аморфных материалов. Армирование полимерных материалов металлами позволяет создать композиционные металлополимерные материалы, в которых суммируются положительные свойства пластмасс и металлов. Металлополимерные материалы, в зависимости от вида металлических компонентов делят на: а) наполненные полимерные материалы, в которые введены металлические порошки и другие порошкообразные наполнители; б) материалы с металлическим пористым каркасом (без армирующей подложки); в) материалы с металлическим пористым каркасом на стальной подложке и пропитанным полимерами, ленточные материалы. Самой распространенной полимерной основой металлополимерных композиций является ПТФЭ и его сополимеры (фторопласты разных марок). Без наполнителей эти полимеры имеют высо8

кую химическую стойкость и низкий коэффициент трения, но легко изнашиваются и обладают ползучестью под нагрузкой. Введение в ПТФЭ наполнителей даёт возможность рационально использовать его положительные свойства и значительно повысить износостойкость (в сотни и тысячи раз), улучшить другие важные для антифрикционных и уплотнительных материалов физико-механические свойства [3]. 1.2. Материалы наполненного типа на основе фторопластов В качестве наполнителей фторопластов применяют различные материалы, существующие в виде мелких частиц и волокон и способные выдержать температуру спекания фторопластов (563– 653 К). В нашей стране выпускают ряд композиционных материалов на основе фторопластов с различными наполнителями: Ф4Г21МТ (фторопласт-4 + 21 % графита и 7 % дисульфида молибдена); Ф4Г20М5С10 (фторопласт-4 + 20 % графита, 5 % дисульфида молибдена и 10 % стекловолокна); Ф4К15М5 (фторопласт-4 + 15 % кокса и 5 % дисульфида молибдена); Ф4М15 (фторопласт-4 + 15 % дисульфида молибдена); 7В2А и АФГ-80ВС (высоконаполненный и низконаполненный графитом фторопласты); АФГМ (фторопласт-4 + 35 % графита и 15 % дисульфида молибдена); Ф40Г40 (фторопласт-40 + 40 % графита); Ф40С15М1,5 (фторопласт-40 + 15 % стекловолокна и 1,5 % дисульфида молибдена) и др. Большое многообразие антифрикционных материалов на основе ПТФЭ выпускают зарубежные фирмы. В Великобритании фирмой «Гласир Металлс Компании» разработаны материалы «Гласир DQ», «Гласир DQ2» и «Гласир DQ3». Серия композиционных материалов из ПТФЭ с наполнителями под общим названием 9

«Флюон-V» выпускается фирмой «Империэл Кемикал Индастриз». В зависимости от марок эти материалы включают стекловолокно, бронзу, графит, свинец и другие наполнители. Ведущее положение по выпуску самосмазывающихся композиционных материалов в США занимает фирма «Диксон Корпорейшн», выпускающая материалы под названием «Рулон». Несколько марок композиционных материалов на основе ПТФЭ: тефлон-1303, -1305, -1346, -1371, -1374 выпускает фирма «Дюпон» (США). Фирма «Аллегени Пластик» выпускает сейлокс М. Наполнителями этих материалов являются: стекловолокно, графит, бронза, дисульфид молибдена. Материалы используют для изготовления подшипников разных типов, уплотнений, поршневых колец компрессоров и других деталей, работающих без смазки в широком диапазоне температур и агрессивных средах. Более подробные сведения о материалах на основе фторопластов, выпускаемых за рубежом и в нашей стране, и технологические процессы изготовления приводятся в работах [4]. 1.3. Технология изготовления антифрикционных и уплотнительных материалов и деталей из них Основными операциями технологического процесса изготовления наполненных фторопластов и деталей из них являются: 1) подготовка компонентов и смешивание их; 2) формование заготовок или деталей из смесей; 3) спекание заготовок или деталей; 4) обработка заготовок (или калибрование); 5) контроль заготовок и деталей; В качестве исходных материалов фторопластов применяют суспензии (4ДВ, 4ДП, 4Д) или порошки, поэтому возможны два основных технологических процесса изготовления наполненных фторопластов, отличающихся способом подготовки и смешивания компонентов. По первому способу смешивают водные суспензии фторопластов и наполнителей. Затем смесь коагулируют прибавлением к ней растворяющихся в воде органических растворителей (ацетона или этилового спирта) и полученную массу фильтруют, промывают, 10

сушат, измельчают и просеивают. Этот способ позволяет получить равномерную смесь при применении высокодисперсных, легких наполнителей. Наиболее подходящей для этого способа является суспензия марки 4ДВ. Приготовление смесей из порошков проводят совместным помолом и перемешиванием порошка фторопласта с порошкообразным наполнителем при низких температурах (охлаждение жидким азотом), пропусканием исходных компонентов (порошка фторопласта и относительно легких наполнителей), смешанных с этиловым спиртом, сначала через лопастную мешалку, а затем через коллоидную мельницу конусного или ударно-кавитационного типа. При использовании высокодисперсных наполнителей с насыпной массой, близкой к насыпной массе фторопласта-4, смесь готовят из предварительно просеянных через сито в 48меш порошков сухим смешиванием в смесителе с последующим просеиванием через сито с такими же или чуть большими ячейками. При недостаточной однородности смеси смешивание повторяют. Перед прессованием смесь подсушивают для удаления адсорбированной влаги при температуре 393–403 К в течение 1–2 ч. После предварительного прессования при давлении 20–60 МПа полученные заготовки высушивают при температуре 393–423 К, затем окончательно прессуют и спекают. 1.4. Исследования материалов, содержащих фторопласт Разработка и совершенствование антифрикционных и уплотнительных материалов на основе фторопластов, связаны с выбором компонентов и исследованием влияния ряда факторов на их свойства. Выбор материалов компонентов основан на знании свойств, реализующихся при изготовлении композиционных материалов и в условиях их работы. Основные принципы выбора компонентов материалов приводятся в работе [3]. Применение фторопластов в качестве компонентов антифрикционных и уплотнительных материалов стало возможным в результате изучения проявления их свойств в различных условиях. 11

1.4.1. Исследования фторопластов Исследованиям ПТФЭ и материалов, содержащих его, посвящено значительное количество работ как за рубежом, так и в нашей стране. Основные свойства фторопластов приведены в работах [3, 5]. В испытаниях ряда полимеров выявлено минимальное трение ПТФЭ при низких скоростях скольжения по стали и в одноименном сочетании. При скоростях 0,1–0,3 мм/с коэффициент трения (без смазки) находится в пределах 0,04–0,05. Практически такой же коэффициент трения у ПТФЭ при низкой скорости скольжения в вакууме. С увеличением скорости скольжения до 0,5–2 м/с и выше коэффициент трения повышается и достигает значений 0,20–0,25. Максимального значения он достигает при скорости 5 м/с. С увеличением температуры коэффициент трения уменьшается, и лишь при температурах выше 593 К он увеличивается до относительно высоких значений. В работе [3] приводятся результаты исследований влияния скорости скольжения, температуры в контакте, давления, степени кристалличности и проникающего излучения на трение и изнашивание. Авторами получена обобщенная зависимость коэффициента трения ПТФЭ от скорости скольжения и температуры: f = (1670,3–3,1)Т ·υ0,3 · 10–4 , где Т – температура, К; υ – скорость скольжения, см/с. Из зависимостей (рис. 1.1) [3] видно увеличение коэффициентов трения при увеличении скоростей скольжения и уменьшение при увеличении температуры. Зависимость получена в интервале температур 303–423 К и скоростей скольжения – 0,01–1 см/с. В работе показано также изменение интенсивности изнашивания ПТФЭ в зависимости от температуры в контакте (рис. 1.2) при скорости скольжения 0,5 м/с и нагрузке 400 Н по схеме вал – плоский образец. Испытания образцов ПТФЭ с разной степенью кристалличности показало, что с повышением степени кристалличности скорость 12

изнашивания ПТФЭ увеличивается, а коэффициент трения уменьшается. Такое влияние степени кристалличности на трение объясняется ухудшением большинства механических характеристик с увеличением степени кристалличности.

Рис. 1.1. Зависимость коэффициента трения ПТФЭ от температуры и скорости скольжения (см/с): 1– 0,01; 2 – 0,02; 3 – 0,04; 4 – 0,08; 5 – 0,16; 6 – 0,32; 7 – 0,6; 8 – 1,0

Рис. 1.2. Зависимость скорости изнашивания ПТФЭ от температуры 13

Сохранение в полимере значительного количества аморфной фазы обеспечивается резким охлаждением полимера, нагретого выше температуры плавления кристаллитов (600 К), в интервале 600–623 К. При проведении испытаний на трение и изнашивание некоторых сополимеров ПТФЭ (4МБ, -40, -42В и -42Л) определена высокая износостойкость фторопласта 4МБ при более высоком коэффициенте трения, но стабильном при изменении температуры [3]. Однако увеличение скорости (>0,5 м/с) и нагрузки (>200 Н) в контакте приводили к повышению температуры (>350 К) и увеличению износа до катастрофического значения. Фторопласты 4МБ и -40, стойкие к радиационному облучению [5], и представляют интерес для создания композиционных материалов для работы в условиях радиационного облучения. 1.4.2. Исследование наполненных фторопластов Исследования наполненных фторопластов сводятся к выявлению влияния ряда факторов на их основные свойства с целью целенаправленного воздействия на них изменением влияющих факторов. Для выявления влияния наполнителей и их содержания в материалах проведены сравнительные испытания большого количества композиций. Испытания проведены по двум схемам трения: вал – плоский образец и сфера – кольцевой образец. В табл. 1.1 [3] приведены результаты испытаний на трение и износ наиболее износостойких композиций ПТФЭ с оптимальными количествами наполнителей, полученные при скорости скольжения 0,5–1 м/с и нагрузке 400 Н по схеме трения вал – плоский образец. Близкие к этим получены результаты и при испытании по схеме сфера – кольцевой образец. Наиболее низкие коэффициенты трения и низкие установившиеся скорости изнашивания принадлежат композициям ПТФЭ со свинцом и бронзой. Однако у композиций со свинцом отмечается значительно больший начальный износ по сравнению с другими наполнителями. 14

Таблица 1.1 Износостойкость и коэффициенты трения материалов на основе ПТФЭ при установившейся скорости изнашивания Наполнитель Без наполнителя Графит КАЗ Дисульфид молибдена (частицы 5-30 мкм) Медь Алюминий Титан Молибден Кобальт Свинец Бронза Бр. ОЦС 54-4 Бронза Бр. ОФ 10-1 Ситалл

ОтносиИнтенсив- УдельСодерный тельная ность жание, износоизнашива- износ, % об. ния, мм3/ч мм3/ч Н стойкость 200 0,4 1 20 0,34 0,000824 590

Коэффициент трения 0,19 0,21

30

0,31

0,000775

645

0,20

30 30 20 20 20 15

0,5 6,6 0,77 0,45 0,7 0,10

0,024 0,0165 0,00195 0,00113 0,00175 0,00025

21 30 260 444 285 2000

0,29 0,26 0,27 0,24 0,16 0,15

20

0,14

0,00035

1430

0,14

20 20

0,11 0,28

0,000275 0,00070

1820 714

0,15 0,25

Для всех исследованных композиций, кроме композиций со свинцом, оптимальное количество наполнителя составляет 20–30 % по объему и в определенной степени зависит от схемы трения. Оптимальным количеством свинца в композиции является 15 %. Выявлено также влияние дисперсности наполнителя на антифрикционные свойства материалов [3]. Анализ результатов испытаний композиций с графитом, дисульфидом молибдена и кремнезёмом разной дисперсности показал, что наибольший износ наблюдается у композиций с высокодисперсными наполнителями и для каждой концентрации наполнителя имеется оптимальный размер частиц, которому соответствует минимальный износ. Влияние формы частиц на износостойкость образцов (на примере бронзы) объясняется количественным и качественным изменением приграничного объема раздела ПТФЭ – бронза. 15

Проверкой эффекта повышения износостойкости композиций ПТФЭ со свинцом установлено его проявление в случае трения на воздухе и при повышенной температуре в контакте. Предполагается, что свинец и кислород способствуют образованию плёнки в контакте трения. Кислород облегчает деструкцию ПТФЭ при трении, а свинец оказывает каталитическое действие на образование фторидов железа. Введение свинца в композиции вместе с другими наполнителями значительно повышает износостойкость материала и снижает коэффициент трения (табл. 1.2). Таблица 1.2 Износостойкость и коэффициент трения композиций на основе ПТФЭ Наполнитель и его Интенсивность концентрация, изнашивания, (в процентах по мм3/ч объему) Без наполнителя 200 Свинец (15) 0,1 Бронза (30) 0,59 Графит (30) 0,38 Бронза (15) + свинец 0,06 (15) Графит (20) + 0,084 свинец (10)

Коэффициент Относительная трения износостойкость

0,19 0,15 0,25 0,23

1 2000 340 520

0,13

3300

0,15

2500

Совершенствованием составов разработана композиция с интенсивностью износа в 4400 раз меньше, чем у ненаполненного ПТФЭ. Поверхности стали и ПТФЭ обогащаются медью, на которой формируется металлополимерный слой в виде координационного соединения. Структура граничного слоя состоит из связанного с поверхностью кристаллической решетки стали слоя сервовитной плёнки меди и металлополимерного слоя, ориентированного в направлении трения. 16

Испытаниями композиций на основе фторопласта 4МБ, включающих фторопласт 4ДПТ и графит, показана возможность улучшения антифрикционных свойств и повышения износостойкости фторопласта 4МБ [3]. На свойства наполненного ПТФЭ оказывают влияние условия спекания. Образцы, спечённые под давлением, всегда имели более высокую плотность и износостойкость. 1.5. Материалы с металлическим каркасом Материал, представляющий собой пористый каркас с введенным в поры фторопластом или фторопластом с наполнителями, применяют для подшипников и других трущихся деталей сложной формы, которые должны работать длительное время без замены с допустимыми большими износами (кольца узлов торцового уплотнения). Пористую заготовку (каркас) чаще всего изготовляют из высокооловянистой бронзы с частицами сферической или дендритной формы [3]. Для деталей, работающих в коррозионных средах, применяют металлофторопласты с пористым каркасом, изготовленным из порошков металлов или сплавов, коррозионностойких в конкретных средах. Материал на основе пористого титана стоек к раствору азотной кислоты. Пористый каркас его изготовлен из титановых порошков ИМП-1 и ПХМ3 двусторонним прессованием под давлением 100– 150 МПа с последующим спеканием в вакууме в течение двух часов при температурах 1223–1273 К. Поры заполнены фторопластом путем многократной вакуумной пропитки суспензией фторопласта4Д с последующей сушкой и спеканием. Известно использование для металлофторопластовых материалов пористых каркасов из железного порошка и нержавеющей стали. Разработан материал, пористый каркас которого изготовлен прессованием и спеканием гранул 0,2–0,4мм, полученных прокаткой смеси порошков меди, свинца, марганца и бора в ленту, с последующим её дроблением. Спечённый пористый каркас заполнен графито-фторопластовой пастой. 17

Предложен материал, пористый каркас которого изготовлен из латунных проволочек длиной 5–10 мм прессованием при давлении 150–400МПа до пористости 55-60% и спеканием при температуре 1023-1223К в течение одного часа. Пористый каркас пропитан суспензией ПТФЭ с добавлением халькогенида и допрессован в процессе полимеризации при температуре 623-633К до получения беспористой заготовки. К этой же категории материалов относят и пористые пропитанные ПТФЭ материалы на основе серебра и свинцовистой бронзы. Они содержат меньше ПТФЭ (15–40 % по объему), поэтому имеют хорошие механические свойства и теплопроводность, но меньшую износостойкость. Эти материалы нашли применение в электромеханике для работы при повышенных температурах и высоком вакууме. Технологический процесс изготовления заготовок или деталей из материалов каркасного типа включает следующие общие операции: 1) прессование заготовок металлического каркаса в прессформах или свободная засыпка порошковой шихты в формы из огнеупорного материала; 2) спекание пористого каркаса в восстановительной атмосфере или вакууме; 3) заполнение пор суспензией ПТФЭ или суспензией ПТФЭ с наполнителями; 4) сушка заготовок при температуре 373 К; 5) термообработка для спекания ПТФЭ при температуре 648– 653 К; 6) калибрование. 1.6. Материалы с металлическим пористым каркасом на тонкой стальной подложке и пропитанным фторопластом Материалы, представляющие собой металлический пористый каркас с заполненными фторопластами или фторопластами с наполнителями порами, обладают ценным комплексом свойств. 18

Нанесение тонкого слоя такого материала на конструкционную основу повышает его нагрузочную способность, износостойкость, уменьшает расход цветных металлов и фторопластов. Наиболее прогрессивными являются ленточные металлополимерные материалы. Тонкий пористый металлический слой с заполненными чистым или наполненным фторопластом сообщающимися порами этих материалов нанесен на основу из стальной ленты. Результаты разработки и создания технологий производства металлофторопластового ленточного материала приведены в работе [3]. Пористый слой из частиц оловянистой бронзы диаметром около 0,1 мм, толщиной 0,3–0,4 мм и объёмом сообщающихся пор 30–40 % наносят на основу из малоуглеродистой стали через тонкий слой меди. Стальная лента (основа) толщиной 0,1÷2,5 мм гальваническим методом покрывается медью, на этот слой наносится слой порошка бронзы, из которого спекается и одновременно припекается к ленте пористый слой. Поры заполняют фторопластом 4ДВ, содержащим 25 % по объёму дисульфида молибдена. Материал работоспособен без смазки в температурном интервале от 73 до 550 К при нагрузках до 30 – 40 МПа при малом коэффициенте трения (0,04–0,22). Из него выпускают свёртные втулки и неразрезные подшипники скольжения. Наиболее распространенный за рубежом ленточный материал марки «DU» выпускается фирмой «Глассир» (Великобритания), представляет собой стальную омеднённую ленту с пористым бронзовым слоем, заполненным смесью ПТФЭ со свинцом (20 % по объёму). Сравнительные испытания на трение и износ фторопластового материала отечественного производства и материала марки «DU» при скорости 0,37 м/с и удельных нагрузках от 1,0 до 9,5 МПа показали практически одинаковые результаты. Коэффициент трения изменялся от 0,22 до 0,11. Технология изготовления металлофторопластовых подшипников из ленточных материалов включает следующие основные операции: 1) покрытие поверхности стальной ленты слоем меди для облегчения припекания частиц бронзы; 19

2) нанесение на омеднённую поверхность стальной ленты дозированного слоя порошка бронзы; 3) спекание пористого слоя и одновременное его припекание к стальной основе в восстановительной атмосфере; 4) заполнение пор спечённого слоя бронзы фторопластом или фторопластом с наполнителями; 5) спекание фторопласта или фторопласта с наполнителями в порах и в поверхностном слое; 6) калибровка ленты; 7) покрытие электролитическим способом нерабочей стороны ленты слоем олова от коррозии; 8) изготовление подшипников штамповкой и механической обработкой. Кроме перечисленных основных операций, процесс включает ряд других (всего около 20) операций, что сказывается на стоимости выпускаемой продукции. 1.7. Детали из комбинированного материала Комбинированный материал чаще всего получают на финишных операциях процесса изготовления деталей, к которым предъявляются требования по износостойкости. Комбинированные детали (детали с пористым покрытием из антифрикционных металлов, заполненным ПТФЭ) сочетают качества ленточного материала и спечённых пропитанных деталей. Существуют различные методы формирования слоя из металлических порошков на поверхности стальных деталей [7]. Наиболее высокая прочность сцепления пористого слоя из металлических частиц порошков к стальной чистой или омеднённой поверхности детали была достигнута припеканием шихты в восстановительной атмосфере. Для получения хорошего сцепления антифрикционного слоя с поверхностью основного металла толщина слоя меди должна находиться в пределах (10÷20)·10-6 м. Для нанесения пористого слоя, подготовленные заготовки деталей из углеродистых конструкционных сталей покрывают слоем меди толщиной (12÷15)·10-6 м и слоем олова толщиной (1÷3)·10-6 м, 20

обезжиривают и устанавливают в подготовленные приспособления для засыпки и последующего спекания и припекания порошка бронзы. После этого приспособление загружают в контейнер, помещаемый для спекания порошка бронзы в печь с восстановительной атмосферой. Спекание ведется в течение 1÷1,5 ч при температуре 1073 К, а затем в течение 10÷60 мин при поднятой температуре до 1100÷1135 К. Отслаивание напечённого пористого слоя бронзы от стальной основы не допускается. Пасту для заполнения пор слоя бронзы изготовляют из суспензии фторопласта-4ДВ и суспензии дисульфида молибдена МЭС-1-50. На пористый слой наносится паста слоем 0,3÷0,5 мм. Поры заготовок в зависимости от типа изготовляемых деталей заполняют пастой вкатыванием валками, впрессовыванием пасты в поры, протягиванием сквозь отверстие прошивками (дорнами) специальной формы. Для втулок с наружным рабочим слоем паста впрессовывается протягиванием втулки с нанесённым слоем пасты через фильеру. После заполнения пор пастой заготовки сушат сначала при комнатной температуре (>2 ч), а затем при температуре 363 К (2÷2,5 ч). Спекание наполненного фторопласта в заготовке производят в течение 30÷45 мин при температуре 645 К. Для придания заготовкам размеров деталей их калибруют на приспособлениях, конструктивно похожих на приспособления для вдавливания паст в поры антифрикционного слоя. Для нанесения покрытий из металлических порошков на внутренние поверхности использовали центробежные силы, а нагрев для спекания осуществляли токами высокой частоты. 1.8. Изготовление материалов и деталей из смесей, содержащих фторопласты При изготовлении деталей из металлополимерных материалов сохранение полимеров в материале обеспечивают снижением температуры спекания ниже температуры термодеструкции фторопласта или применением горячего прессования. В Германии, Франции и Великобритании были разработаны способы спекания при пониженной температуре, заключающиеся в многократном циклическом изменении атмосферы спекания с 21

окислительной на восстановительную с длительностью цикла не более 600 с. В Австрии предложена технология, позволяющая вводить ПТФЭ непосредственно в шихту и заключающаяся в подготовке шихты из порошков ПТФЭ, тугоплавкого металла (меди, бронзы, никеля, железа), легкоплавкого металла (олова, свинца, висмута или их сплавов), твердой смазки (дисульфида молибдена, графита), формировании изделий из шихты и их спекании при температуре ниже температуры термодеструкции ПТФЭ, но выше температуры плавления легкоплавкого металла. Метод горячего прессования был разработан в 1955 году Филлиповым А.Н. Предложено спекать материалы с твердыми смазками под давлением 400–800 МПа при температурах 573–778 К в течение 5–300 с. Для получения металлофторопластовых покрытий на основе различных металлических порошков разработан способ [7], использующий повышение температуры термодеструкции ПТФЭ с ростом давления прессования. Покрытия на изделиях получают спеканием с одновременным припеканием антифрикционного слоя из шихты, в состав которой входят порошки металлов и ПТФЭ, электроконтактным методом при температурах 973÷1073 К и давлениях 200÷300 МПа. Активирование процесса спекания при горячем прессовании бронзофторопластовых материалов из шихты осуществлено применением высокодисперсных восстановленных порошков бронзы. Способ изготовления металлофторопластовых материалов и деталей из шихты отличается простотой, но не обеспечивает высоких характеристик при содержании ПТФЭ более 30 % по объему. Хорошими антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью материал обладает при содержании ПТФЭ в нём более 42 % по объему. Контрольные вопросы 1. Каковы физические, химические и антифрикционные свойства каркасных и наполненных материалов? 22

2. Что характерно для каркасных антифрикционных материалов, содержащих фторопласт? 3. Наполненные фторопласты. Какие характеристики определяют их уплотняющую способность? 4. Какие основные способы изготовления деталей из материалов каркасного типа? 5. Какие детали (по назначению) изготовляют из наполненных фторопластов? Какие способы изготовления применяют при этом? 6. Что представляет собой комбинированный материал, содержащий фторопласт? Какие детали из него изготавливают? 7. Какими характеристиками должны обладать порошковые компоненты материалов, содержащих фторопласт?

23

2. СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ФТОРОПЛАСТ Структура металлофторопластовых материалов определяет их тип, физико-механические и антифрикционные свойства, износостойкость и стойкость в химически активных средах и формируется в зависимости от ряда факторов: формы и размеров частиц основообразующих порошков; количественного соотношения компонентов и соотношения размеров частиц порошков; способов изготовления и др. Структура материалов каркасного типа, изготовляемых раздельным способом (изготовление каркаса и введение в его сообщающиеся поры фторопласта или фторопласта с наполнителем) и её формирование достаточно хорошо изучено и приводится авторами в работе [3]. Формирование металлического каркаса материалов, изготовляемых горячим прессованием непосредственно из смесей, более сложный процесс, на который первостепенное влияние оказывают технологические свойства металлических порошков, количество фторопласта в смеси, режимы и условия горячего прессования. Ряд факторов качественно-количественного и технологического характера влияют и на формирование структур материалов наполненного типа. 2.1. Структуры материалов, изготовляемых горячим прессованием смесей порошковых компонентов 2.1.1. Формирование структур металлофторопластовых материалов Условием формирования металлического каркаса при горячем прессовании смесей является наличие контактов между частицами металлических порошков и спекаемость их при температуре, ниже температуры термодеструкции фторопласта. При этом условии может быть получен каркасный материал трех видов: с фторопластом в сообщающихся порах каркаса; с 24

фторопластом в закрытых порах во всем объеме каркаса и с комбинированной структурой. Структура с сообщающимся фторопластовым заполнением формируется при использовании металлических порошков с размерами частиц, при которых образуются сообщающиеся пространства, заполняемые фторопластом (рис. 2.1).

а б Рис. 2.1. Схема структуры спрессованной заготовки до (а) и после (б) спекания

Количество фторопласта по объему должно соответствовать суммарному объему межчастичного пространства. Увеличение количества фторопласта 2 (рис. 2.1, а) вызовет уменьшение контактной поверхности 3 между металлическими частицами 1; уменьшение прочности каркаса из-за меньшего количества сформированных мостиков сварки 3 (рис. 2.2, б) в процессе спекания. Применение металлических порошков с частицами близкими по форме к шаровой создает благоприятные условия для их сближения при прессовании с выдавливанием фторопласта из зоны контакта. Наиболее благоприятные условия для формирования металлического каркаса создаются равномерным распределением фторопласта, объемы частиц которого соизмеримы с объемами пор формируемого каркаса. Частицы металлических порошков будут сближаться в результате скольжения по границам частиц фторопласта и деформировать их в соответствии с формой образующих пор. При этом уменьшается вероятность попадания фторопласта в зону контактирования и механодеструкции его при сближении 25

металлических частиц, увеличивается контактная поверхность, что способствует лучшему спеканию частиц в каркасе с сообщающимися порами, заполненными фторопластом. Структура таких материалов идентична структуре материалов, получаемых изготовлением пористой металлической основы (каркаса) из порошков с размерами частиц 70–300 мкм с последующим введением фторопласта в поры основы и его спеканием. Структура материала с фторопластом в закрытых порах показана на рис. 2.2. Материал с такой структурой представляет собой сформированный в процессе горячего прессования каркас с закрытыми порами, в которых находится фторопласт. Такая структура предопределяется при смешивании порошков. Размер и формы ячеек в каркасе материала формируются в соответствии с формой частиц фторопласта, изолированных при подготовке смесей, и возможной их деформации в процессе горячего прессования.

а б Рис. 2.2. Схема структуры до (а) и после (б) нагружения и выдержки при температуре: 1 – частицы металлического порошка; 2 – частица фторопласта; 3 – металлический каркас; 4 – фторопласт

При сухом смешивании металлических порошков с порошками фторопластов поверхности частиц фторопластов покрываются более мелкими частицами металлических порошков, а более крупные металлические частицы покрываются более мелкими частицами фторопластов. Образуются гранулы с ядрами из крупных частиц порошков и оболочками из мелких порошков. Формирование гранул из частиц порошков обусловлено адгезией их к поверхности других частиц в результате действия сил 26

различного происхождения [3]. При значениях сил адгезии больших сил отрыва, частицы оболочек удерживаются на поверхностях более крупных частиц (рис. 2.3). Совокупность сформированных гранул представляет полученную при смешивании смесь из порошков. Рис. 2.3. Гранула из частиц порошков: Контактирование между гранулами в 1 – частица оболочки; смеси, получаемыми в результате 2 – частица ядра созданных условий для их формирования, происходит по частицам оболочек. Формирование при горячем прессовании материалов из таких смесей сопровождается уплотнением частиц оболочки и развитием контактов между ними под действием сил, распределенных в объемах прессовок (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Смесь из порошков фторопластов и металлов под давлением (р – равномерно распределенная сила)

В результате контакта гранул по оболочкам из металлических частиц, распределения давления по всему объему прессовок и уплотнения металлических оболочек создаются наивыгоднейшие условия формирования и спекания металлического каркаса материалов, содержащих фторопласт. Получают структуру, изображенную на рис. 2.2, б. 27

Прочность каркаса зависит от количества и соотношений фторопласта и металлических порошков, режимов и условий горячего прессования и спекаемости металлических порошков. При контакте гранул с оболочками из частиц фторопласта при прессовании и спекании формируется структура с образованием по всему объему полимерной основы и равномерным регулярным распределением металлических частиц другого материала в её основе. Так получают наполненный фторопласт с ячейчатой основой, показанной на рис. 2.5.

1

2 Рис. 2.5. Структура наполненного фторопласта: 1 – фторопластовая основа; 2 – частицы наполнителя

При сухом смешивании крупных порошков фторопластов и мелких порошков наполнителей при их недостаточном количестве образуются гранулы с открытыми участками частиц фторопласта. В процессе горячего прессования материалов из таких смесей по открытым участкам спекаются частицы фторопласта с формированием основы и образованием в её объёме разорванной пространственной сетки из частиц наполнителя (рис. 2.6). 2

1

Рис. 2.6. Структуры с мелкими наполнителями: 1 – фторопластовая основа; 2 – фрагменты сетки из частиц наполнителя 28

Гомогенность смесей фторопластов с микроскопическими порошками наполнителей и соответствующую им структуру материалов обеспечивают размолом при низких температурах (ниже 173 К) и помолом в коллоидной мельнице с добавлением жидкого носителя и последующим его удалением. 2.2. Формирование структур многокомпонентных материалов, содержащих фторопласт Введением в состав материалов антифрикционных порошков – добавок (графита, дисульфида молибдена и др.) в комплексе с фторопластом можно создать условия формирования металлического каркаса при горячем прессовании смесей, если учитывать взаимодействие частиц порошковых компонентов и порядок их смешивания. При сухом смешивании крупного порошка фторопласта с мелкими порошками графита, дисульфида молибдена и других порошков-компонентов получают агрегаты частиц с оболочками из последних. Смешиванием полученной смеси с мелкими порошками металлов или сплавов формируют оболочки из металлических частиц. В результате такого последовательного смешивания получают смесь, агрегаты которой представляют фторопластовые частицы-ядра, покрытые двумя оболочками. Контактирование агрегатов по наружным металлическим оболочкам в процессе горячего прессования способствует, как и при горячем прессовании двухкомпонентных смесей, спеканию металлического порошка в каркас. В объеме каркаса регулярно распределяется фторопласт с оболочкой из частиц-компонентов добавки (графита, дисульфида молибдена, свинца, оксида свинца и др.). Для создания наивыгоднейших условий для фторопластовой основы многокомпонентных материалов наполненного типа нужно формировать агрегаты из частиц компонентов с наружной оболочкой из фторопластового порошка. Такие агрегаты получают последовательным смешиванием сначала крупных порошков наполнителя с мелкими порошками добавок, а затем смешиванием полученных агрегатов с мелкими порошками фторопластов. 29

На рис. 2.7 приведены структуры материалов каркасного и наполненного типов, формируемые при наивыгоднейших условиях из фторопласта, металла и порошковых добавок.

а

б

Рис. 2.7. Материал каркасного (а) и наполненного (б) типов: 1 – фторопласт; 2 – металл; 3 – порошковые добавки

При подготовке смесей без учета размеров частиц компонентов и последовательности их смешивания создаются условия, ухудшающие формирование приведенных структур. 2.3. Предельные условия для формирования структур материалов, содержащих фторопласт Целенаправленное управление формированием структур материалов возможно при знании предельных условий, при которых формируются структуры каркасных и наполненных типов материалов. Основными факторами, определяющими условия формирования структур материалов, являются размеры частиц порошковых компонентов, их соотношения и количественное содержание в материалах, режимы и порядок выполнения операций при изготовлении материалов и деталей из них. 2.3.1. Определение критических значений размеров частиц порошковых компонентов материалов Критические значения размеров частиц, при которых прекращается образование агрегатов, определяют из условий движения 30

частиц и агрегатов из них при сухом смешивании в смесителе. В процессе смешивания порошковых компонентов на частицы и агрегаты действуют силы тяжести, трения и центробежные. Частицы нижних слоев порошков под действием сил трения увлекаются вверх, а затем скатываются или соскальзывают вниз, теряя сцепление с нижними слоями. В момент движения вниз на них не действует центробежная сила от вращения ёмкости смесителя. При условии скатывания образовавшихся гранул или крупных частиц-ядер на частицы, из которых образуются оболочки, сначала действует сила тяжести скатывающейся гранулы или частицы-ядра, а затем сила адгезии Fai к грануле или частице-ядру и сила отрыва (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема действия сил в верхнем слое порошков при смешивании

Сила отрыва Foi является результирующей силы тяжести самой частицы Pi и силы адгезии или когезии Fкi этой частицы к частицам нижележащего слоя и определится из уравнения: (2.1) Foi = Pi + Fкi, Частица будет удерживаться на поверхности ядра и гранулы, если Fai > Foi. Критические условия формирования оболочки или её сохранения в верхнем слое смеси порошков определяют равенством: (2.2) Fai = Pi + Fкi, Силы, с которыми частицы удерживаются на поверхности, зависят от площади фактического контакта частиц. При равномерном 31

распределении контактов частиц силы адгезии (когезии) пропорциональны числу контактов, а число контактов на шероховатой поверхности пропорционально размерам частиц. При таком допущении силы адгезии, с приближением достаточным для практического применения, можно выразить зависимостью: (2.3) Fai = Ks d эi2 Fsа, где dэi – эквивалентный диаметр частицы неправильной формы; Ks – коэффициент соотношения диаметра частицы и площади диаметрального сечения с учётом формы (Ks ≤ π/4); Fsа – удельная сила адгезии, Па. Эквивалентный диаметр частиц находят по их равновеликому объёму из соотношения: dэi =

3

li ⋅ bi2 ,

(2.4)

где li и bi – размеры частиц в двух направлениях измерений. Представляя массу частицы mri зависимостью mri = KV dэiγк, (2.5) силу тяжести выражают Рi = KV dэiγкg, (2.6) где KV – коэффициент соотношения диаметра и объёма частиц, ограниченного развитой поверхностью; γк – плотность компактного материала частиц. Для частиц с размерами, приведёнными к эквивалентным диаметрам с небольшой погрешностью можно принять KV ≈ π/6. Из условия, определяемого равенством (2.2) и соотношений (2.3) и (2.5) критическое значение эквивалентного диаметра dэк находят dэк = K(Fsа – Fsк)/ γк g, (2.7) где K = Ks/KV, Fsк – удельная сила когезии (удельная сила адгезии к частицам нижерасположенного слоя смеси в смесителе), Па. При движении гранул и частиц порошков в смесителе в результате столкновений в наружных слоях и действия гравитационных, центробежных сил и сил трения во внутренних слоях частицы, обладающие большей твёрдостью, вдавливаются в поверхность частиц с меньшей твёрдостью, уплотняются оболочки гранул, 32

увеличиваются фактические контактные поверхности частиц. Увеличиваются силы адгезии между частицами. Размеры частиц фторопласта для материалов каркасного типа, изготовляемых с использованием эффекта взаимодействия частиц, должны быть больше критического. Это позволяет избегать их когезию. Условия каркасообразования из металлических частиц, не образующих оболочки гранул, т.е. из частиц с размерами больше критических, в некоторой мере улучшатся при применении порошков с размерами частиц определенных соотношений. При соизмеримости объемов частиц фторопласта с межчастичными пространствами металлических порошков, образующих каркас, в процессе прессования смесей металлические частицы будут приводиться в контакт между собой с перемещением по поверхностям частиц фторопласта, не подвергая их механодеструкции. При этом уменьшается вероятность попадания фторопласта в зону контакта металлических частиц. При условии получения компактного материала фторопласт заполняет все поровое пространство металлического каркаса. Объемы пор, образуемых металлическими частицами, зависят от размеров частиц и плотности их упаковки. Пористость прессовок из сферических частиц находится в пределах 25,9÷47,6 %. Отсюда следует, что в порах металлического каркаса разместится 25,9÷47,6 % фторопласта (по объему). Объем одной поры, занимаемой фторопластом, определяется зависимостью: Vc = (Vφф)/nп, (2.8) где Vc – средний объем поры; V – объем материала; φф – объемное содержание фторопласта; nп – число пор в объеме материала. Число пор в объеме зависит от размеров и упаковки металлических частиц при горячем прессовании, содержания фторопласта, его распределения в объеме, давления прессования. При равномерном распределении фторопласта и его содержании в пределах 25,9÷ 47,6 % число пор в объеме определяется: nп = (0,75÷1,71)nм, (2.9) где nм – число частиц металлического порошка в объеме, которое определяется из соотношения 33

3 nм= 6V(1 – φф)/(π d cм ), (2.10) где dсм – средний диаметр частиц металлического порошка. Из зависимостей (2.8), (2.9) и (2.10) средний объем выразится 3 Vc = (0,3÷0,7)(φф d cм )/(1 – φф). (2.11) Из уравнения (2.11) средний размер частиц фторопласта представится зависимостью dсф = (0,83÷1,1)dсм [φф/(1 – φф) ]1/3. (2.12) Значение коэффициента выбирают в зависимости от содержания фторопласта в материалах. Меньшее значение (0,83) соответствует меньшему значению количества фторопласта и наоборот.

2.3.2. Количественное соотношение порошковых компонентов в материалах Зависимость (2.12) определяет соотношение размеров частиц фторопласта и количественное содержание его в материалах, в которых формируется металлический каркас с сообщающимися порами, заполненными фторопластом. При формировании структур материалов каркасного и наполненного типов из гранул частиц компонентов предельные объемные соотношения их определяют из условия образования монослойной оболочки при смешивании порошков. При сферической форме и плотноупакованном покрытии поверхности ядра частицами материала основы (рис. 2.9) объемные соотношения компонентов гранулы представляют зависимостью Vо /Vя = nd3/D3, (2.13) где Vo – объем частиц материалаосновы (оболочки); Vя – объем частиРис. 2.9 – Схема гранулы: цы-ядра гранулы; n – число частиц, 1 – ядро, 2 – частица оболочки образующих монослойную оболочку. Число частиц с размерами d, с учетом несплошности поверхности образуемой оболочки определяют из соотношения площадей 34

поверхности сферы с диаметром (D+d) и диаметрального сечения частицы по зависимости n = 4Kн (1 + D/d)2, (2.14) где Kн – коэффициент несплошности поверхности оболочки гранулы. С учетом пластической деформации частиц в процессе горячего прессования с достаточной точностью для практики можно принять Kн = 1. При нагреве фторопласт увеличивается в объеме до 25 % [3]. С учетом этих факторов из зависимости (2.13) и (2.14) получаем Vо /Vя = (5d/D)(1 + d/D)2. (2.15) Считая материал оболочек гранул основой композиции любого типа, а материал частиц-ядер наполнителем этой основы, соотношение (2.15) выражающее предельные условия формирования структур композиции, в общем виде можно записать: (2.16) φо/φн = (5dо/dн)(1 + dо/dн)2, где φо и φн – объемное содержание компонентов (основы и наполнителя) в процентах (долях); do и dн – размеры частиц порошков компонентов композиции. Уравнение (2.15) позволяет определять предельные объемные соотношения компонентов при задаваемых размерах их частиц, при которых создаются наивыгоднейшие условия для формирования структур материалов каркасного или наполненного типов. В табл. 2.1 приведены расчетные значения предельного количества фторопласта в материалах каркасного типа в зависимости от размеров частиц порошков фторопласта и материала основы. Таблица 2.1 Значения предельного содержания фторопласта в композициях каркасного типа Размеры Предельное количество фторопласта (%) при частиц размерах частиц порошков материала основы, мкм фторопласта, мкм 2 4 6 8 10 30 72 54 41 32 25 60 84 72 62 54 47 90 89 81 72 65 59 120 92 84 78 72 67 35

Рассмотренные условия создаются на стадии подготовки смесей и предопределяют структуры материалов, содержащих фторопласты. Окончательное формирование структур и свойств материалов предопределяются рядом факторов, влияющих на процесс горячего прессования смесей, в состав которых входит фторопласт. Контрольные вопросы 1. Какие структуры формируются при изготовлении материалов, содержащих фторопласт? 2. Как формируются структуры многокомпонентных материалов? 3. Какие условия являются предельными для формирования структур материалов? 4. Какие значения размеров частиц порошковых компонентов материалов (металлов и фторопластов) являются критическими? 5. Как определяют количественное соотношение порошковых компонентов в материалах?

36

3. ГОРЯЧЕЕ ПРЕССОВАНИЕ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Горячим прессованием называют совмещенный процесс прессования и спекания порошков, т.е. процесс уплотнения порошков, развития межчастичного сцепления и формирования свойств порошковых материалов. В работах [10, 11] обобщены результаты исследований ряда авторов в области прессования и спекания порошковых материалов, рассмотрены вопросы уплотнения порошков и формирования структуры пористых материалов при горячем прессовании. 3.1. Процессы уплотнения порошков и развития межчастичного сцепления при горячем прессовании В ряде работ горячее прессование представлено как процесс, характеризующийся приложением быстро нарастающего до необходимой величины давления и сравнительно короткой выдержкой при повышенных температурах. Процесс, протекающий при длительной выдержке под постоянным давлением, называют спеканием под давлением. В работе [11] эти процессы сведены к двум ступеням единого процесса горячего уплотнения, так как спеканию под давлением практически всегда предшествует быстрое нагружение, а снимать нагрузку сразу не рекомендуют во избежание вредного влияния упругого последействия. Быстрое горячее прессование автор описывает уравнением, полученным им для холодного прессования, учитывая температурные влияния на характеристики материала порошков: (3.1) p = pк′ ⋅ α , где р – номинальное давление прессования; α – безразмерное контактное (критическое) сечение; pк′ – критическое (контактное) давление прессования, которое определяют зависимостью: pк′ = H 0′ / (1 − 2μк ⋅ α ) , (3.2) где H 0′ – кратковременная горячая твердость материала частиц; μк – коэффициент Пуассона компактного материала. 37

На второй стадии горячего прессования автор выделяет процессы переноса материи трёх различных типов: 1) перенос материи за счет перемещения атомов внутри объема частиц; 2) перенос материи за счет перемещения атомов по поверхности частиц; 3) перенос материи за счет взаимного перемещения частиц. Считают, что перенос материи за счет перемещения атомов по поверхности частиц (как и перенос за счет других дефектов) не отражается на типе уравнения зависимости степени уплотнения от времени горячего прессования при постоянном давлении. Но наличие этого вида переноса материи ускоряет процесс снижения кратковременной твердости и коэффициента вязкости. В работе приведены выведенные уравнения кинетики спекания под постоянным давлением. Изменение эффективного контактного давления прессования ( pк′ )02 представлено уравнением:

( pк′ )02 = 0,25η⋅ H 0′ / (t + t0 ) , (3.3) где η – коэффициент вязкости; t – время выдержки при постоянной температуре; t0 – эквивалентное время выдержки, учитывающее начальный период спекания, которое рассчитывают по зависимости (3.4) t0 = 0, 25ηH 0′ . Значение коэффициента вязкости и кратковременной горячей твердости уменьшается с увеличением активности порошков, т.е. с ростом подвижности атомов. Из уравнения кинетики уплотнения при холодном прессовании, имеющего вид: α2 p2 . (3.5) = 2 (1 − 2μ к α ) 2 ( pк′ )0 Подстановкой значений ( pк′ )02 из формулы (3.3) автором работы [11] получено соотношение p 2 (t + t0 ) α2 , (3.6) = 0, 25 (1 − 2μ к α ) 2 где постоянны все величины, кроме α и t. 38

Из этого соотношения можно рассчитывать время выдержки при заданной температуре Т, постоянном давлении рп и известных других составляющих: α 2 H 0′ 1 ⎪⎫ ⎪⎧ (3.7) t = 0, 25η ⎨ − ⎬, 2 H 0′ ⎭⎪ ⎩⎪ (1 − 2μ к α ) Безразмерное контактное сечение α представляют степенной зависимостью от относительной плотности υ вида: (3.8) α = υm, где m – показатель, зависящий от типа пористого тела, его пористости, структуры и других факторов. Для одной и той же плотности показатель может иметь различные значения. Уравнение, описывающее изменение пористости при горячем прессовании, предложенное Муррэем, Роджерсом и Вильямсом, имеет вид: ⎛Π ⎞ 3⎛ p⎞ (3.9) ln ⎜ н ⎟ ≈ ⎜ ⎟ t , ⎝ Π ⎠ 4⎝ η⎠ где Пн – начальная пористость; П – пористость горячепрессованного образца; t – время выдержки под давлением p. В отличие от прессования при комнатной температуре, когда самыми твердыми и трудно деформируемыми участками в связи с их окисленностью являются внешние слои, при горячем прессовании поверхностные слои легче деформируются, снижается коэффициент взаимного трения частиц. В результате релаксации остаточных напряжений при нагреве снимается наклеп, что интенсифицирует уплотнение. Непрерывное перераспределение напряжений, несинхронность концентраций их в результате ускоренного образования, залечивания и перемещения дефектов облегчает уплотнение при нагреве. Немалая роль в несинхронности концентраций напряжений принадлежит наложению явлений спекания под собственным капиллярным давлением, имеющим более местный, быстро меняющий направление и точки приложения характер. Как при холодном, так и при горячем прессовании в стадии невысоких плотностей характерно преобладание межчастичной деформации. При наиболее высоких плотностях исключается 39

перемещение частиц, уплотнение происходит за счет атомов (внутричастичной деформации). При горячем прессовании при одинаковой плотности достигается высокая прочность, что вызвано развитием межчастичного сцепления явлениями, присущими спеканию порошков. В процессе спекания происходит удаление адсорбированных паров и газов, восстановление и диссоциация окисных плёнок, диффузионное перемещение атомов, исправление дефектов кристаллической решетки металлических порошков, рекристаллизация, перенос материала через газовую фазу и другие явления, в результате которых изменяется состояние межчастичных связей и структуры пористых материалов в целом. В результате поверхностной диффузии атомов происходит сглаживание поверхностей соприкасающихся участков частиц, сфероидизация пор, перемещение атомов с поверхностей крупных на поверхность мелких (сообщающихся) пор, что приводит к увеличению и упрочнению межчастичных контактов. За счет объемной диффузии атомов по вакансиям (или диффузии вакансий от мелких пор к крупным) происходит поглощение мелких пор крупными. Диффузия атомов по межкристаллическим границам идет во много раз быстрее, чем по объему кристалла, поэтому процесс коагуляции пор при спекании происходит быстрее в брикетах из порошков с меньшими размерами частиц. Спекание металлических порошков сопровождается изменением объема сформированного пористого тела, чаще всего его уменьшением. Механизм усадки при спекании заключается в объемной деформации частиц в результате объемной диффузии атомов по вакансиям. Иногда нарушается процесс усадки, наблюдается её снижение или даже рост объема. Причинами этого являются наличие невосстанавливающихся оксидов, фазовые превращения, выделения газов, релаксация напряжений, возникших при прессовании. Рост объема спекаемых тел происходит при образовании закрытой пористости, составляющей более 7 %. Расширение газов, находящихся в закрытых порах, препятствует уплотнению при спекании, и вызывают рост брикетов. Образова40

нию закрытой пористости способствует наличие в порошке оксидов. Пленка невосстанавливающихся оксидов тормозит процессы диффузии, препятствуя усадке [10]. Существенную роль в завершении перестройки структуры, подготовляемой процессами прессования, восстановления оксидов и усадкой, играет межчастичная собирательная рекристаллизация, протекающая при сближении частиц на расстояние межатомного взаимодействия при температурах выше 0,45 температуры плавления (Тпл). На развитие межчастичных контактов влияет перенос атомов через газовую среду от поверхностей с положительным радиусом кривизны к поверхностям, имеющим отрицательный радиус кривизны, т.е. к перемычкам между частицами. Рассмотренные процессы – это однокомпонентные системы, к которым относятся и гомогенные металлические сплавы, и химические соединения. На практике чаще всего имеют дело с многокомпонентными системами, при спекании которых уменьшение свободной поверхностной энергии зависит не только от уменьшения поверхности пор и исправления искажений кристаллической решетки, но и от протекания гетеродиффузии. Для большого числа сплавов, получаемых из металлических порошков, процесс спекания протекает в присутствии жидкой фазы, которая образуется при расплавлении более легкоплавкого компонента или за счет образования эвтектики. Механизм твердофазного и жидкофазного спекания многокомпонентных систем зависит от характера диаграмм состояния спекаемых систем. 3.2. Влияние некоторых факторов на процесс формирования межчастичных контактов и свойства порошковых материалов

Процесс формирования межчастичных контактов и изменение плотности порошковых материалов предопределяется свойствами исходных порошков, размерами и состоянием поверхностей их частиц и технологическими факторами. Уменьшение размеров частиц, увеличение их удельной поверхности активирует процесс 41

спекания. При этом повышается прочность, улучшаются другие характеристики при одинаковой плотности. Дефекты кристаллического строения в выступах высокоразвитой поверхности частиц, образование микропор с малыми радиусами кривизны на стенках таких частиц, оксиды, содержащиеся в большом количестве в мелких порошках и восстанавливающиеся при смешивании, способствуют диффузионной подвижности атомов. Дезактивация процесса формирования межчастичных контактов происходит при спекании брикетов, спрессованных из порошков со сглаженным рельефом поверхностей частиц и устранённым несовершенством кристаллического строения при отжиге [11]. Снижение скорости нагрева перед изотермической выдержкой или предварительная выдержка при более низких температурах содействует зональному обособлению частиц, дезактивирующему спекание. В обоих случаях это связано с действием одного механизма в результате снижения поверхностной энергии. Существенное влияние на процесс спекания оказывает температура. С её повышением повышается плотность и прочность порошковых материалов. При высоких температурах происходит значительный количественный рост металлических контактов, уплотнение пор под действием сил поверхностного натяжения, увеличивается пластичность материалов. Максимальная прочность порошковых материалов достигается за относительно короткое время. Пластичность растет в течение длительного времени, что связано с удалением кислорода при спекании. Время выдержки при спекании зависит от состава и плотности материала, размеров деталей, давления, среды, в которой проводится спекание и других факторов. Применение восстановительной среды активирует процесс формирования межчастичных контактов в результате восстановления оксидных плёнок и интенсификации миграции атомов металла к контактным участкам по поверхностям и в объеме. В повышенной степени активируется процесс спекания при добавлении в восстановительную среду хлористых или фтористых соединений, которые способствуют переносу атомов в места с меньшим запасом свободной энергии, рафинированию спекаемого материала, восстановлению и диссоциации оксидов. 42

Процесс уплотнения активируется также увеличением давления, наложением вибрации, циклическим изменением температуры, подпрессовкой между повторными спеканиями. Приведенные результаты исследований [11] свидетельствуют, что хороших результатов можно достичь при сочетании низкотемпературных спеканий с промежуточной подпрессовкой. Для меди высокая прочность получена 3–4-кратным спеканием при температуре 570 К с промежуточной подпрессовкой при давлении р = 350 МПа. Окисление при спекании крайне нежелательно, так как процесс уплотнения и упрочнения спекаемых изделий тормозится и даже останавливается при образовании оксидных пленок на поверхности частиц. Активирование процесса спекания порошков восстановлением оксидных пленок поверхностей их частиц может приводить к нежелательным результатам. Взаимодействие оксидов с водородом сопровождается образованием пара воды, который вызывает дефекты в объеме спекаемого материала [10]. Высокую степень активирования формирования межчастичных контактов достигают спеканием в вакууме, который способствует быстрому удалению газов, а при жидкофазном спекании улучшает смачивание тугоплавких компонентов и равномерное распределение жидкой фазы в объеме спекаемых изделий. 3.3. Особенности формирования структуры и свойств при горячем прессовании материалов, содержащих фторопласты

При горячем прессовании материалов из смеси порошков металла (сплава) и фторопласта с размерами частиц, при которых создаются наивыгоднейшие условия для формирования металлического каркаса, изменяется объем смеси за счет объемной деформации частиц фторопласта и уплотнения металлического порошка с формированием закрытых ячеек с фторопластом внутри. Температуру горячего прессования выбирают ниже температуры термодеструкции фторопласта на 10 К. С увеличением давления горячего прессования температура может быть повышена до соответствующих давлению значений. 43

Давление и время выдержки под давлением являются факторами, связанными соотношением (3.7). Большая разница в физико-механических свойствах фторопластов и металлов вызывает особенности при формировании структур и свойств материалов в процессе горячего прессования их из смесей порошков. При охлаждении и снятии давления объемы фторопластов и металлического каркаса уменьшаются в результате снижения температуры и увеличиваются под действием сил упругости при уменьшении или полном снятии давления. Разница в температурных и упругих деформациях структурных элементов композиций может приводить к появлению в них напряжений, ухудшающих физикомеханические свойства. Для выбора давления горячего прессования представляет интерес оценка величины остаточных напряжений в структурных элементах материала и их влияние на прочность деталей из него. Равновесное состояние структурной системы композиции (рис. 3.1) можно выразить равенством: σмφм + σфφф = 0 или σм = (–φм/φф)σф, (3.10) где σм и σф – остаточные напряжения в структурных элементах материала (в металлическом каркасе и фторопласте), МПа; φм и φф – объемные доли компонентов в материале, определяемые отношением объемов компонентов Vм и Vф к объему материала Vс или отношением площадей, занимаемых компонентами в сечении материала Sм и Sф к суммарной площади сечения Sс.

Рис. 3.1. Структурная система композиции: 1 – каркас из металлических порошков, 2 – фторопласт, 3 – пресс-форма 44

В общем виде можно представить зависимостью: V S ϕi = i = i , Vc Sc где i – индекс компонента материала; φi – объемная доля i-го компонента; Vi и Si – объем и площадь сечения i-го компонента. Напряжения в структурных элементах можно найти из рассмотрения состояний системы, в которых она находится в процессе изготовления материалов, т.е. в сжатом, при повышенной температуре и охлажденном свободном состояниях. При условии сплошности рассматриваемой системы линейные размеры контактирующих структурных элементов и в первом и во втором состояниях попарно равны (Lфх = Lмх; Lфг = Lмг) и определяются соотношениями: для сжатого при повышенной температуре состояния: ⎛ ⎛ β p ⎞⎞ ⎛ ⎛ β p ⎞⎞ Lфг = Lф0 ⎜⎜1 + α ф ΔT − ⎜ ф ⎟ ⎟⎟ и Lмг = Lм0 ⎜1 + α м ΔT − ⎜ м ⎟ ⎟ ; (3.11) ⎝ 3 ⎠⎠ ⎝ ⎝ 3 ⎠⎠ ⎝ после охлаждения:

⎛ σф ⎞ ⎛ σ ⎞ и Lмх = Lм0 ⎜1 + м ⎟ , (3.12) Lфх = Lф0 ⎜1 + ⎜ Е ⎟⎟ ф ⎠ ⎝ Ем ⎠ ⎝ где Lфг, Lмг, Lфх, Lмх – длины структурных элементов (фторопласта и металлического каркаса) в сжатом при повышенной температуре и охлажденном свободном состояниях, мм; Lф0 и Lм0 – исходные длины структурных элементов, мм; αф и αм – линейные коэффициенты температурного расширения структурных элементов, Кֿ¹; βф и βм – объемные коэффициенты сжимаемости структурных элементов, МПа–¹; Еф и Ем – модули упругости структурных элементов, МПа; ΔТ – разность температур горячего прессования и исходного состояния, К. При делении соотношений (3.11) на (3.12) и проведении преобразований с учетом соотношения (3.10) получим ⎡ p(βф − βм ) ⎤ − ΔТ (αф − αм )⎥ Ем Ефϕф ⎢ 3 ⎣ ⎦ σм = .(3.13) p(βф Ефϕф − βм Ем ϕм ) Ефϕф + Ем ϕм + ΔТ (αф Ефϕф − αм Емϕм ) − 3 45

Отсутствие остаточных напряжений в структурных элементах материалов (σм = 0 и σф = 0) может быть достигнуто при давлении горячего прессования p0, определяемом условием, полученным из соотношения (3.13) при σм = 0: 3ΔТ (α ф − α м ) . (3.14) р0 = βф − β м Коэффициенты βф и βм зависят от плотностей и характеристик материалов структурных элементов и изменяются в процессе горячего прессования. Как показывает практика горячего прессования материалов, содержащих фторопласт, наибольшая прочность их достигается при давлениях p > p0, что свидетельствует о недостаточной степени консолидации металлических порошков при низких температурах и давлении p0. Для металлического каркаса, находящегося в напряженном состоянии после горячего прессования, предел прочности при растяжении σвк можно представить зависимостью σвк = σпк – σм, (3.15) где σпк – предел прочности пористого каркаса в ненапряженном состоянии, МПа. Величины предела прочности σпк и характеристик структурных элементов Еф и Ем, входящие в уравнение (3.13), связаны через соответствующие характеристики компактных материалов (Ефк и Емк) и безразмерные контактные (критические) сечения соотношениями [11]: σпк= σмкα; Еф = Ефкα1; Ем = Емкα1, где α1 и α – безразмерные контактные сечения фторопласта и пористого металлического каркаса соответственно. Коэффициенты сжимаемости структурных элементов (βф и βм), выражаемые известными зависимостями через коэффициенты Пуассона μф и μм и модули Юнга (βф = 3(1–2μф) Еф−1 и βм = 3(1–2μм) Ем−1 ), через характеристики компактных материалов представляются соотношениями: −1 −1 βф = 3(1 − 2μф α1 )Ефк α1 и βм = 3(1 − 2μ мк α )Емк (3.16) α. 46

Учитывая, что фторопласт уплотняется до компактного состояния при небольших давлениях (р ≤ р0), можно принять α1= 1. Подставив соотношения (3.13) с характеристиками, выраженными через соответствующие характеристики компактных материалов, и (3.16) в зависимость (3.15), получим: σвк = σмк α −

−

р[αЕмк (1 − 2μфк ) − Ефк (1 − 2μмк α )] − αЕфк Емк ΔЕ (αф − αм ) . Ефк (1 + αф ΔТ ) + ϕм αЕмк (1 + αм ΔТ ) ϕм (1 − 2μмк α ) − р[(1 − 2μфк ) + ϕф ϕф

(3.17) В уравнение (3.17) входят два функционально зависимых параметра р и α. Выражением одного из них из уравнения кинетики горячего прессования (3.7) и подстановкой в уравнение (3.17) учитывают температурное влияние на формирование межчастичных контактов в металлическом каркасе композиций. В табл. 3.1 приведены значения пределов прочности при растяжении композиций на основе бронзы Бр ОС 6-6 (размер частиц 1÷10 мкм), рассчитанные по формуле (3.17). Нагрузку снимали при температуре 380 К после выдержки в течение 90 мин при температуре 650 К с последующим охлаждением. Значения коэффициентов вязкости η и твердости Н 0′ определены при температуре 650 К. Таблица 3.1 Значения пределов прочности σвк композиций на основе бронзы Состав композиций Бронза Бр. ОС 6-6 (50%) + фторопласт-4ДПТ (50%) Бронза Бр. ОС 6-6 (60%) + фторопласт-4ДПТ (40%) Бронза Бр. ОС 6-6 (70%) + фторопласт-4ДПТ (30%)

Значения σвк при давлениях горячего прессования р, МПа 100 200 250 300 400 35,3

42,6

44,1

42,4

33,2

46,3

52,5

55,2

60,1

57,4

62,4

70, 2

83, 1

86, 3

89, 5

47

Изменения рассчитанных значений пределов прочности в зависимости от давления горячего прессования показывают, что до определенных значений давлений упрочнение металлического каркаса протекает с более высокой степенью, чем рост остаточных напряжений в нем, вызываемых механизмом температурного и упруго-деформационного взаимодействия структурных элементов композиций. При определенных давлениях, характерных для конкретных соотношений компонентов, упрочнение и рост остаточных напряжений выравниваются. Эти давления являются оптимальными в формировании характеристик прочности. При увеличении давления за оптимальными значениями меньшая степень упрочнения каркаса по сравнению с ростом остаточных напряжений вызывает снижение предела прочности. Значения оптимальных давлений увеличиваются с уменьшением содержания фторопласта в композиции. Полученное соотношение (3.17) подчеркивает особенности процесса горячего прессования, отличающее его от горячего прессования порошков металлов или их сплавов. 3.4. Оптимизация процессов горячего прессования материалов, содержащих фторопласты

По полученным выше соотношениям (3.17) и (3.7) можно найти частные зависимости прочности от времени горячего прессования и объемных соотношений компонентов. Более сложно найти значения факторов, при которых формируется комплекс характеристик, определяющих лучшие служебные свойства материалов конкретного практического применения. Наиболее целесообразно оптимизацию состава материалов и процесса их изготовления проводить экспериментально с применением математического планирования, позволяющего получать математические модели процессов, описывающие области оптимума. Чаще всего такие модели получают при реализации планов второго порядка. Модель для описания области оптимума в общем виде представляют полиномом второй степени вида (3.18) y = b0 + Σbi xi + Σbil xi xl + Σbii хi2 , 1≤i≤k

1≤i
1≤i≤k

где y – выборочная оценка функции отклика; b0, bi, bil, bii – оценочные коэффициенты теоретических коэффициентов уравнения регрессии, определяемые обработкой результатов опытов эксперимента; xi, xl – независимые переменные факторы в кодированном виде. Подстановкой в уравнения, полученных в кодированном виде, соотношений, связывающих кодированные и натуральные значения факторов, получают математические зависимости изучаемых параметров (характеристик материалов) от влияющих факторов. Анализ математических зависимостей каждой характеристики и анализ всего их комплекса позволит найти оптимальные составы и режимы горячего прессования материалов. Для получения информации о нахождении области оптимума по комплексу характеристик материалов предварительно проводят экспериментальное уточнение и выявление влияния ряда факторов на характеристики, определяющие служебные свойства. Контрольные вопросы 1. Каковы структуры материалов каркасного типа и условия их формирования? 2. Как формируется металлический каркас материалов, изготовляемых горячим прессованием из смесей компонентов? 3. Как формируются структуры материалов наполненного типа? 4. Как формируются структуры многокомпонентных материалов, содержащих фторопласт? 5. Каковы предельные условия для формирования структур каркасных и наполненных материалов? 6. Каковы особенности формирования структуры и свойств при горячем прессовании материалов?

49

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ФТОРОПЛАСТЫ Экспериментальные исследования проведены с целью проверки и подтверждения теоретических положений решения следующих задач: 1) исследование адгезии частиц порошковых компонентов и определение предельных размеров частиц, при которых создаются наилучшие условия формирования основ материалов, содержащих фторопласт; 2) экспериментальная проверка теоретических положений формирования структур материалов каркасного и наполненного типов, изготовляемых горячим прессованием непосредственно из смесей порошков, с определением предельных соотношений составляющих компонентов; 3) выявление влияния состояния металлических порошков и технологических факторов на прочность, антифрикционные свойства и вязкоупругие характеристики материалов; 4) определение интервалов оптимальных содержаний компонентов, размеров частиц порошков и технологических факторов, при которых достигается лучший комплекс характеристик, определяющих служебные свойства антифрикционных и уплотнительных многокомпонентных материалов на основе фторопластов разных марок; 5) конструкция, технология изготовления, ресурс работы деталей из антифрикционных материалов. 4.1. Адгезия частиц порошковых компонентов Адгезия частиц обусловлена различными силами, расчеты которых не дают точных результатов. Более объективным является метод экспериментального определения сил адгезии, которые по значению равны, а по направлению обратны силам отрыва. Силы отрыва частиц определяют по углу наклона запыленной поверхности, центробежным методом, воздействием вибрационных 50

или импульсных сил. Силы отрыва между отдельными частицами или отдельными частицами и плоскостью определяют на приборах и установках, в принцип измерения которых положен маятниковый метод или деформация кварцевой пружины. Совершенствование методов определения адгезии путем отрыва отдельных частиц достигали применением сложных и уникальных приборов. Использование межчастичного взаимодействия для формирования агрегатов смесей из порошковых компонентов не требует определения составляющих сил адгезии и для практики достаточно ограничиться определением их средних значений. 4.1.1. Методика определения сил адгезии частиц порошковых компонентов Для определения сил адгезии частиц порошковых компонентов антифрикционных и уплотнительных материалов к плоским поверхностям и к поверхностям частиц использован метод импульсного воздействия сил на частицы, падающие с высоты h вместе с подвижной частью 1 на опору 2 устройства (рис. 4.1) установленной на пружине 4. Для определения сил адгезии частиц порошков к поверхностям компактных материалов частицы с размерами (1÷80 мкм) наносили на торцовые или боковые поверхности вставок 3, изготовленных из материалов исследуемых компонентов. Для определения сил адгезии частиц компонентов к поверхностям частиц одноименных или других компоРис. 4.1. Схема устройства нентов последние (больших размеров) приклеивали к подвижной части устройства (на поверхность вставки) и на них наносили частицы первых. Изменение импульса силы производили изменением высоты h, на которую поднимали подвижную часть устройства с частицами. 51

Силы отрыва, развиваемые при падении подвижной части устройства на подпружиненную опору, определяют по известной зависимости (4.1) Fоi = mri(amax + g), где Fоi – сила отрыва, действующая на каждую частицу, Н; mri – масса частиц, кг; amax – наибольшее значение ускорения подвижной части, м·с–2; g – ускорение свободного падения, м·с–2. Из уравнения движения подвижной части устройства под действием пружины наибольшее значение ускорения выразится (4.2) amax = схmax/m, где xmax – наибольшая величина деформации пружины, м; m – масса подвижной части с частицами, кг; с – жесткость пружины, Н·м-¹. Величину максимальной деформации пружины фиксируют экспериментально или находят из равенства потенциальной энергии подвижной части устройства, поднятой на высоту h (кинетической энергии в момент падения на опору с пружиной), и работы сжатия пружины до величины xmax: mgh = схmax2/2. (4.3) Из равенства (4.3) хmax= 2ghm / c. (4.4) Из уравнений (4.2.) и (4.4) получим amax= 2ghc / m.

(4.5)

Из уравнений (4.1) и (4.5) при падении подвижной части устройства на опору с пружиной на каждую частицу порошка действует сила отрыва Foi = mri ( 2 ghc / m + g). (4.6)

При условии Foi > Fadi частицы с размерами, соответствующими массам mri отрываются от поверхности вставки или других частиц. Из критических условий (Fadi = Foi) и уравнений (4.6) и (2.5) силы адгезии частиц определяют из зависимости (4.7) Fadi = 0,523( d э3i γ ( 2 ghc / m + g ) . Удельную силу адгезии из зависимостей (4.7) и (2.3) представляют уравнением Fsi = 0, 667 d эi γ ( 2 ghc / m + g ) . (4.8) 52

Силы, которыми частицы удерживаются на поверхности, в значительной мере компенсируются на площади фактического контакта частиц. Трудность в определении фактического контакта частиц лишает возможности объективной оценки зависимости сил адгезии от размеров частиц порошков. Наиболее удобно эту зависимость выявляют с помощью гравитационного коэффициента [7]. Для частиц, отрывающихся под действием сил, развиваемых при падении подвижной части с частицами на опору с пружиной, гравитационный коэффициент Ku определяют как отношение силы отрыва (или адгезии) частиц к силе гравитации Ku = Fadi/ Pi, (4.9) где Pi – сила гравитации, действующая на частицу, Н. Подставив известное выражение силы гравитации и зависимость силы адгезии (4.7) в соотношение (4.9), получим Ku =

2hc / mg +1.

(4.10)

4.1.2. Силы адгезии и размеры частиц порошковых компонентов

Экспериментально определены силы адгезии частиц неправильной формы порошков бронзы Бр ОС 6-6, никеля электролитического и карбонильного, фторопласта-4ДПТ (ТУ 6-05-041-372-72), 4ДТ, 4ПФТ и фторопласта-40 к плоской поверхности и поверхности частиц фторопласта 4ДПТ, плоской поверхности и поверхности частиц бронзы Бр ОС 6-6. В опытах для каждой высоты, с которой падала подвижная часть устройства, измеряли размеры наименьших частиц порошков, и определяли средние значения эквивалентных диаметров. В табл. 4.1 приведены силы и удельные силы адгезии бронзовых частиц к различным поверхностям, определенные условием Fadi = = Foi по зависимостям (4.7) и (4.8). Близкими к результатам для бронзового порошка получены результаты для порошков никеля. 53

Таблица 4.1 Силы адгезии бронзовых частиц Эквивалентные диаметры частиц, мкм 11 9,6 8,2 7,4 6,5 5,7 5,2 4,2 3,8 3,3 2,7

Силы (Fadi) и удельные силы (Fsi) адгезии к поверхностям Бронза, Бронза, Фторопласт, Фторопласт, плоскость поверхность плоскость поверхность частиц частиц (dср = 150 (dср = 150 мкм) мкм) Fs, Fad, Н Fs, Па Fad, Н Fs, Па Fad, Н Fs, Па Fad, Н ×10-10 ×10-10 ×10-10 ×10-10 Па 6,5 6,84 4,82 6,66 5,1 7,05 2,69 5,1 3,56 6,74 2,83 5,36 3,82 7,24 2,96 6,88 2,38 5,54 3,19 7,42 1,76 5,29 2,36 7,12 2,07 6,24 2,56 7,71 1,73 6,78 1,19 5,57 1,52 7,16 1,33 6,27 1,59 7,49 0,76 5,51 0,97 7,00 0,82 5,92 0,62 5,48 0,64 5,64 0,71 6,26 0,58 6,78 0,47 5,49 0,28 4,89 0,30 5,24 -

Силы адгезии увеличиваются с увеличением размеров частиц, что связано с увеличением фактической поверхности контактов. Удельная сила адгезии с изменением размеров частиц изменяется в узком интервале. Для практических целей используют среднее значение удельной силы, зависящее от контактирующих материалов и характера контактирующих поверхностей. Силы адгезии к поверхностям частиц больше, чем к плоской поверхности. Аналогичные зависимости сил адгезии получены для частиц фторопласта к поверхностям бронзы и фторопласта (табл. 4.2) и поверхности никеля (табл. 4.3). Из сравнения удельных сил адгезии частиц порошков к поверхностям бронзы, никеля и фторопласта видно, что наименьшие значения их относятся к частицам фторопласта, контактирующим с поверхностью фторопласта. Значительно больше они при контактировании с бронзой или никелем. Разница в значениях сил адгезии 54

может быть использована для создания благоприятных условий образования агрегатов смесей при смешивании компонентов. При смешивании частицы фторопласта не будут соединяться между собой, а будут покрываться металлическими частицами, силы адгезии которых к фторопласту больше сил когезии фторопластовых частиц. Таблица 4.2 Силы адгезии частиц фторопласта–4ДПТ Эквивалентные диаметры частиц, мкм

36 26 19 15 13,6 11,4 9,6

Силы (Fadi) и удельные силы (Fsi) адгезии к поверхностям Фторопласт, Фторопласт, Бронза, Бронза, плоскость поверхность плоскость поверхность частиц частиц (dср = 150 (dср = 150 мкм) мкм) Fs, Fad, Н Fs, Fad, Н Fs, Fad, Н Fs, Fad, Н Па Па Па ×10-10 Па ×10-10 ×10-10 ×10-10 56,3 5,53 62,6 6,15 30,2 5,69 34,1 6,41 18,25 3,44 21,6 4,07 16,6 5,86 18,5 6,53 10,12 3,51 12,29 4,34 10,45 5,92 11,87 6,72 6,87 3,89 7,91 4,48 8,2 5,64 9,39 6,47 5,93 4,09 6,62 4,56 5,37 5,26 6,07 5,95 4,32 4,24 5,06 4,96 2,95 4,08 3,24 4,48 Таблица 4.3

Силы адгезии частиц фторопласта к поверхностям никеля Эквивалентные диаметры частиц, мкм 38 27,5 20,5 15,2 14 11,5

Силы (Fadi) и удельные силы (Fsi) адгезии Поверхность частиц Плоская поверхность никеля (dср = 150 мкм) Fs, Па Fad, Н ×10-10 Fs, Па Fad, Н ×10-10 59,2 5,22 63,8 5,63 32,3 5,44 34,12 5,75 18,6 5,64 19,32 5,86 10,36 5,72 1,95 6,04 8,47 5,51 8,67 5,63 5,61 5,41 5,76 5,55 55

Силы адгезии металлических частиц к частицам фторопласта в процессе смешивания увеличиваются в сравнении со свободным нанесением их на поверхность частиц фторопласта (табл. 4.4). Таблица 4.4 Адгезия бронзовых частиц к поверхности частиц фторопласта после смешивания Параметры адгезии Сила адгезии Fadi, Н × 10–10 Удельная сила адгезии Fsi, Па

Значение параметров адгезии частиц с эквивалентными диаметрами, мкм 11,6 9 8,2 7,3 5,5 7,6

6,1

5,2

4,27

1,97

7,19

9,59

9,86

10,2

8,3

Увеличение сил адгезии при смешивании порошковых компонентов вызывается в основном в результате сближения частиц под действием сил, возникающих при движении порошковых масс в смесителе. Зависимость сил адгезии от размеров частиц порошков бронзы и фторопласта представлены графическими зависимостями коэффициента гравитации (рис. 4.2 и 4.3). Гравитационный коэффициент (Ku) увеличивается с уменьшением размеров частиц всех порошковых материалов. Большей адгезией обладают частицы к поверхностям разноименных материалов в сравнении с адгезией к поверхностям одноименных материалов (когезией). Из графических зависимостей гравитационных коэффициентов определяют критические размеры частиц порошковых компонентов, удерживающихся на поверхностях других частиц, при действии на них только сил тяжести. Для этого достаточно продолжить линии соответствующих зависимостей до пересечения с линией соответствующей значению Ku = 1. Максимальными эквивалентными диаметрами частиц порошков бронзы, железа, меди и никеля, способных удерживаться на поверхностях частиц фторопласта, будут dэ = 12÷13 мкм. 56

Рис. 4.2. Зависимость гравитационного коэффициента от размеров частиц бронзы: 1 – бронза, плоскость; 2 – фторопласт, плоскость; 3 – бронза, поверхность частиц; 4 – фторопласт, поверхность частиц; 5 – фторопласт, поверхность частиц после смешивания

Рис. 4.3. Зависимость гравитационного коэффициента от размеров частиц фторопласта: 1 – фторопласт, плоскость; 2 – бронза, плоскость; 3 – фторопласт, поверхность частиц; 4 – бронза, поверхность частиц 57

Для частиц фторопласта, способных удерживаться на поверхностях металлических порошков, наибольшими эквивалентными диаметрами являются dэ = 55÷60 мкм. С учетом действия сил на частицы при смешивании сухих порошковых компонентов в механических смесителях критические размеры частиц определены по зависимости (2.7) и экспериментальным значениям удельных сил адгезии частиц (табл. 4.1; 4.2). Размеры частиц dэ = 72÷95 мкм фторопласта и dэ = 12÷15 мкм для металлических порошков (медь, бронза, железо, никель) являются критическими. Агрегаты частиц с оболочкой из частиц порошков основы материала могут формироваться при применении порошков основы с размерами частиц, меньшими критических значений. 4.2. Влияние размеров частиц и содержания порошковых компонентов на формирование структуры материалов 4.2.1. Методика исследований формирования структуры материалов

Структура материалов, содержащих фторопласт, предопределяет их тип, физико-механические и химические свойства. Формирование структуры материалов каркасного типа при формовании из смесей компонентов рассматривают как процесс уплотнения пористого порошкового тела, поры которых заполнены фторопластом. Значительную часть свойств пористых тел выражают через два основных параметра – критическое сечение и относительную плотность [11]. При уплотнении пористого порошкового тела меняется степень его консолидации и все его характеристики и свойства. При уплотнении материалов из смесей, содержащих фторопласт, большинство свойств будет зависеть от степени консолидации основы материала и взаимодействия с другими компонентами. Процесс структурообразования в зависимости от размера частиц порошковых компонентов и их содержания в смесях характеризу58

ют направлением изменения физико-механических характеристик при одинаковых относительных плотностях по материаламосновам при изменении содержания фторопласта. Относительная плотность υ пористого порошкового тела определяется по известной зависимости υ = γп/ γ ′к , (4.11) где γп – плотность пористого тела, кг·мֿ³; γ ′к – плотность компактного материала пористого тела, кг·мֿ³. Относительная плотность по материалу-основе определяется из зависимости υм = (γαо/γк)⋅10-2, (4.12) где γ – плотность прессовок, кг⋅мֿ³; αо – содержание материалаосновы в смеси в процентах по массе; γк – плотность компактного материала-основы, кг⋅мֿ³. Увеличение содержания фторопласта при одинаковых относительных плотностях по металлической фазе в прессовках вызывает уменьшение или увеличение удельного электрического сопротивления, предела прочности при срезе и других физико-механических характеристик в зависимости от размеров частиц порошковых компонентов. Процесс формирования металлического каркаса при уплотнении смесей наиболее целесообразно характеризовать изменением удельного электрического сопротивления, так как при этом отпадает необходимость учитывать влияние фторопласта. В прессовках смесей из мелкого металлического и крупного фторопластового порошков создаются наивыгоднейшие условия для формирования металлического каркаса и увеличение содержания фторопласта при одинаковых относительных плотностях по металлической фазе вследствие увеличения гидростатического давления в порах при уплотнении будут способствовать уплотнению металлического порошка, увеличению степени консолидации основы (каркаса) в определенных пределах содержания фторопласта, что уменьшит удельное электрическое сопротивление. Таким образом, по изменению удельного электрического сопротивления косвенно оцениваем уплотнение каркаса по металлической фазе. 59

Наоборот, в прессовках смесей из крупного металлического порошка и мелкого порошка фторопласта увеличение содержания последнего из-за увеличения толщины фторопластовых оболочек агрегатов частиц будет снижать степень консолидации металлической фазы и увеличивать электрическое сопротивление. Процесс структурообразования при формировании смесей предопределяется на стадии смешивания порошковых компонентов. Образование агрегатов частиц (гранул) на стадии смешивания легко наблюдать по изменению цвета смесей и рассмотрением отдельных агрегатов на микроскопе. Для исследования готовили двухкомпонентные смеси из порошков бронзы, никеля с размерами частиц 1÷10 мкм и фторопласта с размерами частиц 30÷160 мкм и из порошков бронзы, никеля с размерами 30÷160 мкм и фторопласта с размерами частиц 1÷15 мкм. Содержание фторопласта в смесях изменяли от 20 до 80 % по объему. Смешивание производили в механическом смесителе по методу пересыпания. Смеси прессовали в токонепроводящей матрице при давлениях 0,5÷120 МПа с одновременным замером электрического сопротивления по схеме, показанной на рис. 4.4, и определением высоты прессовок. По массе и объему образцов определяли плотности прессовок.

Рис. 4.4. Схема измерения электросопротивления: 1 – матрица; 2, 3 – пуансоны; 4 – мост сопротивления Р333; 5 – источник питания постоянного тока Б5-44.

При горячем прессовании повышалась степень консолидации материала основы в результате спекания частиц. Степень консолидации зависела от температуры, времени и давления горячего прес60

сования, характера контактирования частиц, их спекаемости при температурах, определяемых температурами термодеструкции фторопластов, условий горячего прессования и структуры, полученной на стадии формирования смесей. Влияние размеров частиц порошковых компонентов и содержания фторопластов на структуру материалов при горячем прессовании выявлялось визуально и по изменению физико-механических характеристик. 4.2.2. Образование агрегатов из частиц порошковых компонентов при смешивании

При смешивании порошков фторопласта с размерами частиц 30÷160 мкм и металлических порошков с размерами частиц 1÷10 мкм при содержании фторопласта до 65 % смесь приобретет цвет металлических порошков (бронзы, никеля). Это свидетельствует о формировании на поверхности частиц фторопласта оболочек из металлических частиц. Образование агрегатов с оболочкой из металлических частиц хорошо просматривается в микроскопе (рис. 4.5). При содержании фторопласта в смесях более 65 % (по объему) смесь приобретает беловатый оттенок. Из-за недостатка металлических порошков поверхность частиц фторопласта не покрывается сплошной оболочкой. В агрегатах просматривается часть поверхности фторопластовых частиц.

а б Рис. 4.5. Агрегаты с оболочками из металлических частиц (×300): а – бронза (d = 1÷10 мкм) + 60 % фторопласта (d = 30 ÷ 160 мкм); б – никель (d = 1÷10 мкм + 60 % фторопласта (d = 30÷160 мкм) 61

При смешивании металлических порошков с размерами частиц 30÷160 мкм и порошков фторопласта с размерами частиц 1÷15 мкм смесь приобретает цвет, определяемый фторопластом во всем интервале количественных соотношений порошковых компонентов. Частицы фторопласта покрывают поверхности металлических частиц (рис. 4.6), образуя оболочки агрегатов.

Рис. 4.6. Агрегаты с оболочками из частиц фторопласта (d = 1÷15 мкм, 40 %) и металлического порошка (d = 30÷160 мкм) (×300)

При содержании фторопласта 20÷50 % смесь имеет серый оттенок – просматривается непокрытая частицами фторопласта поверхность металлических частиц. 4.2.3. Формирование структуры материалов на стадии формования смесей

В процессе формования смесей, представляющих совокупность агрегатов частиц порошковых компонентов, формируется структура, предопределенная на этапе смешивания соотношением размеров частиц и содержанием фторопласта. Смеси, полученные из порошков фторопласта с размерами частиц 30÷160 мкм и металлических порошков с размерами частиц 1÷10 мкм, при уплотнении способствуют формированию металлического каркаса из металлических частиц оболочек агрегатов (рис. 4.7, светлые пятна). Фторопласт упорядоченно распределяется в объеме формируемого материала (рис. 4.7, темные пятна). 62

Рис. 4.7. Структура прессовок металлокаркасных материалов

При уплотнении смесей из порошков фторопласта с размерами частиц 1÷15 мкм и металлических порошков с размерами частиц 30÷160 мкм оболочка из частиц фторопласта препятствует образованию металлического каркаса. С увеличением содержания фторопласта формируется матрица из фторопласта,в объеме которой регулярно распределены частицы металлического порошка (рис. 4.8, а). Увеличение количества фторопласта с размерами частиц d = = 30÷160 мкм в смесях с высокодисперсными порошками (d = = 1÷10 мкм) других компонентов предопределяет структуру материалов наполненного типа с распределением наполнителя по границам частиц фторопласта и образованием объемной сетки с разорванными ячейками (рис. 4.8, б).

а

б Рис. 4.8. Структура прессовок наполненных материалов

Влияние размеров частиц порошковых компонентов на формирование структуры материалов при уплотнении смесей показано 63

зависимостями удельного электрического сопротивления от относительной плотности по металлической фазе и содержания фторопласта в смеси (рис. 4.9–4.12). Зависимостями 1 на рисунках представлены изменения удельного электрического сопротивления прессовок исходных металлических порошковых компонентов.

Рис. 4.9. Зависимость удельного электросопротивления от относительной плотности по металлической фазе υм: 1 – бронза (dср = 5 мкм); 2 – бронза + 40 % фторопласта; 3 – бронза + 50 % фторопласта; 4 – бронза + 60 % фторопласта

Рис. 4.10. Зависимость удельного электросопротивления от относительной плотности по металлической фазе υм: 1 – Ni (dср = 2, 4 мкм); 2 – Ni + 40 % фторопласта; 3 – Ni + 50 % фторопласта; 4 – Ni + 60 % фторопласта 64

Рис. 4.11. Зависимость удельного электросопротивления от относительной плотности по металлической фазе υм: 1 – бронза (dср = 30÷160 мкм); 2 – бронза + 40 % фторопласта; 3 – бронза + 50 % фторопласта; 4 – бронза + 60 % фторопласта

Рис. 4.12. Зависимость удельного электросопротивления от относительной плотности по металлической фазе υм: 1 – Ni (d = 30–160 мкм); 2 – Ni + 40 % фторопласта; 3 – Ni + 50 % фторопласта; 4 – Ni + 60 % фторопласта 65

Удельное электрическое сопротивление уменьшается по известной зависимости с увеличением относительной плотности в результате увеличения степени консолидации металлических частиц (зависимости 1–4). Это связано с уменьшением степени консолидации металлических частиц в результате роста толщины оболочек из высокодисперсного порошка фторопласта у агрегатов, образуемых при смешивании компонентов. При одинаковых относительных плотностях по металлической фазе для прессовок из смесей, включающих крупный порошок фторопласта и высокодисперсные металлические порошки, увеличению содержания фторопласта в смесях соответствует уменьшение удельного электрического сопротивления (см. рис. 4.9 и 4.10, зависимости 1–4). Это связано с увеличением степени консолидации металлических частиц, составляющих оболочки агрегатов и формирующих металлический каркас. Степень консолидации увеличивается в результате роста гидростатического давления при увеличении его содержания в уплотняемых смесях. Для прессовок из смесей высокодисперсного порошка фторопласта и крупных металлических порошков (см. рис. 4.11 и 4.12) увеличение содержания фторопласта в смесях вызывает рост удельного электрического сопротивления (зависимости 1–4). Это связано с уменьшением степени консолидации металлических частиц в результате роста толщины оболочек из высокодисперсного порошка фторопласта у агрегатов, образуемых при смешивании компонентов. Таким образом, формирование структуры материалов на стадии формования смесей, содержащих фторопласт, предопределяется на стадии смешивания порошковых компонентов размерами и соотношениями размеров их частиц, количественным соотношением компонентов. 4.2.4. Формирование структуры материалов при горячем прессовании

Горячее прессование порошковых материалов сопровождается качественным и количественным изменением контактов частиц, изменением физико-механических характеристик. 66

Прочность металлического каркаса материалов определяется прочностью межчастичных связей, спекаемостью металлических частиц при температурах горячего прессования. Отличие значений пределов прочности при срезе прессовок из порошков бронзы и спеченных под давлением образцов из этих прессовок (рис. 4.13) и изменение удельных электрических сопротивлений (рис. 4.14) при одинаковых относительных плотностях свидетельствуют о качественно-количественных изменениях межчастичных связей. Разница в измерениях предела прочности при срезе горячепрессованных образцов из порошков бронзы с размерами частиц 1÷10 мкм (dср = 5 мкм) (зависимости 1 и 2 на рис. 4.13) и из порошков бронзы с размерами частиц 30÷160 мкм (зависимости 3 и 4) показывают лучшую спекаемость первых при условиях изготовления материалов горячим прессованием из смесей порошков бронзы и фторопласта.

Рис. 4.13. Зависимость предела прочности при срезе от относительной плотности образцов: 1 – прессовка бронзы (dср = 5 мкм); 2 – горячепрессованная бронза (dср = 5 мкм); 3 – прессовка бронзы (d = 30÷160 мкм); 4 – горячепрессованная бронза (d = 30÷160 мкм)

Характер изменения удельного электрического сопротивления материалов, изготовленных горячим прессованием из смесей порошков бронзы с размерами частиц 1÷10 мкм и фторопласта с 67

размерами частиц 30÷160 мкм в зависимости от относительной плотности и количества фторопласта (рис. 4.15) аналогичен характеру изменения характеристик неспеченных прессовок смесей (см. рис. 4.9).

Рис. 4.14. Зависимость удельного электрического сопротивления от относительной плотности образцов: 1 – прессовка бронзы (dср = 5 мкм); 2 – горячепрессованная бронза (dср = 5 мкм)

Рис. 4.15. Зависимость электрического сопротивления от относительной плотности: 1 – бронза (d = 1÷10 мкм); 2 – бронза (d = 5 мкм) + 30 % фторопласта; 3 – бронза (d = 5 мкм) + 40 % фторопласта; 4 – бронза (d = 5 мкм) +45 % фторопласта; 5 – бронза (d = 5 мкм) + 50 % фторопласта 68

Идентичность изменения характеристик материалов, изготовленных горячим прессованием из смесей порошков бронзы с размерами частиц 30÷160 мкм и фторопласта с размерами частиц 1÷10 мкм, просматривается в зависимостях на рис. 4.11 и 4.16. Характер изменения зависимостей удельного электрического сопротивления от количества фторопласта и относительной плотности показывает на сохранение структур, сформированных при уплотнении смесей на стадии прессования. Наибольшее уменьшение удельного электрического сопротивления горячепрессованных материалов из смесей высокодисперсного порошка бронзы с фторопластом относительно неспеченных прессовок из таких же смесей (см. рис. 4.9, 4.15 и 4.11, 4.16) свидетельствуют о лучшей спекаемости порошков бронзы с малыми размерами частиц и создания наиболее благоприятных условий для формирования металлического каркаса.

Рис. 4.16. Зависимость удельного электрического сопротивления от относительной плотности: 1 – бронза (d = 30÷160 мкм); 2 – бронза (d = 5 мкм) + 30 % фторопласта (d = 1÷15 мкм); 3 – бронза (d = 5 мкм) + 40 % фторопласта (d = 1÷15 мкм); 4 – бронза (d = 5 мкм) + 45 % фторопласта (d = 1÷15 мкм); 5 – бронза (d = 5 мкм) + 50 % фторопласта (d = 1÷15 мкм) 69

Структура горячепрессованных материалов из смесей порошков бронзы с размерами частиц d = 1÷10 мкм (до определенного количества) представляет металлический каркас (рис. 4.17, а, светлые пятна) с регулярным распределением фторопласта (темные пятна). В структуре материалов, изготовленных из смеси порошков бронзы с размерами частиц 30÷160 мкм и фторопласта с размерами частиц 1÷15 мкм отсутствует связь между частью металлических частиц (рис. 4.17, б).

а б Рис. 4.17. Структура горячепрессованных бронзофторопластов (45 % фторопласта): а – бронза с d = 1÷10 мкм и фторопласт с d = 30÷160 мкм; б – бронза с d = 30÷160 мкм и фторопласт с d = 1÷15 мкм

а б Рис. 4.18. Структура материалов наполненного типа (фторопласт 80 %): а – бронза с d = 1÷10 мкм и фторопласт с d = 30÷160 мкм; б – бронза с d = 30÷160 мкм и фторопласт с d = 1÷15 мкм

При определенных количествах фторопласта металлического порошка становится недостаточно для образования каркаса и формируется структура наполненных материалов. Бронзовые частицы (наполнителя) при условиях образования агрегатов с оболочками из мелких частиц упорядоченно распределены во фторопластовой матрице – мелкие (размеры частиц до 10 70

мкм) в виде разорванной по ячейкам объемной сетки (рис. 4.18, а), крупные (размеры частиц более 15÷30 мкм) в виде отдельных равномерно распределенных частиц (рис. 4.18, б). 4.2.5 Количественные соотношения порошковых компонентов в материалах

Оптимальные количественные соотношения порошковых компонентов в материалах каркасного и наполненного типов могут быть определены влиянием количества фторопласта в материалах на их служебные свойства (в зависимости от назначения). При этом следует учитывать и влияние других факторов: размеров частиц порошковых компонентов, способов и режимов процесса изготовления, условий горячего прессования. Для оптимизации количественного соотношения порошковых компонентов неопровержимо знание предельных количественных соотношений, при которых формируются структуры каркасных и наполненных материалов. Предельные значения количества фторопласта в материалах могут быть определены, как указано, по зависимостям (2.12) и (2.15) или экспериментально. Количество фторопласта, при котором изменяется структура материалов, экспериментально определено зависимостями физикомеханических свойств от количества фторопласта в материалах при плотностях близких к плотностям компактных композиций. На рис. 4.19 и 4.20 представлены зависимости предела прочности при срезе и удельного электрического сопротивления от количества фторопласта (в процентах по объему) и соотношения размеров частиц компонентов в материалах, изготовленных при обеспечении наивыгоднейших условий формирования металлического каркаса и структуры наполненного фторопласта. Увеличение содержания фторопласта ведет к известному снижению механических характеристик. При 60–65 % фторопласта в материалах, изготовленных из смесей мелкого порошка бронзы и крупного порошка фторопласта (зависимость 1), и 50–55 % в материалах, изготовленных из смесей крупного порошка бронзы и мелкого порошка фторопласта (зависимость 2), изменяется характер 71

зависимостей предела прочности при срезе и удельного электрического сопротивления. В этих же интервалах процентного содержания фторопласта в материалах изменяется характер зависимостей твердости и предела прочности при сжатии.

Рис. 4.19. Зависимость предела прочности при срезе от количества фторопласта-4ДПТ в композициях: 1 – бронза (d = 1÷10 мкм), фторопласт (dф = 30÷160 мкм); 2 – бронза (d = 30÷160 мкм), фторопласт (dф = 1÷15 мкм)

Рис. 4.20. Зависимость удельного электрического сопротивления: 1 – бронза (d = 1÷10 мкм), фторопласт (dф = 30÷160 мкм); 2 – бронза (d = 30÷160 мкм), фторопласт (dф = 1÷15 мкм) 72

Такие изменения комплекса характеристик композиций могут быть в интервалах переходных значений количественных соотношений компонентов, входящих в них, в интервалах, в пределах которых перестает формироваться структура одного типа материалов и начинается формирование структур другого типа. 4.3. Влияние оксидов металлов порошковых компонентов и технологических факторов на свойства материалов, содержащих фторопласт 4.3.1. Испытание образцов материалов

Образцы материалов каркасного типа с размерами D·h = 15·20 мм испытывали на твердость, прочность при сжатии и срезе и электросопротивление. Образцы материалов наполненного типа с теми же размерами изготовляли из смесей порошков фторопласта-4ДПТ, 4ПФТ и металлических наполнителей. Образцы с бронзовым наполнителем испытывали на твердость, прочность при срезе, на трение и износ. Образцы с никелевым наполнителем испытывали на ползучесть с постоянным давлением при сжатии 12,5 МПа в течение 8 ч. Ползучесть материала оценивали его податливостью (ξt), определяемой отношением величины относительной деформации образца за время t к испытываемому им напряжению: Δlt ξt = , МПа–1, (4.13) l0 ⋅ σсж где Δlt – величина пластической деформации за время t, мм; l0 – длина образца до испытаний, мм; σсж – сжимающее напряжение, МПа. 4.3.2 Влияние содержания кислорода в порошке бронзы и условий горячего прессования на прочность материалов каркасного типа

Зависимостями 1-6 (рис. 4.21 и 4.22) показаны изменения пределов прочности при срезе материалов, содержащих 20 и 40 % фто73

ропласта, изготовленных при давлениях горячего прессования 10, 120 и 400 МПа в водороде (Н2) и без водорода (на воздухе), от количества кислорода в исходном бронзовом порошке. Зависимостью 7 представлено изменение характеристики материалов, изготовленных при давлении 400 МПа в среде аргона.

Рис. 4.21. Зависимость предела прочности при срезе материала, содержащего 20% фторопласта: 1 – р = 10 МПа, в Н2; 2 – р = 10 МПа, без Н2; 3 – р = 120 МПа, в Н2; 4 – р = 120 МПа, без Н2; 5 – р = 400 МПа, в Н2; 6 – р = 400 МПа, без Н2; 7 – р = 400 МПа, в аргоне

Наиболее высокой прочностью при срезе обладают материалы, изготовленные из смесей порошков фторопласта и бронзы с содержанием кислорода менее 0,3 %. Увеличение количества кислорода в бронзовом порошке снижает прочность материала при всех условиях горячего прессования. Так, при увеличении кислорода до 2 %, значения пределов прочности при срезе уменьшаются в 2 и более раз, а увеличение количества кислорода до 4÷5 % ведет к снижению прочности до значений, которые имеют неспеченные материалы. Снижение прочности материалов с увеличением кислорода в бронзовом порошке, образующего оксиды на поверхности частиц, является результатом разделения ювенильных поверхностей в контактах частиц оксидными пленками. С уменьшением контактной 74

ювенильной поверхности уменьшается энергия связей, определяющая прочность металлического каркаса материала.

Рис. 4.22. Зависимость предела прочности при срезе материала, содержащего 40 % фторопласта: 1 – р = 10 МПа, в Н2; 2 – р = 10 МПа, без Н2; 3 – р = 120 МПа, в Н2; 4 – р = 120 МПа, без Н2; 5 – р = 400 МПа, в Н2; 6 – р = 400 МПа, без Н2; 7 – р = 400 МПа, в аргоне

Увеличение давления горячего прессования повышает прочность материалов при всех равных прочих условиях их изготовления. С увеличением содержания кислорода в порошке бронзы влияние давления становится несущественным (зависимости 1, 3, 5 и 2, 4, 6). Так, с увеличением давления с 10 до 120 МПа прочность при срезе материалов, изготовленных из смесей порошков бронзы, содержащих кислорода менее 0,3 % и фторопласта 20 и 40 %, повышается с 22,1 до 57,4 МПа и с 20,6 до 28,3 МПа соответственно. Более высокие значения пределов прочности материалов обеспечиваются горячим прессованием смесей в среде водорода (восстановительной среде). С увеличением содержания кислорода в бронзовом порошке разница в значениях пределов прочности материалов, изготовленных в водороде и на воздухе, уменьшается или совсем исчезает (зависимости 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6). Причем разница в 75

прочности зависит от давления горячего прессования, что определяется, по всей вероятности, плотностью формируемых структур, окислительными и восстановительными процессами, происходящими при изготовлении материалов. Сравнивая зависимости 5, 6 и 7 на рис. 4.21 и 4.22, можно утверждать, что при горячем прессовании в восстановительной среде оксиды металлов частично восстанавливаются, улучшаются условия спекания металлических частиц, а при горячем прессовании на воздухе металлические частицы дополнительно окисляются. На прочность материалов, изготовляемых горячим прессованием, влияют и продукты восстановления оксидов металлов и термодеструкции фторопласта как в отдельности каждый, так и во взаимодействии. Прочность материала определяется качеством межчастичных связей. Изменение качества связей металлических частиц в процессе горячего прессования материалов из смесей порошков бронзы и фторопласта в зависимости от количественного содержания оксидов металлов и условий горячего прессования косвенно оценено изменением удельного электрического сопротивления (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Зависимость удельного электросопротивления бронзофторопластового материала от содержания кислорода при 20 % (а) и 40 % (б) фторопласта: 1 – р = 10 МПа, в Н2; 2 – р = 10 МПа, без Н2; 3 – р = 120 МПа, в Н2; 4 – р = 120 МПа, без Н2; 5 – р = 400 МПа, в Н2; 6 – р = 400 МПа, без Н2 76

Удельное электросопротивление материалов увеличивается с увеличением содержания кислорода в исходном порошке бронзы. Это свидетельствует об уменьшении межчастичных ювенильных контактных поверхностей в результате разделения частиц оксидными пленками, имеющимися на поверхности. С увеличением давления горячего прессования, уменьшается удельное электросопротивление (зависимости 1, 3, 5 и 2, 4, 6), что связано с увеличением суммарной ювенильной контактной поверхности или площади сечения, приведенного к компактному материалу, бронзового каркаса. Увеличение удельного электросопротивления материалов, изготовленных при высоком давлении горячего прессования смесей, в исходном порошке бронзы которых содержится более 0,2÷0,3 % кислорода, показывает на наличие в межчастичных контактах оксидных пленок, не разрушающихся полностью и при высоких давлениях (зависимости 5, 6). Применение восстановительной среды снижает удельное электросопротивление, т.е. способствует увеличению суммарной площади контактов частиц по ювенильной поверхности, создает более благоприятные условия для спекания их в металлический каркас (зависимости 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6). Наиболее высокая прочность бронзофторопластовых материалов каркасного типа, изготовляемых горячим прессованием, обеспечивается применением восстановленных высокодисперсных порошков бронзы (О2 ≤ 0,2 ÷ 0,3 %), восстановительной среды и высоких давлений горячего прессования. 4.3.3 Влияние оксидов металлических наполнителей и условий горячего прессования на свойства материалов наполненного типа

Изменение предела прочности при срезе наполненных материалов, изготовленных при давлении горячего прессования 10 МПа, в зависимости от количества наполнителя (бронзы), кислорода в нем и условий горячего прессования графически иллюстрируется на рис. 4.24. Увеличение количества кислорода в бронзовом порошке снижает прочность материалов (зависимости 1, 3 и 5). При этом изменяется и 77

характер зависимостей предела прочности от содержания наполнителя. Так, с увеличением содержания кислорода с 0,3 до 6 % предел прочности при срезе материалов, содержащих 6 % наполнителя, уменьшается с 9,6 до 6,5 МПа.

Рис. 4.24. Зависимость предела прочности при срезе фторопласта, наполненного бронзой: 1 – О2 = 0,3 %, спекание в Н2; 2 – О2 = 0,3 %, без Н2; 3 – О2 = 1,6 %, в Н2; 4 – О2 = 1,6 %, без Н2; 5 – О2 = 6 %, в Н2; 6 – О2 = 6 %, без Н2; 7 – О2 = 0,3 %, в аргоне; 8 – О2 = 4 %, в Н2

При увеличении количества наполнителя при малом содержании кислорода предел прочности увеличивается (зависимости 1 и 3). При содержании кислорода в количестве 4 % изменения прочности практически нет во всем интервале содержания количества наполнителя в материалах, а при содержании кислорода в наполнителе более 4 % предел прочности при срезе с увеличением количества наполнителя уменьшается (зависимости 8 и 5). Горячепрессованные в водороде материалы имеют более высокую прочность (зависимости 1, 3), чем материалы, изготовленные на воздухе (зависимости 2, 4). При увеличенном содержании кислорода в порошке бронзы (> 3 %) восстановительная среда не дает положительного эффекта, а материалы с наполнителем, содержащим кислорода более 5 %, изготовленные в водороде, имеют проч78

ность ниже, чем такие же материалы, изготовленные на воздухе. Это связано, вероятно, с процессом взаимодействия водорода с оксидами металла и появлением дефектов в приконтактных к частицам наполнителя слоях основы материалов в результате образования паров воды при температуре горячего прессования. Это подтверждается дополнительными опытами, которые показали, что бронзовый окисленный порошок при температурах 570÷620 К (ниже температуры горячего прессования) восстанавливается водородом. О восстановлении оксидов бронзы в структуре материалов свидетельствует и изменение цвета частиц наполнителя при горячем прессовании образцов в водороде с черного до темнокрасного. Частицы восстановленного наполнителя (бронзы) при горячем прессовании материалов в водороде или аргоне цвета не изменяют. В результате образования паров воды при восстановлении оксидов появляется возможность появления микро и макротрещин в материалах (рис. 4.25).

Рис. 4.25. Разрез образца материала с наполнителем, содержащим 8 % кислорода (×15)

Испытание образцов материалов на трение и износ показали, что наиболее высокой износостойкостью при скорости в контакте υ = 2 м/с и удельных нагрузках pк = 0,5 и 1 МПа обладают материалы, включающие восстановленный наполнитель и изготовленные в восстановительной среде (рис. 4.26, зависимость 1). С увеличением 79

количества кислорода в наполнителе увеличивается интенсивность изнашивания, изменяется характер её зависимости от содержания наполнителя (зависимости 1, 3, 5). Горячее прессование в водороде при наличии оксидов наполнителя не способствует повышению износостойкости материалов (зависимости 3, 4 и 5, 6).

Рис. 4.26. Зависимость интенсивности изнашивания фторопласта, наполненного бронзой: 1 – О2 = 0,3 %, в Н2; 2 – О2 = 0,3 %, без Н2; 3 – О2 = 1,6 %, в Н2; 4 – О2 = 1,6 %, без Н2; 5 – О2 = 6 %, в Н2; 6 – О2 = 6 %, без Н2

4.3.4 Влияние давления горячего прессования на свойства материалов, содержащих фторопласт

Выше отмечено влияние давления горячего прессования на свойства материалов. Представляет интерес определение характера влияния давления с целью оптимизации его значений. Характер изменения предела прочности при срезе, более выражено зависящего от структуры и энергии межчастичных связей и просто определяемого экспериментально, для материалов каркасного типа иллюстрируется графиками на рис. 4.27. 80

Рис. 4.27. Зависимость предела прочности при срезе бронзофторопласта от давления горячего прессования. Содержание фторопласта в % (об.): 1 – 20; 2 – 30; 3 – 40; 4 – 50; 5 – 60

Предел прочности при срезе повышается с увеличением давления горячего прессования до максимальных значений, соответствующих каждому материалу по содержанию фторопласта. Дальнейшее повышение давления горячего прессования снижает прочность материалов при срезе. Максимальные значения пределов прочности при срезе для материалов с меньшим содержанием фторопласта достигнуты при более высоких давлениях (зависимость 1 на рис. 4.27). С увеличением количества фторопласта в материалах значения давлений горячего прессования, при которых достигнуты максимальные значения пределов прочности, уменьшаются. Так, с увеличением количества фторопласта в материалах от 20 до 60 % значения давлений, соответствующие максимальным пределам прочности, уменьшаются с 600 до 200 МПа. Причем степень изменения характеристики прочности также зависит от содержания фторопласта в материалах. Прочность увеличивается в большей степени для материалов, содержащих меньшее количество фторопласта. Такая зависимость предела прочности при срезе объясняется изменением соотношений суммарных энергий межчастичных свя81

зей и внутренних напряжений, возникающих в результате горячего прессования. На рис. 4.28 показаны выборочные зависимости предела прочности при срезе и интенсивности изнашивания материалов наполненного типа. Характер изменения приведенных характеристик материалов от давления горячего прессования и их численные значения зависят от количества наполнителя во фторопласте. Как и материалы каркасного типа, наполненные фторопласты достигают максимальных значений пределов прочности при давлениях, соответствующих содержаниям наполнителей (зависимости 1– 4).

Рис. 4.28. Зависимость характеристик фторопласта, наполненного бронзой, от давления горячего прессования при содержании бронзы: 1 – τср = 10 %; 2 – τср = 15 %; 3 – τср = 20%; 4 – τср = 25%; 5 – Ih = 10; 6 – Ih = 20

При увеличении количества наполнителя во фторопласте увеличиваются значения давлений горячего прессования, при которых достигнуты максимальные значения пределов прочности при срезе. Так, при изменении количества порошка бронзы от 10 до 25 % максимальные значения пределов прочности материалов достигнуты при соответствующих изменениях значений давлений в пределах от 25 до 40 МПа. При тех же значениях давлений горячего прессования материалы имеют наиболее высокую износостойкость (зави82

симости 5 и 6 на рис. 4.28). Причем характер изменения интенсивности изнашивания материалов, как и предела прочности при срезе, зависит от количества наполнителя. Изменение характеристик материалов, наполненных никелем с содержанием последнего в пределах от 10 до 25 % от давления горячего прессования, представлено зависимостями 1–6 на рис. 4.29.

Рис. 4.29. Зависимости характеристик никель-фторопластовых материалов от давления горячего прессования (τср – 1; 2; 3 и ξt – 4; 5; 6 при содержаниях никеля 10; 20; 25 % соответственно)

Пределы прочности материалов при срезе в зависимости от содержания никеля и давления горячего прессования изменяются аналогично, как и у материалов, наполненных бронзой (зависимости 1–3 на рис. 4.28). Зависимостями 4–6 выявляется изменение податливости композиций от давления горячего прессования их. Давления, при которых податливость принимает минимальные значения, зависят от количества никеля в материалах. При увеличении количества никеля увеличивается давление, при котором достигает наименьшую податливость композиций. При одинаковых давлениях горячего прессования меньшей податливостью обладают материалы с большим количеством наполнителя. 83

Характер изменения свойств материалов наполненного типа в зависимости от давления горячего прессования можно объяснить изменением адгезии фторопласта к поверхностям частиц наполнителя и ухудшением спекаемости фторопласта при повышении давлений за некоторые их значения. Проверкой последнего предположения установлено, что спекаемость фторопласта или композиций при повышенных давлениях горячего прессования достигается повышением температуры. Проявляется зависимость температуры горячего прессования от давления такая же, как и зависимость температуры термодеструкции. 4.4. Влияние количественного соотношения компонентов и размеров их частиц на трение и износ материалов, содержащих фторопласт

Процесс трения и износа материалов, содержащих фторопласт, определяется свойствами пленок, формирующихся на поверхности трения. Основными факторами, влияющими на формирование и параметры пленок являются: материал основы композиций или наполнителя, количество фторопласта или наполнителя в композициях, наличие и свойства других входящих компонентов, размеры частиц компонентов, условия изготовления материалов, условия и режимы трения, вызывающие механо- и термодеструкцию фторопласта, материал контртела. Испытания проведены на установке, обеспечивающей повышенную точность определения коэффициента трения, по схеме втулка – радиально нагружаемый цилиндрический образец и на машине трения с устройством для измерения силы трения по схеме трения кольцевой образец – вращающийся диск. 4.4.1. Установка для испытания материалов на трение и износ

Установка (рис. 4.30) состоит из станины 1, на которой смонтированы привод, включающий электродвигатель постоянного тока 84

ПЗ1У4 ГОСТ 183-74, и шпиндельный узел 2, подвижная в двух направлениях бабка 3 с испытательной головкой 4 и упорами 5, удерживающими головку от проворачивания, редуктор 6 со счетчиком количества оборотов типа СК-1 с микровыключателем, тахометр 7 типа ЦАТ-3М с датчиком частоты вращения шпинделя. Внутри станины смонтированы устройства электрической схемы, обеспечивающей питание электродвигателя, датчика, регулирование частоты вращения и автоматическое отключение установки при достижении заданного пути трения в контакте. Перемещение бабки 3 в поперечном направлении обеспечивает проведение испытаний на трение по схеме диск – пальчиковый образец с измерением радиуса трения, а перемещение в продольном направлении обеспечивает подвод образцов к диску или втулке 8, являющимися контртелами, устанавливаемыми на шпинделе привода. В зависимости от схемы трения, используемых при испытании, в бабке устанавливают соответствующую головку. Для фиксирования температур в контакте и моментов трения на панели станины установлен самописец с усилителем 9.

Рис. 4.30. Установка для испытания материалов на трение и износ

Точность измерений коэффициента трения при радиальной схеме испытаний обеспечивается конструкцией испытательной головки с встроенным устройством нагружения (рис. 4.31). 85

Рис. 4.31. Испытательная головка

Корпус 1 головки через цапфу 2, подшипники 3 и стакан 4 установлен в бабке 5, сцентрированной относительно шпинделя 6. В корпусе на осях 7 и 8 шарнирно крепятся рычаги 9 и 10. Штифтами 11, запрессованными в рычаги 9, фиксируют оправки 12 с образцами материалов 13. В отверстиях корпуса установлены толкатели 14 с тарированными пружинами 15. В прямоугольные направляющие корпуса установлены ползуны 16, соединенные через резьбу со стяжным винтом 17 и входящие упорами в пазы сухарей 18. Поджатие образцов к контртелу (втулке) осуществляют сжатием пружин 15 сухарями 18, получающими перемещение вместе с ползунами 16 при вращении моховика 19, закрепленного на стяжном винте. Деформация пружин, определяющая усилия поджатия образцов, фиксируется микрометрическими головками 20 через подвижные клинья 21, соединенные с сухарями 18. Плавающая установка 86

стяжного винта с ползунами в направляющих корпуса обеспечивает поджатие образцов к втулке-контртелу равными по величине и противоположно направленными силами. Значение моментов трения определяют по деформации тарированных упругих балок 22, закрепленных на корпусе и одновременно контактирующих с упорами 23, и фиксируют микрометрической головкой 24 с ценой деления 0,001 мм, постоянно контактирующей с балкой или тензометрическими датчиками 25. Износ материалов определяют с помощью микрометрической головки 26 или по изменению массы – взвешиванием образцов до и после испытаний. Для испытаний материалов оправки 12 с образцами 13 устанавливают на штифты 11 рычагов 9, перемещением бабки с головкой образцы вводят в зону трения и поджимают к поверхности втулки с соответствующей режимам трения силой. Частотой вращения шпинделя задают скорость в контакте, а набором количества оборотов на счетчике (с учетом передаточного отношения червячного редуктора) – путь трения. Противоположно направленные и равные по величине силы поджатия двух образцов, момент трения и уравновешивающий двумя одинаковыми по длине и жесткости балками момент не вызывают реакции в опорных подшипниках головки, что повышает точность в определении коэффициентов трения материалов независимо от режимов трения, продолжительности и периодичности испытаний. Головка протарирована по схеме, показанной на рис. 4.32. При тарировке головки 1 силы Рт, создаваемые динамометром 2, прикладывали непосредственно к Рис. 4.32. Схема тарировки рычагам, на которых при испытании усизмерительной головки танавливают оправки с образцами. Линии действия тарировочных сил параллельны между собой и проходили через оси шарниров рычагов, конструктивно расположенных на 87

расстоянии равном диаметру втулки-контртела. Такое приложение сил и отсутствие в схеме блоков, через которые меняют направления действия сил, обеспечивает повышенную точность тарировки. Тарировочный график представляет зависимость силы трения от величины деформации упругих балок головки. 4.4.2. Измерение толщины пленки на поверхности трения контртела

Толщину пленки на поверхности трения измеряли с помощью профилографа - профилометра модели 201 Б-194, предназначенного для измерения шероховатости и волнистости поверхностей изделий из металлических материалов. Возможность погружения иглы датчика прибора в поверхность пленки при снятии профилограммы, вызывающего погрешность при измерении, была проверена применением иглы с радиусом закругления 1 мм. Профилограмма, снятая датчиком с такой иглой, обеспечивает измерение толщины пленки, но не дает представления о микрорельефе поверхности и изменении его в процессе трения. Толщину пленки можно определить по отклонениям профилограммы, снятой с поверхности участка трения, относительно профилограммы, снятой с того же участка до испытаний. При этом необходимо разграничить эти отклонения на три составляющих: отклонения от температурных влияний, от износа трущейся поверхности и образования пленки на трущейся поверхности. На участке профилограммы, соответствующем участку трения поверхности, с которой она снята, присутствуют отклонения от влияния всех трех факторов. На участке профилограммы, относящемся к неподверженной трению поверхности, отклонение связано с температурным влиянием. Считая эту составляющую отклонения одинаковой по всей трассе датчика, можно ее исключить из суммарного отклонения сравнением этих участков профилограмм, снятых до и после испытаний с совпадающих трасс датчика прибора на исследуемой поверхности. Составляющая отклонения от износа при трении может быть исключена анализом профилограмм, снятых с участка поверхности 88

трения. Кроме того, износ контртела с твердой поверхностью в паре с образцами из материалов, содержащих фторопласт, как показывают испытания, несоизмерим с толщиной, образующейся за короткое время трения пленкой, и может быть не учтен при исследованиях относительного изменения толщины пленки от влияния технологических факторов. Для совмещения трасс датчика прибора втулку-контртело 1 из стали 40Х13 с твердостью поверхности HR C 48…50 и шероховатостью 0,32 устанавливали на оправку 2 с фиксатором 3 (рис. 4.33). С подготовленной к испытаниям поверхности втулки снимали профилограмму 1 (рис. 4.34).

а б Рис. 4.33. Схема установки втулки и снятия профилограмм

а б Рис. 4.34. Профилограмма поверхности втулки с увеличением ×10000 до (а) и после (б) испытаний

После трения на пути 5000 м аналогично снималась профилограмма 2, на которой отмечались характерные участки А и Б, соответствующие положениям опоры 4 и иглы 5 датчика 6 относительно пленки 7 (см. рис. 4.33, а и б). 89

По точкам 1 и 1 ́, соответствующим одной точке на поверхности втулки участка А, относящемуся к участку трассы датчика вне поверхности трения (см. рис. 4.33, а) находят изменение радиуса втулки от температурных влияний Δh1 (в масштабе настройки прибора): Δh1 = h1 − h1′ , (4.14) где h1 – расстояние от базовой линии до характерной точки 1 на профилограмме на рис. 4.34, а, мм; h1′ – расстояние от базовой линии до соответствующей точки 1’ на профилограмме на рис. 4.34, б, мм. По точкам 2 и 2’, соответствующим точке на поверхности трения до и после испытаний, определяют суммарную величину смещения профилограммы Δh2 на участке Б, относящемуся к участку трассы датчика на поверхности трения (см. рис. 4.33, б). Величина смещения или изменения радиуса втулки в сечении зоны трения (в том же масштабе) определяется как Δh2 = h2 − h2′ , (4.15) где h2 – расстояние от базовой линии до точки 2 на профилограмме на рис. 4.34, а; h2′ – расстояние от базовой линии до соответствующей точки 2’ на профилограмме на рис. 4.34, б. Суммарная величина Δc (в мм), включающая износ втулки и толщину пленки, определяется как Δ c = (Δh1 − Δh2 ) K м , (4.16) где Kм – коэффициент увеличения настройки прибора. Измерения, проведенные с использованием иглы датчика с увеличенным радиусом закругления и стандартной иглы, показали значения толщин пленок, отличающихся не более чем на 4 % (в пределах погрешности прибора). Это значит, что удельное давление стандартной ощупывающей иглы датчика позволяет проводить снятие профилограммы с поверхности, покрытой пленкой, образующейся при трении материалов, содержащих фторопласт. Сравнивая участки Б профилограмм, снятых с поверхности втулки до и после трения (см. рис. 4.34), следует отметить, что в процессе трения почти не изменяется характер и высота микронеровностей (точки 3; 3’ и 4; 4’), а изменяется их относительное расположение. Это свидетельствует о малой величине износа трущейся поверхности втулки, которую можно не учитывать при 90

определении толщины пленки. Тогда толщина пленки определится Δп ≈ Δс. 4.4.3. Подготовка образцов и проведение испытаний на трение и износ

Образцы материалов каркасного типа с содержанием фторопласта 20, 30, 40, 50, 55, 60 и 65 % (по объему) прессовали при давлениях р = 200, 350 и 500 МПа с выдержкой в течение 90 мин при температуре 660 К и охлаждением до 470 К в среде водорода из смесей порошков бронзы БрОС6-6 с размерами частиц 1÷10 мкм и содержанием кислорода менее 0,3 % и порошков фторопластов 4ДПТ, 4ПФТ с размерами частиц 30÷160 мкм. Образцы наполненных материалов изготовляли из смесей восстановленных порошков бронзы БрОС6-6 с размерами частиц 1÷10 мкм и фторопластов-4ДПТ, 4ПФТ с размерами частиц 30÷160 мкм и порошков бронзы БрОС6-6 с размерами частиц 30÷160 мкм и фторопластов-4ДПТ, 4ПФТ с размерами частиц 1÷15 мкм. Смеси включали 6, 10, 15, 20, 25 и 30 % бронзы по объему (из расчета компактной композиции). Горячее прессование осуществляли в водороде при давлениях р = 10, 30 и 50 МПа с выдержкой в течение 120 мин при температуре 650 К и охлаждением до 350 К. Для испытаний по схеме втулка – цилиндрический образец (с радиальным нагружением) торцовые поверхности образцов предварительно прирабатывали по радиусу на рифленой части втулки, изготовленной из стали 40Х13 и термообработанной до твердости HRC 45…48. Рабочую часть втулки обрабатывали до шероховатости 0,32, промывали в ацетоне и спирте. Для испытаний образцов по торцовой схеме трения рабочая поверхность контртела имела те же параметры. Образцы изготовляли в виде втулок с наружным диаметром 12 мм и внутренним 7 мм. Рабочие торцовые поверхности образцов протачивали резцом с радиусом при вершине 2 мм. Обработанные поверхности перед испытаниями по обеим схемам трения протирали спиртом. До и после испытаний каждого образца с поверхности контртела снимали профилограммы. Во время испытаний с помощью многоканального самописца снимали температурную диаграмму и определяли температуру в контакте, для чего 91

в образец вводили термопару с расстоянием 0,5 мм от спая до поверхности трения (рис. 4.35).

Рис. 4.35. Схема тарировки термопары

Для уменьшения погрешности при измерении температуры для каждого образца перед испытанием проводили тарировку введенной в него термопары. Образец 1 (см. рис. 4.35) с термопарой 2 устанавливали рабочей поверхностью на оправку 3, введенную в нагреватель 4. На ленту самописца 6 записывали тарировочную диаграмму. Температуру в контакте образца с оправкой определяли с помощью контрольной термопары 5. По диаграммам, снятым во время испытаний и при тарировке, определяли температуру в контакте трения. Образцы испытывали при скоростях в контакте υ = 0,5; 1,0; 2 м/с и удельных нагрузках рк = 0,5; 1,0; и 2 МПа. Интенсивность изнашивания оценивали безразмерной величиной по изменению масс образцов на пути равном 20 км. 4.4.4 Влияние количества фторопласта на трение и износ горячепрессованных материалов каркасного типа

Коэффициенты трения материалов, как было отмечено выше, снижаются с увеличением до определенных значений количества фторопласта в материалах в зависимости от способа их изготовления. Проведенными испытаниями выявлено многофакторное влияние на коэффициент трения и износ горячепрессованных материалов из смесей порошков бронзы и фторопласта. 92

На рис. 4.36 приведены зависимости коэффициента трения материалов, испытанных по схеме втулка – цилиндрический образец с коэффициентом перекрытия 0,125 при скорости в контакте (υ) 1 м/с, удельных давлениях (рк) 0,5 и 1 МПа. Наиболее низкими значениями коэффициентов трения при контактном давлении 0,5 МПа обладают материалы с 53÷57 % фторопласта (зависимости 1, 3 и 5). При давлении 1МПа наиболее низкие значения коэффициентов трения принадлежат материалам, содержащим 55 ÷ 62% (зависимости 2, 4 и 6). Причем, увеличение давления в контакте для материалов, содержащих фторопласта менее 40%, снижает значения коэффициентов трения, а при большем количестве фторопласта – увеличивает.

Рис. 4.36. Зависимость коэффициента трения от количества фторопласта в материалах: 1 – рк = 0,5; р = 200 МПа; 2 – рк = 1; р = 200 МПа; 3 – рк = 0,5; р = 350 МПа; 4 – рк = 1; р = 350 МПа; 5 – рк = 0,5; р = 500 МПа; 6 – рк = 1; р = 500 МПа 93

Повышение давления горячего прессования для материалов, содержащих менее 45÷47 % фторопласта, повышает значения коэффициентов трения. Так, для композиции, содержащей 30 % фторопласта, при повышении давления горячего прессования с 200 до 500 МПа коэффициент трения повышается с 0,32 до 0,35. Для материалов с содержанием фторопласта более 45÷47 % повышение давления горячего прессования, наоборот, снижает значения коэффициентов трения.

Рис. 4.37. Зависимость интенсивности изнашивания от количества фторопласта в материалах: 1 – рк = 0,5; р = 200 МПа; 2 – рк = 1, р = 200 МПа; 3 – рк = 0,5; р = 350 МПа; 4 – рк = 1; р = 350 МПа; 5 – рк = 0,5; р = 500 МПа; 6 – рк = 1; р = 500 МПа

Износостойкость материалов повышается с увеличением количества фторопласта в них до 53÷57 % (рис. 4.38). При увеличении давления в контакте в большей степени увеличивается интенсивность изнашивания материалов, содержащих фторопласта менее 50 % (зависимости 2, 4, 6). Давление горячего прессования оказывает противоположное влияние на износ материалов, содержащих фторопласта более 40÷45 % и менее этого количества. Износостойкость увеличивается с увеличением давления горячего прессования 94

материалов, содержащих фторопласта менее 40÷45 % и, наоборот, уменьшается у материалов с содержанием фторопласта более 40÷45 %. Показанные зависимости коэффициента трения и износа связаны с зависимостью прочности металлического каркаса от давления горячего прессования (см. рис. 4.27), изменением процессов формирования и разрушения пленок на поверхностях трения и их свойствами, определяющими условия внешнего трения. При трении материалов, содержащих фторопласта менее 40 %, при скоростях в контакте более 0,4 м/с и давлениях более 0,5 МПа наблюдаются несплошности пленок на поверхностях трения образцов (рис. 4.38, а).

а б Рис. 4.38. Поверхности трения образцов с содержанием 30 % (а) и 50 % (б) фторопласта

С увеличением количества фторопласта в композициях на поверхностях трения образцов уменьшается или совсем отсутствует несплошность пленок. Цвет их изменяется от темно-фиолетового (при 25 % фторопласта) до светло-зеленого (при 50 % и более). На поверхности трения контртела (втулки) формируются пленки (в зависимости от режимов трения) от желтовато-зеленого до зеленовато-коричневого цвета. Адгезия пленок к поверхностям контртел значительно выше, чем пленок к поверхностям образцов. Даже при трении в контактах с образцами материалов с малыми количествами фторопласта, когда интенсивность формирования пленок на поверхностях последних меньше интенсивности их изнашивания, на поверхности контртела сохраняется зеленовато-коричневая пленка (рис. 4.38, б), 95

разделяющая трущиеся поверхности и предохраняющая поверхность контртела от износа. Пленка сформирована при трении втулки в контакте с образцами материала, содержащего 30 % фторопласта, со скоростью 2 м/с и при удельном давлении в контакте 1 МПа, и представляет собой совокупность соединенных микроскопических частичек бронзы и продуктов механодеструкции фторопласта и вытянутых по направлению движения. Поверхность образцов материалов при таких режимах имеет пленку темнофиолетового цвета со значительным количеством несплошностей (рис. 4.39, б).

а б Рис. 4.39. Пленка на поверхности стальной втулки (а) и поверхность трения образца (б)

Значения толщины пленок, формируемых на поверхностях контртел при трении с материалами каркасного типа, уменьшаются с увеличением количества фторопласта в них (табл. 4.5). При этом повышается износостойкость, уменьшается коэффициент трения (см. рис. 4.36 и 4.37). Изменение режимов трения сопровождается изменением толщины пленки. Например, при изменении скорости от 1 до 2 м/с толщина увеличивается с 0,09 до 0,14 мкм при 50 % фторопласта в композиции и с 0,07 до 0,13 мкм при 60 % фторопласта. Увеличение толщины пленки для всех составов композиций наблюдается и при изменении скорости от 0,5 до 1 м/с. При этом большее значение толщины пленки соответствует большей интенсивности изнашивания образцов материалов. Роль меди в формировании защитной пленки на поверхности контртела подтверждается испытанием ни трение образцов материалов на основе меди. 96

Таблица 4.5 Параметры трения (при рк = 1 МПа)

Основа материала

Бронза Бр ОС 6-6 Бронза Бр ОС 6-6 Бронза Бр ОС 6-6 Бронза Бр ОС 6-6 Медь

Значение параметров при υ = 1 м/с при υ =2 м/с

Количество ТолТемпераТемпераТолщифторо- щина тура в тура в на пленпласта, пленки, контакте, контакте, ки, мкм % мкм К К 30 40 50 60 50

0,16 0,13 0,09 0,07 0,34

363 351 336 333 334

0,19 0,16 0,14 0,13 0,52

398 385 368 356 366

Испытания на трение и износ меднофторопластовых материалов, изготовленных горячим прессованием в выгодных условиях формирования металлического каркаса, показали более высокую интенсивность формирования защитной пленки на поверхности контртела, чем при трении материалов на основе бронзы. В начальный период трения на поверхности контртела появлялась пленка красного цвета, которая при повышении температуры в контакте в процессе трения (через 15–20 мин) приобретала желтовато-зеленый или зеленовато-коричневый цвет (в зависимости от режимов трения). При этом коэффициент трения снижался с 0,40 до 0,22, толщина пленки достигала значений в 3–4 раза больших, чем при трении образцов материалов на основе бронзы с одинаковым содержанием фторопласта (см. табл. 4.5). Интенсивность изнашивания образцов достигла (50÷60)·10–9, что более чем на порядок выше в сравнении с бронзофторопластом. Толщина пленок и их состав зависят от свойств и количества входящих компонентов, режимов и условий трения. Испытания композиций по торцовой схеме трения при скорости скольжения 1 м/с и давлениях в контакте 1 и 2 МПа (рис. 4.40 и 4.41) показали, что характер зависимостей коэффициента трения и интенсивности изнашивания от количества фторопласта, давления 97

горячего прессования и давления в контакте аналогичен характеру зависимостей при трении образцов по втулке с радиальным нагружением.

Рис. 4.40. Зависимость коэффициента трения от количества фторопласта в материалах: 1 – рк = 1, р = 200 МПа; 2 – рк = 2, р = 200 МПа; 3 – рк = 1, р = 500 МПа; 4 – рк = 2, р = 500 МПа

Для оптимизации количества фторопласта и режимов горячего прессования, а также для разработки многокомпонентных материалов с учетом формирования структур каркасных материалов количество фторопласта или фторопласта с другими антифрикционными добавками на основном уровне (в центре плана эксперимента) необходимо принимать в интервале 50–55 %. Интервал выбора может быть смещен в сторону уменьшения количества фторопласта до 45–50 % в зависимости от режимов и схем трения пар конкретных узлов. 98

Рис. 4.41. Интенсивность изнашивания композиций при торцовом трении: 1 – рк = 1, р = 200 МПа; 2 – рк = 2, р = 200 МПа; 3 – рк = 1, р = 500 МПа; 4 – рк = 2, р = 500 МПа

4.4.5. Влияние соотношений размеров частиц порошков компонентов на трение и износ наполненных фторопластов

Степень влияния размеров частиц на коэффициент трения зависит от содержания наполнителя, структуры, предопределяемой соотношением размеров частиц компонентов, режимов и продолжительности трения. Зависимости коэффициентов трения наполненных бронзой фторопластов при скорости υ = 2 м/с и давлении в контакте рк = 1 МПа на пути 20 км приведены на рис. 4.42 и показывают, что изменение размеров частиц бронзы в большей степени влияет на коэффициент трения материалов на основе фторопласта с размерами частиц dф = = 30÷160 мкм (зависимости 1–3). 99

Рис. 4.42. Зависимости коэффициентов трения от размеров частиц компонентов при υ = 2 м/с и рк = 1 МПа: при dф = 30÷160 мкм и количестве бронзы (%): 1 – 10; 2 – 15; 3 – 20; при dф = 1÷15 мкм и количестве бронзы (%): 4 – 10; 5 – 15; 6 – 20

Увеличение размеров частиц наполнителя до 60–70 мкм при его содержаниях 10; 15; 20 % ведет к снижению значений коэффициентов трения таких материалов. Наибольшее снижение их наблюдается у материалов, содержащих 15 % наполнителя. При трении со скоростью в контакте 1 м/с и удельным давлением 1 МПа коэффициенты трения материалов уменьшаются по мере увеличения размеров частиц бронзы и принимают наименьшие значения при размерах частиц 150–180 мкм в зависимости от количества наполнителя. С увеличением количества наполнителя при всех режимах коэффициенты трения увеличиваются. Коэффициенты трения материалов на основе фторопласта с размерами частиц dф = 1÷15 мкм увеличиваются с увеличением размеров частиц бронзы до 90÷150 мкм (зависимости 4, 5, 6). Наименьшие значения коэффициентов трения принадлежат материалам, содержащим 15÷20 % бронзы с размерами частиц 1÷10 мкм. Характер изменения коэффициентов трения этих материалов одинаков при указанных выше режимах трения. 100

Изменение износостойкости в зависимости от размеров частиц наполнителя в большей степени выражено для материалов на основе фторопласта с размерами частиц dф = 30÷160 мкм при 10÷15 % наполнителя (рис. 4.43, зависимости 1 и 2).

Рис. 4.43. Зависимость интенсивности изнашивания от размеров частиц компонентов при при υ = 2 м/с и рк = 1 МПа: при dф = 30÷160 мкм и количестве бронзы (%): 1 – 10; 2 – 15; 3 – 20; при dф = 1÷15 мкм и количестве бронзы (%): 4 – 10; 5 – 15; 6 – 20

Интенсивности изнашивания материалов на основе фторопласта с размерами частиц 1÷15 мкм изменяются в небольших пределах при изменении размеров частиц наполнителя (зависимости 4, 5, 6). Наименьшей средней интенсивностью изнашивания (1,8·10ֿ10) на пути трения равном 20 км обладают материалы на основе фторопласта с размерами частиц 1÷15 мкм, наполненные 15 % бронзы с размерами частиц 75÷100 мкм (зависимость 5). Интенсивность изнашивания 2,8·10-9 (зависимость 2) получена для материалов на основе фторопласта с размерами частиц 30÷160 мкм, наполненные бронзой с размерами частиц 45÷120 мкм. Наибольшей интенсивностью изнашивания обладают материалы на этой же основе, содержащие 10 и 20 % бронзы (зависимости 1 и 3). 101

Для выбора значений размеров частиц и количества наполнителя (бронзы) в горячепрессованных наполненных фторопластах, фиксируемых в центре плана многофакторного эксперимента, проведены длительные испытания образцов материалов, содержащих 5, 15 и 20 % бронзы с размерами частиц 1÷10; 160÷180; и 40÷63 мкм. На рис. 4.44 приведены зависимости средних значений коэффициентов трения выборочных композиций от пути трения при скорости 2 м/с и удельном давлении 1 МПа. Композиция, содержащая 5 % бронзы, имела низкую износостойкость (интенсивность изнашивания 36·10–9) и на графиках не приведена. В процессе испытаний коэффициенты трения всех материалов стабилизировались на пути трения, равном 5÷10 км. Однако после 29 км трения для большинства материалов наблюдалось изменение коэффициента трения в сторону увеличения или уменьшения.

Рис. 4.44. Зависимость коэффициента трения от пути трения при скорости υ = 2 м/с и давлении в контакте рк = 1 МПа: при dф = 30÷160 мкм и количестве бронзы (%): 1 – 15; 2 – 20 (d = 1–10 мкм); 3 – 15; 4 – 20 (d = 160÷180 мкм); 5 – при dф = 1÷15 мкм и количестве бронзы 15 % (d = 40÷63 мкм) 102

Значительно снижаются значения коэффициентов трения материалов на основе фторопласта с размерами частиц dф = 30÷160 мкм, наполненного бронзой с размерами частиц 1÷10 мкм (зависимости 1 и 2). Стабильный на всем пути трения и небольшой по значению коэффициент трения имеет материал на основе фторопласта с размерами частиц 1÷15 мкм, наполненный бронзой с размерами частиц 40÷63 мкм (зависимость 5). Увеличение размеров частиц до 160÷180 мкм ведет к увеличению коэффициента трения до 0,2÷0,28 (зависимости 3 и 4). На участке трения до 20 км эти материалы имели относительно низкие значения коэффициентов. Аналогичные изменения наблюдаются и с интенсивностью изнашивания (рис. 4.45). Снижается интенсивность изнашивания материалов наполненных бронзой с размерами частиц 1÷10 мкм (зависимости 1 и 2) и, наоборот, у материалов, наполненных бронзой с размерами частиц 160÷180 мкм, интенсивность изнашивания увеличивается с 0,35÷1,14·10ֿ9 до 0,8÷1,8·109.

Рис. 4.45. Зависимость интенсивности изнашивания от пути трения при скорости υ = 2 м/с и давлении в контакте рк = 1 МПа: при dф = 30÷160 мкм и количестве бронзы (%): 1 – 15; 2 – 20 (d = 1–10 мкм); 3 – 15; 4 – 20 (d = 160÷180 мкм); 5 – при dф = 1÷15 мкм и количестве бронзы 15 % (d = 40÷63 мкм) 103

Наименьшее среднее значение интенсивности изнашивания (0,055·10-9) получено при трении образцов материалов на основе фторопласта с размерами частиц 1÷15 мкм, наполненного 15 % бронзы с размерами частиц порошка 40÷63 мкм (зависимость 5). Аналогичные зависимости коэффициентов трения и интенсивностей изнашивания получены при длительных испытаниях по торцовой схеме трения (коэффициент перекрытия Kп = 1) со скоростью υ = 1м/с и с давлением в контакте рк = 1 МПа. Изменение коэффициентов трения и интенсивностей изнашивания связаны с процессом формирования защитных пленок на поверхностях контртел и образцов, их свойствами, температурами в контакте. При трении материалов, наполненных бронзой с размерами частиц порошков 1÷10 мкм и 40÷63 мкм на контактных поверхностях формируется желтовато-зеленая пленка, достигает 360 К. При трении материалов, наполненных бронзой с размерами частиц порошков 160÷180 мкм, температура в контакте поднимается до 390 К, пленка имеет темный с фиолетовым оттенком цвет, несплошности на поверхностях образцов, макротрещины и вспучивания. Как указывалось выше, защитные пленки при трении формируются в результате взаимодействия продуктов термо- и механодеструкций входящих в материалы компонентов и их адгезии к поверхностям трения. Свойства пленок, формируемых на поверхностях трения, предопределяются соотношением продуктов деструкции, температурой, давлением в контакте и другими факторами процесса трения. При трении материалов, с размерами частиц порошков наполнителя до определенных величин частицы, при их большом количестве на поверхности трения диспергируются с равномерно распределенным по всей поверхности выделением тепла. При увеличении размеров частиц температура в контакте трения локализуется на увеличенных контактах частиц, что вызывает инициирование термодеструкции фторопласта в этих «горячих» точках и появление дефектов пленки при тех же режимах трения. На первом этапе трения контактирование осуществляется по шероховатостям поверхностей порошков бронзы, процесс трения стабилизируется с установлением стационарного температурного 104

режима. На втором этапе контактирование осуществляется по приработанным увеличенным площадкам частиц, стабилизируется формирование защитных пленок и процесс трения в целом на новом уровне. Это приводит к снижению коэффициентов трения и интенсивностей изнашивания или их увеличению, в зависимости от размеров частиц порошков наполнителей, взаимодействующих при диспергировании с продуктами термо- и механодеструкции фторопласта. Для оптимизации факторов, влияющих на свойства наполненных бронзой фторопластов, количество наполнителя для центра плана эксперимента целесообразно принять 15 %. Влияние размеров частиц на свойства материалов в многофакторном процессе следует исследовать в интервале их значений 1 ÷ 90 мкм. 4.4.6. Влияние антифрикционных компонентов-добавок на трение и износ многокомпонентных материалов, содержащих фторопласт

Для выявления оптимальных количеств антифрикционных компонентов-добавок, при которых достигаются наименьшие значения коэффициентов трения и износа многокомпонентных бронзофторопластовых материалов, были изготовлены образцы с фиксированными близкими к оптимальным значениями количественного содержания компонентов основ материалов и переменными количественными соотношениями остальных, входящих в состав композиций, порошковых компонентов. В качестве компонентовдобавок использовали свинец порошковый (ГОСТ 16138-78), графит марки С-1 (ГОСТ 5261-50) и дисульфид молибдена (ТУ 48-19133-75). При изготовлении образцов материалов последовательностью смешивания компонентов обеспечивались наиболее выгодные условия для формирования трехкомпонентных композиций. Горячее прессование осуществляли при оптимальных давлениях, соответствующих количеству фторопласта в композициях. Для материалов каркасного типа в состав смесей включали 50 % порошка бронзы Бр ОС 6-6 с размерами частиц 1÷10 мкм, дисульфид молибдена или графит в количестве 3; 6; 9 % и фторопласт 4ДПТ (ос105

тальное). Смеси материалов наполненного типа готовили из порошков фторопласта 4ДПТ с размерами частиц 1÷15 мкм (85 %), бронзы с размерами частиц 30÷160 мкм (6; 9; и 12 %) и одного из компонентов: графита, дисульфида молибдена или свинца с размерами частиц 2÷8 мкм, а также из порошков фторопласта-4ДПТ с размерами частиц 30÷160 мкм (80 %), бронзы с размерами частиц 1÷10 мкм (11; 14 и 17 %) и одного из указанных компонентов. В табл. 4.6 приведены средние значения коэффициентов трения и интенсивностей изнашивания, определенные по четырем образцам каркасных материалов каждого состава, испытанным на трение по втулкам из стали 40Х. Таблица 4.6 Износостойкость и антифрикционные свойства каркасных материалов на основе бронзы Состав материала Значения характеристик (объемное содержание υ = 1м/с; рк = 1 МПа υ = 2м/с; рк = 0,5 МПа компонентов, %) f f Ih, × 10-9 Ih, × 10-9 1. Бронза (50) + фторопласт 0,141 0,92 0,163 0,83 (47) + С (3) 2. Бронза (50) + фторопласт 0,158 0,52 0,169 0,46 (44) + С (6) 3. Бронза (50) + фторопласт 0,184 0,69 0,192 0,44 (41) + С (9) 4. Бронза (50) + фторопласт 0,122 0,84 0,158 0,77 (47) + Мо S2 (3) 5. Бронза (50) + фторопласт 0,152 0,48 0,162 0,38 (44) + Мо S2 (6) 6. Бронза (50) + фторопласт 0,178 0,61 0,176 0,37 (41) + Мо S2 (9) 7. Бронза (50) + фторопласт 0,21 1,08 0,24 0,88 (50)

Коэффициент трения и износостойкость материалов зависят от количественных соотношений фторопласта с другими компонентами (графитом, МоS2) введенными в материал, и режимов трения. В 106

любом случае, как уже отмечалось, введение графита и МоS2 улучшает антифрикционные характеристики материалов, содержащих фторопласт. Оптимальное количество компонентов-добавок находится в пределах 5÷8 % (при приведенных режимах трения). Для улучшения характеристик материалов наполненного типа при суммарном содержании наполнителей в количествах, близких к оптимальным, в зависимости от соотношений размеров частиц порошков фторопласта и бронзы достаточно введение компонентов-добавок в пределах 4÷8 % (табл. 4.7). Таблица 4.7 Характеристики трения наполненных фторопластов Значения характеристик Состав материалов υ = 1 м/с; рк = 1 МПа υ = 2 м/с; рк = 0,5 МПа (объемное содержание компонентов, %) f f Ih, × 10-9 Ih, × 10-9 Фторопласт d = 1÷15 мкм 0,126 0,23 0,142 0,14 (85) + бронза (6) + Pb (9) Фторопласт d = 1÷15 мкм 0,125 0,20 0,144 0,10 (85) + бронза (9) + Pb (6) Фторопласт d = 1÷15 мкм 0,132 0,28 0,141 0,015 (85) + бронза (12) + Pb (3) Фторопласт d = 30÷160 мкм 0,15 0,134 0,21 0,147 (80) + бронза (11) + Pb (9) Фторопласт d = 30÷160 мкм 0,11 0,132 0,18 0,145 (80) + бронза (14) + Pb (6) Фторопласт d = 30÷160 мкм 0,26 0,16 0,138 0,153 (80) + бронза (17) + Pb (3) Фторопласт d = 30÷160 мкм 0,147 0,28 0,156 0,21 (80) + бронза (11) + МоS2 (9) Фторопласт d = 30÷160 мкм 0,142 0,25 0,155 0,18 (80) + бронза (14) + МоS2 (6) Фторопласт d = 30÷160 мкм 0,152 0,34 0,162 0,22 (80) + бронза (17) + МоS2 (3)

Применение антифрикционных и уплотнительных материалов в условиях радиационного излучения требует использования в качестве основы материалов с повышенной стойкостью в радиацион107

ном поле. Наиболее подходящими материалами основ являются фторопласт-4МБ (ТУ П-207-68) и фторопласт–40 (МРТУ 6-05-81768), выпускаемые в виде гранул или некомкующихся тонкодисперсных порошков и обладающие высокой стойкостью к радиации. Введение фторопласта–4ДПТ в эти сополимеры снижает коэффициент трения. Износостойкость в большей степени повышается введением бронзы, свинца, графита, дисульфида молибдена. Для приближения к оптимальным количественным соотношениям компонентов в композициях смеси готовили из порошков фторопласта–4ДПТ с размерами частиц 30÷160 мкм, бронзы с размерами частиц 1÷10 мкм и фторопласта–40 или -4МБ с размерами частиц менее 1 мкм. Применение порошков компонентов с такими размерами частиц обеспечивало наиболее выгодные условия формирования структуры наполненных материалов. При подготовке смесей сначала смешивали порошки фторопласта-4ДПТ и бронзы. При этом формировались гранулы с ядрами из частиц фторопласта4ДПТ и оболочками из частиц бронзы. Последующее смешивание полученной смеси с порошком фторопласта-40 или -4МБ обеспечивало образование еще одной оболочки из частиц тонкодисперсных порошков сополимеров. При прессовании таких смесей формируется структура материала, основа которого образуется спеканием порошковых компонентов наружных оболочек. Гранулы из фторопласта-4ДПТ и бронзы упорядоченно распределяются в основе-матрице. Горячее прессование образцов материалов осуществляли при давлениях 30 МПа и температурах 565 ± 5 К с выдержкой в течение 90 мин. В табл. 4.8 приведены средние значения коэффициентов трения и интенсивностей изнашивания, полученные при испытаниях по четырем образцам каждого состава материалов на основе фторопласта-40 по радиальной схеме трения. При трении фторопласта-40, наполненного фторопластом-4ДПТ (образцы 1 и 2), как и при трении фторопласта-40 без наполнителя, на поверхности втулки не образуется защитная пленка, но снижается его коэффициент трения и незначительно (в 1,5÷2,5 раза) повышается износостойкость. 108

Таблица 4.8 Характеристики трения материалов на основе фторопласта-40 Содержание наполнителя, % 1. Фторопласт-4ДПТ (50) 2. Фторопласт-4ДПТ (20) 3. Фторопласт-4ДПТ (20) + бронза БР ОС 6-6 (10) 4. Фторопласт-4ДПТ (20) + бронза БР ОС 6-6 (20) 5. Без наполнителя

Значения характеристик υ = 1 м/с; рк = 1 МПа υ = 2 м/с; рк = 0,5 МПа f f Ih, × 10-9 Ih, × 10-9 0,24 118,8 0,21 44,2 0,26 67,1 0,25 37,8 0,14

3,3

0,16

2,1

0,15

1,2

0,18

0,18

0,37

142

0,33

93

Трение образцов композиций с фторопластом-4ДПТ и бронзой на основе фторопласта-40 сопровождается формированием пленки на поверхности втулки. При увеличении количества бронзы в композициях от 10 до 20 % износ уменьшается в 2,5÷12 раз (образцы 3 и 4) и 60÷200 раз в сравнении с композицией, содержащей только фторопласт-4ДПТ (образец 2). Состав композиции 4, износостойкость которой в 120÷500 раз выше износостойкости фторопласта40 (образец 5) можно принять близким к оптимальному для планирования эксперимента по оптимизации факторов, влияющих на свойства материалов. 4.5. Влияние размеров частиц и количественного соотношения компонентов на упругость и релаксационные свойства наполненных фторопластов 4.5.1. Определение модуля упругости, податливости и релаксации напряжений

Модули упругости полимеров определяют по упругим составляющим деформации образцов. Учитывая длительное действие нагрузок на уплотнительные элементы в процессе их работы и вид напряжений, возникающих в них, податливость и модуль упруго109

сти композиций определяли по результатам испытаний на ползучесть при сжатии. Испытания проведены на установке (рис. 4.46), позволившей определить и релаксацию напряжений.

Рис. 4.46. Установка для испытаний на ползучесть и релаксацию напряжений

Установка включает основание 1, две направляющие колонки 2, скрепленные неподвижной траверсой 3 с винтом 4, подвижную траверсу 5 с резьбовой втулкой 6, столик 7, установленный в направляющих корпуса 8 и удерживаемый призматической опорой 9 рычага 10 с уравновешивающими грузами 11, узел нагружения, состоящий из корпуса 12, упругой V-образной, шарнирно закрепленной балки 13 и винта 14, ограничитель 15 и измерительные устройства (индикаторные головки с ценой деления 0,001 мм) 16 и 17 для измерения величины деформаций и нагрузок на образец. Для ступенчатого нагружения предусмотрена подвеска 18 с грузами. Для испытания материалов на ползучесть образец 19 устанавливают на столик 7. Перемещением подвижной траверсы 5, контактирующей с верхним торцом образца, уравновешенный грузами 11 рычаг 10 выводят в среднее положение и установкой соответствующего груза на подвеску 18 создают усилие, действующее на 110

образец. Упругую балку 13 при этом фиксируют в верхнем, а упор – в нижнем положениях, чем обеспечивают свободный ход рычага. Величину деформации образца через назначенные отрезки времени фиксируют индикаторной головкой 16. При испытаниях материалов на релаксацию напряжений нагружение образцов производят через упругую балку 13, а фиксирование постоянства длины образца после нагружения обеспечивают упором 15. После выдержки в течение определенного времени, заданного условием эксперимента, винтом 14 снимают нагрузку до уравновешивания сил, действующих на рычаг со стороны образца и упругой балки. Величину силы, соответствующей напряжениям в образце, находят исходя из величины силы, действующей со стороны упругой балки, которую фиксируют протарированной головкой 17, по известным зависимостям с учетом плеч рычага. Релаксацию напряжений характеризовали относительной величиной ξσ, которую определяли соотношением (4.17) ξσ = 1 – σt /σ0 , где σ0 – заданное исходное напряжение, создаваемое в образцах, МПа; σt – напряжение в образцах после выдержки при их постоянных длинах в течение времени t, МПа. Выражая напряжения через силы, действующие на образцы, при допущении сохранения площади поперечного сечения можно записать (4.18) ξσ = 1 – Рt /Р0 , где P0 – сила, действующая на образец в начальный момент, Н; Pt – сила, соответствующая напряжениям в деформированных образцах по истечении времени t. Для определения характеристик были изготовлены образцы материалов из смесей порошков фторопласта-4ДПТ с размерами частиц 30÷160 и 1÷15 мкм с порошками бронзы ОС 6-6 со средними размерами частиц 5, 33, 60, 90, 124, 153 и 180 мкм (предельные значения размеров 1÷10; 15÷45; 52÷72; 74÷108; 110÷132; 135÷160 и 165÷210 мкм). Из этих же порошков бронзы готовили смеси для образцов материалов на основе фторопласта-40, фторопласта-4МБ с размерами частиц 0,3÷5 мкм. Наполнитель вводили в количестве 10; 15 и 20 % по объему сухим смешиванием в механическом сме111

сителе. Увеличение количества наполнителя считали не целесообразным в связи с ухудшением антифрикционных свойств и увеличением жесткости, отрицательно сказывающейся на герметизирующую способность материалов. Горячее прессование осуществляли при давлении 20 МПа и температурах 650±5 К (для материалов на основе фторопласта–4ДПТ) и 570±5 К (для материалов на основе фторопластов-40 и 4МБ) с выдержкой в течение 120 мин (из расчета 10 мин на 1 мм наименьшего размера образца) и охлаждением со скоростью 180 К/ч. Образцы материалов испытывали на ползучесть и релаксацию напряжений при сжатии в течение 12 ч при напряжении 12 МПа. Модули упругости материалов определяли по упругим составляющим деформаций, которые фиксировали при разгружении образцов в конце испытаний на ползучесть. 4.5.2. Влияние размеров частиц и количественного соотношения компонентов на модуль упругости, податливость и релаксацию напряжений

Модули упругости всех композиций увеличиваются с увеличением размеров частиц наполнителя до 90÷100 мкм (рис. 4.47). Дальнейшее увеличение размеров частиц ведет к снижению значений модуля. Это вызвано изменением удельной поверхности порошков, измерения которой показали увеличение ее с увеличением размеров частиц до 80÷100 мкм. Изменение размеров частиц фторопласта вызывает изменение упругости материалов (зависимости 1; 3 и 4; 5). Это вызвано изменением структур материалов, формируемых при их изготовлении. С увеличением количества наполнителя увеличивается модуль упругости, изменяется степень влияния на него размеров частиц. Размеры частиц порошков наполнителя и фторопласта, как и их количественные соотношения, влияют на податливость материалов (рис. 4.48) и релаксацию напряжений (табл. 4.9). Податливость композиций уменьшается с увеличением размеров частиц наполнителя до 90÷120 мкм. Причем меньшей податливостью обладают материалы на основе фторопласта с размерами частиц, обеспечи112

вающими выгодные условия формирования структур наполненных материалов (зависимости 4 и 5).

Рис. 4.47. Зависимость модуля упругости от размеров частиц порошков: фторопласт-4ДПТ (dф = 30÷160 мкм) + бронза (%): 1 – 10; 2 – 15; 3 – 20; фторопласт-4ДПТ (dф = 1÷15 мкм) + бронза (%): 4 – 10; 5 – 20; фторопласт-40 + бронза (%): 6 – 10; 7 – 20

Таблица 4.9 Значения относительных изменений напряжений в материалах на основе фторопласта-4ДПТ за 12 ч Размеры частиц фторопласта dф и наполнителя d, мкм dф = 30 ÷ 160 : dф = 1 ÷ 15 :

d = 1÷10; d = 74 ÷ 108; d = 165 ÷ 210 d = 1÷10; d = 74 ÷ 108; d = 165 ÷ 210

Относительные изменения напряжений при количестве наполнителя 10 % 15 % 20 % 0,546 0,494 0,406 0,482 0,452 0,381 0,523 0,471 0,394 0,502 0,463 0,386 0,458 0,431 0,368 0,469 0,437 0,373 113

Рис. 4.48. Зависимость податливости от размеров частиц порошков: фторопласт-4ДПТ (dф = 30÷160 мкм) + бронза (%): 1 – 10; 2 – 15; 3 – 20; фторопласт-4ДПТ (dф = 1÷15 мкм) + бронза (%): 4 – 10; 5 – 20; фторопласт-40 + бронза (%): 6 – 10; 7 – 20

Материалы на основе фторопластов-40 и -4МБ подвергаются меньшей деформации и меньшему влиянию на податливость количества наполнителя (зависимость 6 и 7). Скорость податливости (или ползучесть) уменьшается во времени и зависит от количества наполнителя, марки фторопласта – основы материала, размера частиц (рис. 4.49). Для наполненных фторопластов (10÷20 % наполнителя) скорость податливости уже через 6÷10 ч уменьшается до 0 (зависимости 2–7). Чистый (без наполнителя) фторопласт обладает относительно высокой скоростью податливости (в 2,5÷5 раз выше по сравнению с наполненным) (зависимость 1). Наименьшей скоростью податливости и временем уменьшения ее до 0 обладают материалы на основе фторопласта-40 (зависимости 6 и 7). Близка к ней скорость податливости для материалов на основе фторопласта-4МБ. 114

Рис. 4.49. Зависимость податливости от времени действия напряжений (6 МПа): 1 – фторопласт-4ДПТ; 2 – фторопласт-4ДПТ (dф = 1÷10 мкм) + 10 % бронзы; 3 – фторопласт-4ДПТ (dф = 80÷100 мкм) + 10 % бронзы; 4 – фторопласт-4ДПТ (dф = 1÷10 мкм) + 20 % бронзы; 5 – фторопласт-4ДПТ (dф = 80÷100 мкм) + 20 % бронзы; 6 – фторопласт-40 (dф = 10 мкм) + 10 % бронзы; 7 – фторопласт-40 (dф = 80÷100 мкм) + 10 % бронзы

Относительное изменение напряжений имеет более высокие значения для материалов на основе фторопласта-4ДПТ с размерами частиц dф = 30÷160 мкм. Значения их уменьшаются при увеличении количества наполнителя и увеличении размеров его частиц. Причем при увеличении размеров частиц значения относительных изменений напряжений достигают минимума, а затем увеличиваются (см. табл. 4.9). Таким образом, зависимости характеристик, определяющих герметизирующую способность материалов, от размеров частиц 115

порошковых наполнителей показывают, что оптимальные размеры частиц находятся в пределах 60÷120 мкм, а лучшей основой по этим характеристикам для уплотнительных материалов является фторопласт-40 или -4МБ. При изучении характеристик не учитывалось влияние технологических факторов, влияние которых может в определенной степени сказаться на рассмотренные зависимости, поэтому требуется проведение оптимизации количественного соотношения компонентов и размеров частиц наполнителя во взаимодействии с технологическими факторами. Необходимо также учитывать состояние и тип наполнителя. Контрольные вопросы 1. Как определить силы адгезии частиц порошковых компонентов к поверхностям деталей? 2. В результате чего образуются агрегаты из частиц порошковкомпонентов материалов? 3. Объясните формирование структур материалов на стадиях смешивания порошковых компонентов и формования смесей. 4. Объясните формирование структуры материалов при горячем прессовании. 5. Как определить предельные значения количества фторопласта в материалах? 6. Как влияют состояние порошковых компонентов и режимы изготовления каркасных наполненных материалов и деталей из них на основные характеристики (твердость, прочность при срезе, при сжатии, коэффициент трения, износостойкость)? 7. Как влияет давление горячего прессования смесей на основные характеристики наполненных материалов на основе фторопластов? 8. Зависимость коэффициента трения и износа от количественного соотношения компонентов в материалах и режимов трения. 9. Каково устройство установки для испытания материалов на трение и износ. Как она работает? 10. Как определить толщину пленки формируемой на поверхности трения?

116

5. ОПТИМИЗАЦИЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ, РАЗМЕРОВ ИХ ЧАСТИЦ И РЕЖИМОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 5.1. Оптимизация состава и режимов изготовления материалов каркасного типа Исходя из результатов исследований материалов каркасного типа, содержащих фторопласт, компонентом основы выбран бронзовый порошок (Бр ОС 6-6) с размером частиц 1÷10 мкм и содержанием кислорода менее 0,3 %. Наиболее удобным для формирования гранул с ядрами из фторопласта при смешивании порошковкомпонентов является порошок фторопласта-4ДПТ с размерами частиц 30÷160 мкм, имеющий высокую сыпучесть и поставляемый в таком виде промышленностью. Третьим компонентом использовали графит марки С-2 с размерами частиц до 15 мкм. Порошки смешивали последовательно: сначала фторопласт с графитом, а затем полученную смесь с порошком бронзы. Это обеспечивало формирование гранул с наружной оболочкой из порошка бронзы. В эксперименте варьировали количеством фторопласта и графита (бронза – остальное), давлением и временем горячего прессования при температуре 550+5 К в среде водорода. Значения уровней и интервалов варьирования факторов выбирали на основе приведенных выше результатов (табл. 5.1). Для получения уравнений (математических моделей) в степенном виде кодированные значения факторов определяли по выражению [12] ⎡ 2ln xi − ln xi max ⎤ xi = ⎢ (5.1) ⎥ +1, ⎣ ln xi max − ln xi min ⎦ где xi – кодированные значения факторов; xi , xi max , xi min – натуральные значения факторов. Образцы материалов (по 4 штуки) изготовляли по условиям опытов (табл. П1 приложения), составленным в соответствии с матрицей планирования 4-факторного эксперимента (табл. П2 приложения). Параметрами оптимизации выбраны: предел прочности 117

при срезе (τср), коэффициент трения (f) и интенсивность изнашивания (Ih), средние значения которых приведены в табл. П1. Таблица 5.1 Значения уровней и интервалов варьирования факторов

Факторы φф – содержание фторопласта, % φс – содержание графита, % р – удельное давление горячего прессования, МПа t – время выдержки при горячем прессовании на единицу высоты, мин/мм

Кодовое обозначение факторов

Интервал варьирования

х1

8

52

44

36

х2

2

8

6

4

х3

75

325

250

175

х4

2

8

6

4

Уровни факторов верхосновнижний ний ной – + 0

В результате обработки эксперимента и перехода от уравнений регрессий, полученных в кодированном виде к уравнениям в натуральном виде получены математические соотношения между параметрами и влияющими факторами. −1,94 0,255(1− 0,47 ln p ) 5,519(1− 0,0895ln p ) 0,097 , [МПа], (5.2) τср = 0, 0135ϕср ϕс p t

f = e14,87 ϕф

−8,6(1−0,125ln ϕф )

−37,086(1−0,125ln ϕф −0,0503ln ϕc )

I h = e62,816 ϕф

p 0,082t 0,087 ,

ϕс−4,66(1+0,18ln ϕc ) p

−2,9658(1−0,26ln ϕф )

(5.3)

. (5.4)

Полученные уравнения позволяют определить количественные соотношения компонентов в композициях, давление и время горячего прессования для получения материалов с заданными характеристиками или прогнозировать характеристики по выбранным режимам горячего прессования материалов с известным соотношением входящих порошковых компонентов. Для этого можно пользоваться 118

графическими зависимостями характеристик материалов, рассчитанных по приведенным уравнениям (5.2), (5.3), (5.4), от влияющих на них факторов или таблицами, составленными на основе уравнений. Учитывая возможные варианты математических моделей, которые могут быть получены в результате исследования процессов постановкой экспериментов по плану второго порядка, зависимости характеристик материалов от влияющих факторов в общем виде можно выразить уравнением Au = Cu B1K1′ B2K2′ ...BnKn′ , (5.5) где Au – значения характеристик материалов; В1, В2, …, Вn – значения влияющих факторов в выбранных пределах; Cu – коэффициенты, значения которых получают экспериментально; K1′ , K 2′ , …, K n′ – показатели степени, которые имеют вид (5.6) K i′ = α′i (1 + β′i ln Bi + λ′i Bi ) , где α′i , β′i , λ′i – коэффициенты, зависящие от свойств материалов, входящих порошковых компонентов и факторов, зафиксированных на постоянных уровнях, значения коэффициентов получают обработкой результатов экспериментов; i – индекс фактора в эксперименте (i = 1, …, n). Для определения характеристик материалов или параметров других процессов, описываемых моделью приведенного вида, пользуются программами для расчета значений характеристик по полученным уравнениям. В табл. 5.2–5.4 приведена часть расчетных значений предела прочности при срезе, коэффициента трения и интенсивности изнашивания материалов на основе бронзы, содержащих фторопласт4ДПТ и графит, изготовленных горячим прессованием в течение 120 мин (из расчета 10 мин/мм). Прочность материалов уменьшается при увеличении количества фторопласта и графита в композициях (табл. 5.2). Влияние давления горячего прессования зависит от количества графита в материалах. При содержании его до 3 % прочность снижается при удельных давлениях больших 300 МПа. С увеличением графита уменьшается давление, при котором обеспечивается наиболее высокая прочность композиций. 119

Таблица 5.2 Значения пределов прочности при срезе материалов на основе бронзы Давление Содержание горячего графита в прессования, композиции, МПа % 2 200 6 10 2 300 6 10 2 450 6 10

Пределы прочности, МПа, при количестве фторопласта в композиции 30 %

40 %

50 %

60 %

84,15 55,4 45,65 84,13 52,54 41,89 71,56 42,74 32,80

48,16 31,72 26.12 48,12 29,91 24,13 41,16 24,58 18,86

31,24 20,7 17,03 31,2 19,42 15,62 26,72 15,95 12,24

21,63 14,32 11,81 21,52 13,38 10,76 18,73 11,19 8,58

Коэффициент трения уменьшается с увеличением количества фторопласта в композициях, не зависит от количества графита и увеличивается при увеличении давления и времени горячего прессования (табл. 5.3). Таблица 5.3 Значение коэффициентов трения композиций на основе бронзы Время горяДавление чего прессогорячего вания на прессования, единицу МПа высоты, мин/мм 2 200 6 10 2 300 6 10 2 450 6 10

Коэффициент трения при количестве фторопласта в композиции 30 %

40 %

50 %

60 %

0,238 0,258 0,269 0,246 0,266 0,279 0,254 0,276 0,289

0,179 0,194 0,203 0,185 0,201 0,210 0,191 0,208 0,218

0,162 0,177 0,185 0,168 0,183 0,190 0,173 0,188 0,195

0,160 0,174 0,182 0,164 0,180 0,187 0,170 0,185 0,191

120

Наименьшей интенсивностью изнашивания обладают материалы содержащие 50÷60 % фторопласта и 2 % графита и 40 % фторопласта и 10 % графита, изготовленные при давлении горячего прессования 200 МПа (табл. 5.4). С увеличением времени горячего прессования интенсивность изнашивания незначительно уменьшается, что связано, вероятно, с повышением прочности. Таблица 5.4 Интенсивность изнашивания материалов на основе бронзы Давление Содержание Интенсивность изнашивания композиций, горячего графита в (× 10-9) при количестве фторопласта прессования, композиции, в композиции МПа % 30 % 40 % 50 % 60 % 2 3,69 1,11 0,68 0,60 200 6 2,35 1,27 1,22 1,58 10 0,95 0,68 0,81 1,24 2 3,21 1,06 0,70 0,65 300 6 2,04 1,21 1,25 1,71 10 0,83 0,65 0,83 1,34 2 2,80 1,01 0,72 0,70 450 6 1,76 1,15 1,28 1,85 10 0,72 0,62 0,85 1,45

Для материалов, работающих без смазки, по рекомендациям ряда авторов, предел прочности при срезе должен быть не менее 25 МПа. С учетом этого выбран материал, содержащий 48–50 % фторопласта и 2 % графита, изготовляемый при 200 МПа удельного давления и 10 мин/мм времени горячего прессования на единицу высоты. 5.2. Оптимизация состава и режимов горячего прессования трехкомпонентных уплотнительных материалов на основе фторопласта На основании анализа результатов, полученных при исследованиях и требований, предъявляемых к уплотнительным материалам, работающих в подвижных соединениях, в качестве материала121

основы выбран порошок фторопласта-40 (МРТУ 6-05-817-68) с размерами частиц 0,5÷10 мкм. В качестве наполнителя, снижающего коэффициент трения, использован порошок фторопласта–4ДПТ (ТУ 6-05-041-372-72) с размерами частиц 30÷160 мкм, а повышающего износостойкость и улучшающего релаксационные характеристики – порошки бронзы Бр. ОС 6-6 со средними размерами частиц от 5 до 125 мкм. Смешивание порошков производили последовательно: сначала смешивали порошок фторопласта-4ДПТ с бронзовым порошком, а затем полученную смесь смешивали с порошком фторопласта-40, образующего оболочку на агрегатах с ядрами из частиц фторопласта-4ДПТ или крупных частиц бронзы или на агрегатах с промежуточными оболочками из мелких частиц бронзы. При оптимизации реализован пятифакторный дробный эксперимент с применением ротатабельного планирования 2-го порядка с варьированием количества фторопласта-4ДПТ, бронзы и размеров частиц ее порошка, давления и времени горячего прессования при температуре 570 ±5 К. Значения уровней и интервалов варьирования факторов представлены в табл. 5.5. Кодированные значения факторов выражали соотношением (5.1). Опыты реализованы по условиям (табл. П3). составленным в соответствии с матрицей планирования (табл. П4). Параметрами оптимизации для уплотнительных материалов, способных работать в подвижных соединениях выбраны: коэффициент трения (f ), интенсивность изнашивания (Ih), релаксация напряжений, характеризуемая относительной величиной (ξσ) и модуль упругости (Еy). Средние значения параметров оптимизации, определенные по четырем образцам материалов каждого опыта, приведены в табл. П3. Значения их логарифмов, использованные при обработке результатов с целью получения математических соотношений параметров оптимизации и влияющих на них факторов в степенном виде, внесены в табл. П4. По результатам эксперимента получены уравнения: для коэффициента трения 2,19(0,131ln ϕф −1)

f = e14,5ϕф

p 7,212(0,14ln p−1) d 0,3685(),35ln p−1) ϕ0,12 Б ; 122

(5.7)

Таблица 5.5 Значения уровней и интервалов варьирования факторов

Факторы φф – содержание фторопласта, % φс – содержание графита, % р – удельное давление горячего прессования, МПа t – время горячего прессования (из расчета на единицу наименьшего размера образца) на единицу высоты, мин/мм d – средний размер частиц бронзы, мкм

Уровни факторов основ верхнижной ний ний + 0

Кодовое обозначение факторов

Интервал варьирования

x1

5

25

20

15

x2

3

18

15

12

x3

5

35

30

25

x4

2

10

8

6

x5

30

95

65

35

для интенсивности изнашивания 45,015(0,160ln ϕф −1) 34,0864(0,1814ln ϕБ −1) 25,3986(0,1513ln p −1) ϕБ р × Ih = e157,8 ϕф t7,4333(0,2253ln t – 1) d 6,5305(0,1332ln d – 1) ; для относительного изменения напряжений 7,028(0,177 ln ϕф −1) 7,1998(0,186ln ϕБ −1) 2,85(0,244ln t −1) 0,5 0,178 ξσ = e18,789 ϕф ϕБ t p d ; для модуля упругости 2,577(0,076ln ϕф + 0,187 ln p −1) 0,867(0,522ln ϕБ −1) 8,802(0,126ln p −1) Eу = e27,432 ϕф ϕБ p ×

(5.8) (5.9)

(5.10) ×t1,861(0,233ln t −1) d 0,018(5,77 ln d −15,293ln ϕБ −1) [МПа]. Анализ результатов позволяет выбрать количественное соотношение компонентов, размер частиц порошка бронзы, давление и время горячего прессования, при которых обеспечивается получение материала на основе фторопласта-40, содержащего фторопласт-4ДПТ и бронзу, с лучшим комплексом характеристик. 123

Наименьшие расчетные значения коэффициентов трения получены для материалов, содержащих 20÷25 % фторопласта-4ДПТ, 10 % бронзы и изготовляемых при давлении горячего прессования 25÷30 МПа. Размеры частиц порошков бронзы при указанных значениях давлений горячего прессования не оказывают существенного влияния на значения коэффициентов трения. На рис. 5.1 приведены зависимости расчетных значений интенсивности изнашивания композиций от размеров частиц бронзы и давления горячего прессования при содержании бронзы в композициях 15 % и времени горячего прессования 10 мин/мм. При этих значениях количества бронзы и времени горячего прессования интенсивность изнашивания получена наименьшей.

Рис. 5.1. Зависимость интенсивности изнашивания от размеров частиц порошков бронзы, количества фторопласта-4ДПТ и давления горячего прессования: 1 – φф = 15; 2 – φф = 20; 3 – φф = 25 % при р = 20 МПа; 4 – φф = 15; 5 – φф = 20; 6 – φф = 25% при р = 30 МПа; 7 – φф = 15; 8 – φф = 20; 9 – φф = 25% при р = 40 МПа

Из приведенных зависимостей видно, что наибольшую износостойкость композиций можно получить при введении во фторо124

пласт-40 20÷25 % фторопласта-4ДПТ, 15 % бронзы с размерами частиц порошка 40÷50 мкм и изготовлении при давлениях 25÷30 МПа и времени горячего прессования 10 мин/мм. ϕБ −1) Наименьшие сомножители ϕ7,1998(0,186ln и t2,85(0,244lnt – 1) в уравБ нении (5.9) получают при значениях количества бронзы 14÷16 % и времени горячего прессования 8 мин/мм. Зависимости относительной релаксации напряжений в материалах от количества фторопласта-4ДПТ, размера частиц порошка бронзы и давления горячего прессования (рис 5.2), построенные по расчетным значениям характеристики, при содержании бронзы 15 % и времени горячего прессования 8 мин/мм показывают, что наименьшими значениями относительной релаксации напряжений обладают композиции, включающие 15÷20 % фторопласта-4ДПТ, 14÷16 % бронзы с размерами частиц менее 10 мкм и изготовленные горячим прессованием при давлении 20 МПа в течение 8 мин/мм (зависимости 1 и 2).

Рис. 5.2. Зависимости относительной релаксации напряжений от размеров частиц порошков бронзы, количества фторопласта-4ДПТ и давления горячего прессования: 1 – φф = 15; 2 – φф = 20; 3 – φф = 25 % при р = 20 МПа; 4 – φф = 15; 5 – φф = 20; 6 – φф = 25 % при р = 30 МПа; 7 – φф = 15; 8 – φф = 20; 9 – φф = 25 % при р = 40 МПа 125

Лучшей уплотняющей способностью обладают материалы, имеющие меньшие значения модуля упругости. Расчетные значения модуля упругости композиций, полученных при горячем прессовании в течение 8 мин/мм, определяющих наименьшую величину сомножителя t1,861(0,233ln t – 1) в уравнении (5.10), выборочно сведены в табл. 5.6. Наименьшие значения модуля упругости принадлежат материалу, содержащему 20 % фторопласта4ДПТ и 10 % бронзы с размерами частиц порошка 40 мкм (остальное фторопласт-40), изготовленному при давлении 30 МПа и времени горячего прессования 8 мин/мм. Таблица 5.6 Значения модуля упругости композиций на основе фторопласта-40 Давление горячего прессования, МПа

20

30

40

Количество Количество Значения модуля упругости, МПа, при размерах частиц фторопластабронзы в порошка бронзы, мкм 4ДПТ в ком- композиции, позиции, % % 10 40 70 10 944 905 998 20 15 1309 1078 1112 20 1783 1318 1304 10 958 919 1020 25 15 1388 1137 1144 20 1899 1399 1388 10 844 810 892 20 15 1171 963 994 20 1595 1178 1159 10 897 860 948 25 15 1222 1005 1038 20 1665 1230 1210 10 972 918 1027 20 15 1325 1090 1125 20 1805 1334 1312 10 1067 1022 1128 25 15 1454 1196 1235 20 1981 1440 1416 126

Рассмотрев условия получения композиций с небольшими значениями коэффициента трения, интенсивности изнашивания, релаксации напряжений и модуля упругости, для элементов уплотнительных узлов подвижных соединений можно рекомендовать материал на основе фторопласта-40, содержащий 20 % фторопласта-4ДПТ, 14÷16 % бронзы с размерами частиц исходного порошка 35÷45 мкм, изготовленный горячим прессованием смесей при давлениях 25÷30 МПа в течение 8 мин/мм. 5.3. Характеристики материалов оптимальных составов Для испытаний брали образцы материалов каркасного типа, изготовленные из смеси порошков бронзы Бр ОС 6-6 с размерами частиц 1÷10 мкм (50 %), фторопласта-4ДПТ с размерами частиц 30÷160 мкм (48 %) и графита С2 (2 %) при давлении 200 МПа, температуре 660 К, времени горячего прессования 10 мин/мм, и образцы наполненного фторопласта-40, содержащие 20 % фторопласта4ДПТ с размерами частиц 30÷160 мкм и 15 % бронзы БР ОС 6-6 с размерами частиц 35÷45 мкм, изготовленные при давлении горячего прессования 30 МПа в течение 8 мин/мм при температуре 570 К. Образцы материалов на основе фторопласта-4ДПТ изготовляли из смесей порошков фторопласта-4ДПТ с размерами частиц 1÷ 20 мкм, бронзы Бр ОС 6-6 с размерами частиц 30÷40 мкм, графита С2. Второй состав вместо графита включал свинец. Оптимальные составы их приведены в табл. 5.7. Горячее прессование образцов проводили при давлении 20 МПа, температуре 650 К в течение 8 мин/мм. Испытания на трение и износ проведены по торцовой схеме трения (с коэффициентом перекрытия Kп = 1) на установке при скорости в контакте 1 м/с и давлении 1 МПа с продолжительностью 300 ч. Для сравнения были испытаны известные материалы Ф4Г20М5С10, НАМИ-ФБМ и фторопласт-4. Испытания проведены в паре с контртелом из стали 40Х (HRC 45…48). Перед испытанием все образцы доводились в течение 8 ч. Образцы испытывали также на срез и релаксацию напряжений. 127

Результаты испытаний показывают, что наибольшей износостойкостью обладают материалы на основе фторопласта-4ДПТ (см. табл. 5.7) Таблица 5.7 Характеристики материалов, содержащих фторопласт

0,196 0,25 0,176

Интенсивность изнашивания, ×10-9 294 0,12 0,08

Относительная износостойкость 1 2450 3675

Предел прочности при срезе, МПа -

Относительная релаксация напряжения 0,363 0,392

0,184

0,18

1633

32,3

-

0,178

0,11

2673

11,2

0,192

0,153

0,023

12782

9,73

0,357

0,156

0,047

6255

9,52

0,344

КоэфМатериал или фициент состав композиции трения Фторопласт-4 Ф4Г20М5С10 НАМИ-ФБМ Бронза Бр ОС 6-6 + Фторопласт-4ДПТ (48) + графит С2 (2) Фторопласт-40 + фторопласт-4ДПТ (20) + бронза Бр ОС 6-6 (15) Фторопласт-4ДПТ + бронза Бр ОС 6-6 (14) + свинец (2) Фторопласт-4ДПТ + бронза Бр ОС 6-6 (15) + графит С2 (3)

Примечание: в скобках указано содержание порошкового компонента в процентах по объему.

Их износостойкость в 6000÷12000 раз превосходит износостойкость фтропласта-4. Относительно высокая износостойкость получена для композиции на основе фтоопласта-40, имеющей преимущества перед другими композициями (наполненного типа) в стойкости к радиационному облучению и по релаксационным характеристикам. 128

Материал на основе бронзы имеет достаточно высокие антифрикционные свойства и износостойкость и с успехом может быть использован в уплотнительных узлах трения. Контрольные вопросы 1. Какова методика определения сил адгезии частиц порошковых компонентов? 2. Какова методика исследований формирования структуры материалов? 3. Как образуются агрегаты из частиц компонентов при смешивании? 4. Как происходит формирование структуры материалов на стадиях формования смесей и горячего прессования? 5. Как влияют окисление порошковых компонентов и технологические факторы на свойства материалов, содержащих фторопласт? 6. Как влияют на трение и износ материалов количественные соотношения и размеры частиц компонентов? 7. Как влияют антифрикционные компоненты-добавки на трение и износ многокомпонентных материалов? 8. Опишите установку для испытания материалов на трение и износ, а также особенности устройства испытательной головки. 9. Как влияют размеры частиц и количественные соотношения компонентов на упругость и релаксационные свойства наполненных фторопластов? 10. В чем заключается оптимизация количественного соотношения компонентов, размеров частиц и технологических режимов изготовления материалов, а также испытание материалов оптимальных составов?

129

6. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ, УЗЛОВ ТРЕНИЯ И ИХ ИСПЫТАНИЕ 6.1. Конструктивные особенности и свойства деталей В зависимости от среды в герметизируемых объемах, скоростей, удельных нагрузок на поверхностях и назначений узлов в машинах применяют разные по конструкционному исполнению и свойствам детали. Уплотнение неподвижных соединений по торцовой кольцевой поверхности проводят прокладками, кольцами с круглым сечением из материала с соответствующим модулем упругости и минимальной или отсутствием текучести при рабочих напряжениях. Материал должен быть химически устойчивым к рабочей среде. Уплотнение по неподвижным цилиндрическим поверхностям проводят кольцами круглого сечения, кольцами с прямоугольным сечением. Уплотнительные детали подвижных соединений обладают высокой износостойкостью, обеспечивают длительность работы узлов. Такими деталями являются кольца торцовых уплотнений насосов, компрессоров, сальников вентилей, клапанов, штоков поршневых насосов, подшипниковых узлов и другие. В узлах трения детали из антифрикционных материалов применяют в качестве подшипников сухого трения, вкладышей, опорных колец, элементов деталей, выполняющих роль подшипников. В деталях узлов предусматривают отвод жидкости из контакта, вынос продуктов износа из зоны трения, поджатие к контактной поверхности. На рис. 6.1–6.2 приведены детали уплотнительных узлов и узлов трения, изготовленные из материалов, содержащих фторопласт. Уплотнения неподвижных соединений (разные по форме размерам к сечению прокладки), а также уплотнительные детали запорной арматуры изготовляют из наполненных фторопластов с формированием ячейчатой структуры. Уплотнениям подвижных соединений придают повышенную износостойкость и упругость. 130

а

б в г д Рис. 6.1. Уплотнения неподвижных соединений а – в виде кольца прямоугольного сечения, б - в виде кольца круглого сечения, в в виде кольца конического сечения, г - в виде диска, д - в виде кольца с отверстиями

Рис. 6.2. Детали подвижных соединений и узлов трения: а, б – кольца торцовых уплотнений, опорные кольца с одним или двумя рабочими слоями (2), нанесенными на армирующие кольца (1); в, г, е – уплотнения по диаметрам валов, штокам; ж – поршневое кольцо; д – втулка подшипника скольжения из комбинированного материла; з, и – антифрикционный рабочий слой (2) в корпусных деталях (1); к – сферический самоустанавливающийся подшипник 131

Детали подшипников скольжения изготовляют из комбинированного материала. Нагрузку воспринимает несущая часть 1, изготовленная из компактного материала или порошков. Тонкий антифрикционный слой 2 работает на трение и износ и обеспечивает долговечность подшипника. Несущей частью подшипника скольжения может служить одновременно детали изделия, выполняющие другую функцию в нем. Малонагруженные подшипники скольжения изготовляют из наполненных фторопластов, имеющих высокую износостойкость и низкий коэффициент трения. 6.2. Технологические процессы изготовления деталей, содержащих фторопласт, горячим прессованием Технологический процесс изготовления деталей из смесей порошков включает следующие операции: 1) подготовку порошков-компонентов смесей; 2) смешивание порошков-компонентов; 3) прессование заготовок; 4) загрузку заготовок в пресс-формы для горячего прессования; 5) загрузку пресс-форм в камеру для горячего прессования, установление режимов, выдержку на режимах, охлаждение; 6) разгрузку пресс-форм, зачистку, снятие заусениц; 7) контроль заготовок или деталей; 8) упаковку деталей. Процесс изготовления деталей антифрикционного назначения с тонким рабочим слоем в отверстии включает операции: 1) изготовление заготовок из компактного или порошкового материала с учетом толщины рабочего антифрикционного слоя; 2) подготовку смеси для антифрикционного рабочего слоя в отверстиях деталей; 3) установление заготовки деталей в приспособление, закрепление приспособления на установке, нанесение антифрикционного слоя, освобождение приспособления; 4) установление приспособления в печь, спекание антифрикционного слоя и его припекание к заготовке; 132

5) извлечение приспособления из печи, выдержку до полного охлаждения в термостате; 6) разбор приспособления, зачистку от облоя и заусениц; 7) контроль деталей; 8) упаковку деталей. 6.3. Оборудование для горячего прессования 6.3.1. Установка для прессования заготовок, содержащих фторопласт Установка (рис. 6.3) состоит из корпуса 1, на котором смонтированы нагревательная камера 2 с крышкой 3, подвижным штоком 4 и герметизированным сильфоном 5. Узел нагружения содержит электродвигатель 6, червячный редуктор 7, опору 8 с демпфирующим устройством 9, толкатель 10 и рычаг 11 с регулировочным винтом 12 и электромагнитным вибратором 13.

Рис. 6.3. Установка для горячего прессования 133

Внутри корпуса смонтированы трансформатор, пусковая и регулирующая аппаратура, система подвода газовой среды. На панели установки смонтированы элементы управления и контрольные приборы. Перед загрузкой пресс-формы в камеру и перед ее выгрузкой рычаг вместе со стойкой 14 поворачивают в горизонтальной плоскости. Положение его в вертикальной плоскости регулируют винтом 12. Открытием одного из вентилей 15 в камеру подается защитная или восстановительная среда, расход которой контролируется ротаметром 16. Создание давления на изделие производится от электродвигателя через редуктор, опору, соединенную резьбой с червячным колесом и перемещающейся вдоль оси, пружины 17 демпфирующего устройства, толкатель, рычаг, регулирующий винт, шток крышки и пуансоны пресс-форм. Величина усилия определяется величиной деформации пружины 17 и фиксируется по шкале, нанесенной на стакане демпфирующего устройства, или приборами через тензометрические датчики. Демпфирующее устройство устраняет жесткость системы нагружения и резкое изменение давления при температурном изменении длины изделий. Наличие электромагнитного вибратора обеспечивает повышение качества изделий и производительность их изготовления. 6.3.2. Устройство для горячего прессования заготовок из порошковых смесей Устройство предназначено для горячего прессования заготовок с усилием до 900 кН на гидравлическом прессе в восстановительной или защитной среде. Устройство состоит из основания 1 (рис. 6.4) с изолирующей плитой 2, нагревательной камеры 3 с крышкой 4, соединенной тягами 5 с верхней плитой 6, теплоизолирующего кожуха 7, систем подвода и отвода газовой среды, питания, нагрева и контроля, объединенные блоком управления 8. Крышка 4 поднимается и удерживается в верхнем положении через тяги 5 плитой 6, которая крепится к штоку или верхней плите пресса. Поджатие крышки к 134

нагревательной камере осуществляется пружиной 9 при опускании плиты 6 вниз и создании давления на штоке 10. Со штока через верхний пуансон прессформы давление передается на изготовляемые детали. Защитный или восстановительный газ отводится из камеры через трубопровод 11, а подается в камеру через соединительный штуцер 12 с небольшим избыточным давлением.

Рис. 6.4. Устройство для горячего прессования

6.4. Установка для нанесения антифрикционного металлофторопластового слоя в отверстиях Наиболее технологичным и эффективным признан способ формования антифрикционного слоя радиальным прессованием. Смесь порошковых компонентов 6 (рис. 6.5) подается в зазор между поверхностями заготовок 2, установленных в обойме 1, и вращающимися шнеком 3 и уплотняется конусной частью оправки 4, соединенной со шнеком и перемещающейся вдоль оси вместе с ним. Уплотненный слой 5 при температуре ниже температуры термодеструкции фторопласта спекают и одновременно припекают к заго135

товке втулки подшипника. Между собой втулки разделяют прокладками. Для обеспечения нормального формования слоя, его спекания и припекания в заготовке величину зазора принимают в зависимости от толщины наносимого слоя, характеристик порошковых компонентов, их процентного соотношения в смеси и параметров шнека.

Рис. 6.5. Схема нанесения антифрикционного слоя

Условие сохранения массы материала до формования (смеси компонентов) и сформованного антифрикционного слоя можно представить равенством γ к ( D 2 − d 2 ) = γ н K у ( D 2 − d s2 ) где γк – плотность компактного материала слоя, кг/м3; γн – насыпная плотность смеси компонентов материала слоя, кг/м3; Ky – коэффициент уплотнения смеси в процессе подачи ее в зазор; D – диаметр отверстия под покрытие, м; d – диаметр сформированного отверстия, м; ds – наружный диаметр шнека, образующего зазор и подающего в него смесь, м. Из равенства наружный диаметр шнека определяют соотношением ds =

D 2 − ( γ к / γ н K y )( D 2 − d 2 ) .

Вышеприведенный способ нанесения антифрикционного слоя реализуется на установке (рис. 6.6), которая состоит из станины 1, на которой смонтирован корпус узла нанесения 2 с опорой 3, направляющей 4, шнеком 5 и столиком 6. В нижней части станины 136

крепится червячный редуктор 10 с винтом 8, электродвигатель 11 с муфтой и педаль включения осевой подачи винта 12. В перегородке станины закреплена опорная гайка 9.

Рис. 6.6. Установка для нанесения металлофторопластового слоя

Для нанесения антифрикционного слоя на поверхности внутреннего диаметра заготовок 13 обойму 15 с заготовками устанавливают на столик 6 и поджимают верхним торцом к опоре 3. После этого на винт 8 соосно устанавливают оправку 7, шнек 5, направляющую 4 и включают вращение винта против часовой стрелки, которое передается через оправку 7 на шнек 5. Имея левое направление винтовой поверхности, шнек перемещает смесь 14 из воронки опоры зазор, образованный поверхностью шнека и поверхностями заготовок. После заполнения зазора смесью вращение шнека меняют на правое и винтовая поверхность подуплотняет смесь, и удаляет ее излишки. Нажатием на педаль 12 винт вводится в зацеп137

ление с гайкой и получает осевое перемещение вместе с оправкой, шнеком и направляющей. При вращении и осевом перемещении оправка своей конусной частью уплотняет смесь до необходимой плотности. При достижении конечного положения винта вращение и его перемещение автоматически прекращаются. Заготовки с обоймой и оправкой передаются на термическую обработку. 6.5. Испытание уплотнительных колец узлов торцового уплотнения Кольца узлов торцовых уплотнений с наружным диаметром равным 85 мм, внутренним диаметром 70 мм и толщиной 10 мм изготовляются из комбинированного антифрикционного материала. Толщина антифрикционного слоя из бронзофторопластового материала с ячейчатой структурой составляет 2,5 мм. Внутренние кольца (см. рис. 6.2, б) формируются из железного порошка и подвергаются лужению. В состав смеси для антифрикционного слоя вводят фторопласт-4ДПТ (42 % по объему). Горячее прессование проводят при давлении 250 МПа и температуре 650 ±5 К в течение 45 мин в среде водорода. Испытание на спекание антифрикционного слоя с поверхностью внутреннего кольца проводили по известной методике срезанием слоя по границе раздела поверхностей. При испытаниях восьми колец предел прочности при срезе составил 30÷33 МПа, т.е. такой же по численным значениям, как и предел прочности при срезе материала антифрикционного слоя. Испытания на работоспособность проводили на установке (рис. 6.7), обеспечивающей скорость в контакте с контртелом до 25 м/с. Установка состоит из станины 1, шпиндельной головки 2 с электродвигателем постоянного тока 3, установленной на стойке 4, гидросистемы с насосом 5, измерительно-регистрирующей аппаратуры 6 и испытательной головки с устройством нагружения 7, показанной на рис. 6.8. Для проведения испытаний уплотнительное кольцо 1 (рис. 6.8) устанавливается в оправке 2, закрепленной на шпинделе 3. Перемещением шпиндельной головки вниз образец вводится в контакт с 138

контробразцом 4, закрепленном в подвижной опоре 5, удерживаемой от проворачивания двумя упорами 6 через упругие балки 7.

Рис. 6.7. Установка для испытания материалов на трение и уплотняющую способность

Контактное напряжение создается вращением маховика 8 с валиком 9, через червячную пару редуктора 10, винт 11 со стаканом 12, пружину 13 и плунжер 14 с толкателем 15. Нагружение на кольцо обеспечивается при наличии зазора «S» между поверхностями опоры 5 и корпуса 16. При испытаниях уплотнительных колец в полость «А», образованную поверхностями кольца 1, оправки 2, контробразца 4 и опоры 5 подается рабочая жидкость с соответствующим давлением. Постоянство задаваемого контактного напряжения достигнуто наличием двух сообщающихся полостей «А» и «В» в опоре 5. Коэффициент трения определяют по моменту трения, фиксируемому с помощью тензометрических датчиков, наклеенных на упругие балки 7. 139

Величину износа определяют разностью размеров высоты кольца до и после испытаний или по величине перемещения опоры 5 с помощью микрометрической головки.

Рис. 6.8. Испытательная головка

Уплотняющую (герметизирующую) способность колец оценивают отношением контактного напряжения к давлению рабочей среды в полости при отсутствии ее утечки между контактирующими поверхностями. На установке можно испытывать материалы на трение и износ в разных условиях (сухое, граничное, жидкостное трение), определять уплотняющую способность уплотнительных колец в зависимости от их геометрических параметров, точности изготовления, качества поверхностей и других факторов. Четыре кольца предложенной конструкции испытывали в течение 1000 ч при скорости в контакте 23 м/с, давление рабочей среды 0,3 МПа и контактном напряжении 0,25 МПа. В качестве рабочей среды использовали масло индустриальное И-12А ГОСТ 20799-75. Перед испытаниями торцовые поверхности колец обрабатывали с 140

отклонением от параллельности не более 0,005 мм и шероховатостью 0,63÷1,25. Износ колец за 1000 ч составил 0,02÷0,03 мм, соответствующая средняя интенсивность изнашивания с включением интенсивности изнашивания в процессе приработки составила 3·10-13. Разницы в износе уплотнительных колец с внутренними компактными и порошковыми кольцами не отмечается. Предложенные кольца прошли производственные испытания в уплотнительных узлах турбокомпрессоров ХТКФ-248 при частоте вращения 7500 мин-1. В течение межремонтного периода (3000 ч) было обеспечено надежное уплотнение. Износ колец составил 0,09÷0,11 мм. Поверхность сопрягаемой детали не имела следов износа. Износ параллельно работавших колец из материала АГ-1500С2 составил 3÷3,5 мм. Сопрягаемая поверхность износилась на 0,5÷0,7 мм и требовала замены. 6.6. Испытание сальниковых уплотнений узлов компрессоров Ресурс работы узлов компрессоров определялся ресурсом работы уплотнений. В комплект сальниковых уплотнений входило четыре разных по конструкции и функциональному назначению кольца: 1, 2, 3, 4 (рис. 6.9), стянутых пружинами 5. Уплотнения, кольца которых изготовляли из чугуна, а также из фторопласта-4, имели малый ресурс работы в узлах компрессоров типа 7 ВП-20/220 (700÷1000 ч). Опытные партии сальниковых уплотнений узлов компрессоров с наружным диаметром 92 мм и внутренним диаметром 60 мм, изготовленных из антифрикционных материалов 2-х составов: 1) БрОС-10-4 - Рис. 6.9. Комплект колец 15% + фторопласт-4ДПТ – остальное; 2) БрОС-10-4 - 15% + фторопласт-4ПФТ-82% + графит С2-3% уста141

навливали на испытания непосредственно в узлы компрессоров 7ВП-20/220. После работы в течение 3600 ч состояние уплотнений контролировали. Износ составил 0,12÷0,14 мм. 6.7. Испытание покрытия рабочей поверхности статора электробензонасоса инжекторной системы питания автомобилей, выпускаемых АО ˝ГАЗ˝ Ресурс работы насоса в значительной мере определяется качеством статора, в частности, износостойкостью его рабочей поверхности. На рис. 6.10 показан статор электробензонасоса, конструктивно состоящий из металлической основы 1, изготовленной из порошков по прогрессивной технологии [13] и рабочего слоя 2 в отверстии. В состав металлической основы введена порошковая медь в количестве 3 %, что обеспечило стабилизацию размеров детали (заготовки) в процессе ее термической обработки после прессования. Рабочий слой толщиной 0,3÷0,4 мм выполнен из антифрикционного материала ячейчатой структуры.

1

2

Рис. 6.10. Статор 1 – металлическая основа, 2 – рабочий слой 142

Опытные партии статоров с содержанием фторопласта 4ДПТ в рабочем слое 90, 85 и 80 % (по объему) испытаны на трение и износ при радиальном нагружении. В табл. 6.1 приведены средние значения результатов по 10 испытанным статорам. Наиболее высокой износостойкостью обладают статоры с покрытием поверхности в отверстии антифрикционным материалом, содержащим фторопласт-4ДПТ в количестве 85 %. Таблица 6.1 Результаты испытаний на трение и износ Материал наполнителя Бронза Бр 0-10

Содержание Ф-4ДПТ (% по объему) 90 85 80

Интенсивность изнашивания, мкм/км 0,036 0,014 0,061

Коэффициент трения 0,071 0,064 0,081

Ресурсы работы насоса оценивали длительностью его работы до падения создаваемого им давления до нижнего значения, при котором испытания прекращались. Испытания проведены на стендах в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. В табл. 6.2 приведены усредненные результаты испытаний работы насосов, в которые были установлены статоры с разным содержанием фторопласта в покрытии рабочей поверхности. Таблица 6.2 Результаты испытаний на ресурс работы Содержание фторопласта4ДПТ в материале покрытия, % по объему Продолжительность работы статора в насосе до падения предельного давления, ч

90

85

80

3620

>6000

5430

143

Анализ интенсивности изнашивания, коэффициентов трения и ресурсов работы статоров показывает, что лучший комплекс этих характеристик принадлежит бронзофторопластам с содержанием фторопласта в покрытии около 85% по объему. Статоры электробензонасосов рекомендованы для серийного комплектования насосов систем питания автомобилей ˝ГАЗ˝. Контрольные вопросы 1. В чем конструктивные особенности и свойства деталей узлов трения и уплотнительных узлов? 2. При каком давлении, температуре и времени выдержки ведется изготовление деталей? 3. Какие основные узлы оборудования для горячего прессования?

144

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Воронков Б.Д. Подшипники сухого трения. Л.: Машиностроение, 1979. 2. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник/ Чичинадзе А.В. – 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1988. 3. Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторополимеров. М.: Наука, 1981. 4. Чичинадзе А.В., Матвеевский Р.М., Браун Э.Д. Материалы в триботехнике нестационарных процессов. М.: Наука, 1986. 5. Паншин Ю.А., Малкевич С.Г., Дунаевская Ц.С. Фторопласты. Л.: Химия, 1978. 6. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. 7. Ярошевич В.К., Белоцерковский М.А. Антифрикционные покрытия из металлических порошков. Минск: Наука и техника, 1981. 8. Особенности формирования структуры и свойств при горячем прессовании материалов, содержащих фторопласт / Гацков В.С., Гацков С.В. //Вестник ПГТУ АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА. №9. Пермь, 2001. С. 15-20. 9. Гацков В.С., Гацков С.В. повышение прочности и износостойкости деталей из антифрикционных материалов. //Научные труды международной конференции ˝ТЕХНОЛОГИЯ 96˝. Новгород, 1996. С.70-82. 10. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1980. 11. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. М.: Металлургия, 1972. 12. Пляскин И.И. Оптимизация технических решений в машиностроении. М.: Машиностроитель, 1982. 13. Гацков В.С., Гацков С.В. Прогрессивные технологии изготовления деталей из антифрикционных и фрикционных материалов // Вестник Курганского университета ˝Технические науки˝. Вып.2. Курган: Из-во Курганского гос. ун-та , 2006. С. 24-27. 14. Гацков В.С., Гацков С.В., Халевина А.В. Изготовление деталей с антифрикционным металлофторполимерным слоем ячейчатой структуры // Динамика систем, механизмов и машин. Материалы VI Международной научно-технической конференции, посвященной 65-летию ОмГТУ 13-15 ноября 2007 г. Кн. 2. Омск, 2007. С. 287-290.

145

ПРИЛОЖЕНИЯ Таблица П1 Условия проведения опытов и экспериментальные значения параметров оптимизации Значения факторов в опытах Значения параметров Содер- Содер- ДавлеВремя Предел Коэф- Интенжание жание ние го- горячего прочфисивНофторо- графита, рячего прессоности циент ность мер пласта, % прессо- вания на при изнашиопыта % вания, единицу срезе, тревания МПа высоты, МПа ния ×10-9 мин/мм 1 36 4 175 4 40,2 0,224 2,64 2 52 4 175 4 19,4 0,151 0,98 3 36 8 175 4 31,2 0,216 1,68 4 52 8 175 4 15,3 0,146 1,02 5 36 4 325 4 38,8 0,246 2,36 6 52 4 325 4 17,4 0,162 1,12 7 36 8 325 4 28,6 0,241 1,72 8 52 8 325 4 14,1 0,164 1,22 9 36 4 175 8 42,6 0,242 2,42 10 52 4 175 8 20,3 0,166 0,91 11 36 8 175 8 32,6 0,244 1,52 12 52 8 175 8 14,4 0,167 0,96 13 36 4 325 8 39,4 0,252 2,28 14 52 4 325 8 18,0 0,168 1,02 15 36 8 325 8 30,4 0,256 1,48 16 52 8 325 8 15,2 0,172 1,08 17 28 6 250 8 51,6 0,272 4,86 18 60 6 250 8 13,2 0,168 1,53 19 44 2 250 8 30,1 0,202 1,38 20 44 10 250 8 20,3 0,172 0,94 146

Окончание табл. П1 Значения факторов в опытах Значения параметров Содер- Содер- ДавлеВремя Предел Коэф- ИнтенНо- жание жание ние го- горячего прочфицисивмер фторо- графи- рячего прессо- ности ент ность опы- пласта, та, % прессо- вания на при трения изната % вания, единицу срезе, шиваМПа высоты, МПа ния мин/мм ×10-9 21 44 6 100 8 22,4 0,198 1,46 22 44 6 400 8 22,6 0,189 1,54 23 44 6 250 2 21,7 0,196 1,68 24 44 6 250 10 28,6 0,182 1,56 25 44 6 250 6 27,1 0,188 1,28 26 44 6 250 6 26,5 0,182 1,32 27 44 6 250 6 27,6 0,178 1,26 28 44 6 250 6 25,2 0,194 1,36 29 44 6 250 6 27,8 0,184 1,31 30 44 6 250 6 26,3 0,186 1,25 31 44 6 250 6 25,6 0,178 1,30

Таблица П2 Матрица планирования 4-х факторного эксперимента и значения логарифмов параметров оптимизации Номера опытов 1 2 3 4 5 6 7

Кодированные значения факторов

Значения логарифмов параметров

х0

х1

х2

х3

х4

ln τср

ln ƒ

ln Ih

+ + + + + + +

+ + + -

+ + +

+ + +

-

3,693866 2,980617 3,440417 2,727852 3,658420 2,856469 3,353402

-1,4961 -1,8905 -1,5325 -1,9242 -1,4024 -1,8202 -1,4229

- 19,7525 -20,7435 -20,2045 -20,7035 -19,8646 -20,6099 -20,1809

147

Окончание табл. П2 Номера опытов 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Кодированные значения факторов х0 х1 х2 х3 х4

Значения логарифмов параметров ln τср ln ƒ ln Ih

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

2,646175 3,751853 3,010620 3,484311 2,667228 3,673764 2,890370 3,414441 2,7212983 3,943521 2,580215 3,404524 3,010620 3,109060 3,117948 3,077311 3,3532402 3,299533 3,277141 3,317813 3,226842 3,325034 3,269565 3,242591

+ + + + + -2 +2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

+ + + + + 0 0 -2 +2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

+ + + + + 0 0 0 0 -2 +2 0 0 0 0 0 0 0 0 0

+ + + + + + + + 0 0 0 0 0 0 -2 +2 0 0 0 0 0 0 0

148

-1,8079 -1,4188 -1,7958 -1,4106 -1,7898 -1,3783 -1,7838 -1,3626 -1,7603 -1,3019 -1,7838 -1,5995 -1,7603 -1,6195 -1,6660 -1,6296 -1,7038 -1,6713 -1,7038 -1,7259 -1,6399 -1,6928 -1,6820 -1,7259

-20,5244 -19,8395 -20,8176 -20,3046 -20,7641 -19,8991 -20,7035 -20,3313 -20,6463 -19,1423 -20,2980 -20,4012 -20,7852 -20,3449 -20,2915 -20,2045 -20,2786 -20,4764 -20,4457 -20,4922 -20,4158 -20,4533 -20,5001 -20,4609

Таблица П3

№ опыта

Условия проведения опытов и значения параметров оптимизации уплотнительных материалов

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Значение факторов в опытах Содер- Содер- ДавлеВремя жание жание ние го- горячего фторо- бронзы, рячего прессова% прессопласта, ния на вания, единицу % МПа высоты, мин/мм 15 12 25 6 25 12 25 6 15 18 25 6 25 18 25 6 15 12 35 6 25 12 35 6 15 18 35 6 25 18 35 6 15 12 25 10 25 12 25 10 15 18 25 10 25 18 25 10 15 12 35 10 25 12 35 10 15 18 35 10 25 18 35 10 30 15 30 8 10 15 30 8 20 21 30 8 20 9 30 8 20 15 40 8 20 15 20 8 20 15 30 12 20 15 30 4 20 15 30 8 20 15 30 8 20 15 30 8 20 15 30 8 20 15 30 8 20 15 30 8 20 15 30 8 20 15 30 8 149

Значения параметров Раз- Коэф- Интен- Относи- Момер фициент сив- тельная дуль час- трения ность релак- упругоизнаши- сация сти, тиц, вания, напряМПа мкм жений ×10-9 95 35 35 95 35 95 95 35 35 95 95 35 95 35 35 95 65 65 65 65 65 65 65 65 125 5 65 65 65 65 65 65

0,206 0,153 0,212 0,164 0,202 0,172 0,218 0,156 0,216 0,166 0,212 0,158 0,226 0,156 0,202 0,172 0,146 0,226 0,178 0,152 0,196 0,174 0,168 0,162 0,166 0,187 0,176 0,168 0,178 0,185 0,172 0,182

4,24 0,81 2,84 1,98 3,87 2,24 3,52 1,32 2,14 1,22 2,98 0,71 3,12 0,78 2,34 1,23 2,18 6,98 0,61 4,46 1,39 0,62 0,74 1,16 2,98 0,68 0,62 0,54 0,67 0,74 0,47 0,81

0,28 0,24 0,22 0,28 0,23 0,29 0,27 0,31 0,21 0,29 0,26 0,28 0,29 0,31 0,22 0,32 0,37 0,26 0,23 0,34 0,34 0,18 0,21 0,32 0,29 0,19 0,24 0,19 0,21 0,23 0,18 0,22

976 921 1052 1108 832 1126 1086 1236 837 1131 1096 1126 932 1018 993 1187 976 895 1218 752 1120 905 887 1115 1069 910 950 915 932 925 941 890

Таблица П4 Матрица планирования эксперимента и значения логарифмов характеристик материалов на основе фторопласта-40 Кодированные значения факторов

№ опыта

х0

х1

х2

х3

х4

х5

lnƒ

ln Ih

ln εσ

ln Ey

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + +2 -2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

+ + + + + + + + 0 0 +2 -2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

+ + + + + + + + 0 0 0 0 +2 -2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

+ + + + + + + + 0 0 0 0 0 0 +2 -2 0 0 0 0 0 0 0 0

+ + + + + + + + 0 0 0 0 0 0 0 0 +2 -2 0 0 0 0 0 0

-1,5799 -1,8773 -1,5512 -1,8079 -1,5995 -1,7603 -1,5233 -1,8579 -1,5325 -1,7958 -1,5512 -1,8452 -1,4872 -1,8579 -1,5995 -1,7603 -1,9242 -1,4872 -1,7260 -1,8839 -1,6296 -1,7487 -1,7838 -1,8202 -1,7958 -1,6767 -1,7373 -1,7838 -1,7260 -1,6874 -1,7603 -1,7038

-19,2787 -20,9340 -19,6795 -20,0402 -19,3701 -19,9168 -19,4648 -20,4457 -19,9625 -20,5244 -19,6314 -21,0658 -19,5855 -20,9718 -19,8731 -20,5163 -19,9440 -18,7003 -21,2176 -19,2282 -20,3940 -21,2013 -21,0244 -20,5749 -19,6314 -21,1090 -21,2013 -21,3395 -21,1238 -21,0244 -21,4783 -20,9340

-1,2730 -1,4271 -1,5141 -1,2730 -1,4691 -1,2379 -1,3093 -1,1712 -1,5607 -1,2379 -1,3471 -1,2730 -1,2379 -1,1712 -1,5141 -1,1394 -0,9943 -1,3471 -1,4697 -1,0788 -1,0788 -1,7148 -1,5607 -1,1394 -1,2379 -1,6607 -1,4271 -1,6607 -1,5607 -1,4697 -1,7148 -1,5141

6,8835 6,8255 6,9585 7,0631 6,7238 7,0264 6,9903 7,1196 6,7298 7,0309 6,9994 7,0264 6,8373 6,9256 6,9007 7,0792 6,8835 6,7968 7,1050 6,6227 7,0211 6,8079 6,7879 7,0166 6,9745 6,8134 6,8565 6,8189 6,8373 6,8298 6,8469 6,7912

Значения логарифмов характеристик

150

Виктор Сергеевич Гацков, Сергей Викторович Гацков

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Редактор Е.Н. Кочубей Подписано в печать 15.12.2010. Формат 6084 1/16. Объем 9,5 п.л. Уч. изд. л. 9,5. Тираж 100 экз. Изд. № 3/1/45. Заказ № 5. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское шоссе, 31. ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42