Способ изготовления антифрикционного материала из наполненного графитом политетрафторэтилена
Владельцы патента RU 2425846:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" (RU)
Изобретение относится к области технологии получения антифрикционных полимерных материалов, используемых в узлах трения различных машин и агрегатов в качестве элементов скольжения и уплотнения в машиностроении, компрессоростроении, спецтехнике и многих других отраслях техники. Способ включает приготовление пресс-порошка из политетрафторэтилена (ПТФЭ) и графита, прессование заготовок из полученного пресс-порошка с одновременной термообработкой и охлаждение спрессованных заготовок. Способ позволяет получать высококачественные антифрикционные изделия с высокой степенью изотропности свойств за один технологический цикл при существенной экономии энерго- и трудозатрат. 2 табл.
Изобретение относится к области технологии получения антифрикционных полимерных материалов, используемых в узлах трения различных машин и агрегатов в качестве элементов скольжения и уплотнения в машиностроении, компрессоростроении, спецтехнике и других отраслях техники.
Известен способ (1) производства материала из наполненного политетрафторэтилена (ПТФЭ), включающий приготовление пресс-порошка, промежуточное прессование заготовок в стационарной пресс-форме при температуре 20-350°С и удельном давлении 1000-2000 кгс/см2, перенос полученной заготовки в выносную пресс-форму, повторное прессование при удельном давлении 100-400 кгс/см2, термообработку при температуре 370±5°С по режиму: скорость нагрева печи до 370°С за 5 часов, термовыдержка при 370±5°С - 5 часов, охлаждение до 50±20°С за 10 часов. Недостатком этого способа является многостадийность цикла производства, низкая производительность труда, высокий расход электроэнергии и большая металлоемкость выносных и стационарных пресс-форм приводит к значительным затратам металла.
Известен также способ (2) (прототип) изготовления антифрикционных материалов на основе наполненного ПТФЭ, включающий приготовление пресс-порошка, предварительное прессование заготовок под давлением 600±20 кгс/см2 с последующим размолом их и повторным прессованием под давлением 400±10 кгс/см2, после чего заготовки подвергают термообработке при 365°С в течение 20-25 часов (скорость подъема температуры 20-30°С в час и выдержка при максимальной температуре из расчета 1 час на 10 мм толщины стенки заготовки) и охлаждению до 150°С за 14-16 часов.
Недостатком этого способа является низкая производительность труда из-за многоступенчатости технологического процесса и высокий расход электроэнергии из-за большой длительности термообработки спрессованной заготовки.
Задачей настоящего изобретения является сокращение технологического цикла производства антифрикционных материалов из наполненного графитом ПТФЭ, снижение энерго- и трудозатрат при их изготовлении, а также повышение их физико-механических свойств.
Указанная цель достигается тем, что прессование заготовок и их нагрев осуществляют одновременно, с последующей термостабилизацией в экструзионном прессе при температуре 385±5°С под давлением 400±10 кгс/см2 в течение 26±2 секунд из расчета на 10 мм толщины стенки заготовки, а продолжительность последующей термостабилизации - 14±2 секунды на 10 мм толщины стенки заготовки.
Экструзионный пресс представляет собой вертикальный пресс с подвижной траверсой, несущей прессующий плунжер, который входит в матрицу, переходящую в камеру спекания с нагревателями. Для подачи пресс-порошка в зону прессования на прессе установлены бункер для порошка, вибропитатель и питающая тарелка. Вибропитателем подают порошок из бункера в питающую тарелку, а из нее в матрицу спекательной камеры, нагретой до 385±5°С, где он формуется при давлении 400±10 кгс/см2 в монолитное изделие. Продолжительность подачи пресс-порошка регламентируется объемом матрицы спекательной камеры.
Во время спекания в заготовке последовательно проходят следующие процессы, вызывающие изменения ее объема: термическое расширение материала в процессе нагрева его до температуры 380°С; переход кристаллической фазы ПТФЭ в аморфную, сопровождающийся увеличением объема на 25% при температурах выше 342°С; сплавление частиц материала в сплошной монолит при температуре 385±5°С, что приводит к уменьшению объема.
В основе процесса спекания пресс-порошка наполненного ПТФЭ при термообработке лежит диффузионно-сегментационный механизм, совершающийся во времени, поэтому реализация его требует определенного временного интервала. Начало этого процесса при температуре 342°С, но сегментационная подвижность макромолекул при этой температуре мала, с повышением температуры возрастает подвижность сегментов макромолекул, происходит их активное взаимодействие между собой. Оптимальная температура уплотнения макромолекул - 385±5°С.
При прессовании заготовок в матрице с последующей термообработкой их в нагревательной печи процесс спекания требует большой продолжительности из-за ограничений скорости нагрева для предотвращения растрескивания спрессованных заготовок, обусловленных малой теплопроводностью низконаполненного ПТФЭ.
Изготовление в экструзионном прессе лишено указанного недостатка, так как заготовка во время спекания находится в камере, которая исключает возможность растрескивания заготовки.
При температуре спекательной камеры менее 380°C требуется длительное время для достижения оптимальной степени кристалличности ПТФЭ, но длительное нагревание при температуре ниже 380°C, как и перегрев выше 390°C вызывают частичную деструкцию материала, выражающуюся в снижении молекулярного веса и выделении газообразных продуктов разложения (фтороводорода, оксида углерода, перфторизобутилена, мономеров). Это приводит к образованию пористости в изделии и снижению его физико-механических и теплофизических свойств (плотности, прочности при сжатии, теплопроводности и др.). В связи с тем, что возможно изготовление заготовок различных типоразмеров, требующих разной продолжительности процесса, для унификации временных параметров по отношению к размерам заготовок выбрана величина - с/мм толщины стенки заготовки.
Продолжительности операций цикла прессования заготовок обусловлены тем, что:
- время прессования менее 24 секунд на 10 мм толщины стенки заготовки не позволяет получить однородно спрессованный монолитный материал, а при большей продолжительности не наблюдается улучшения качества материала, но приводит к снижению производительности труда и дополнительному расходу электроэнергии;
- при термостабилизации между циклами прессования после снятия давления продолжительностью менее 12 секунд на 10 мм толщины стенки заготовки ПТФЭ не успевает полностью пройти стадию кристаллизации, что не позволяет получить монолитную структуру материала. Термостабилизация более 16 секунд на 10 мм толщины стенки заготовки приводит к деструкции материала и соответственно к ухудшению его качества, а также к дополнительному расходу энергии и снижению производительности. Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется примерами №№1-10. Во всех примерах осуществляли использование стандартного оборудования, для определения физико-механических характеристик полученных материалов использовали стандартные методики и оборудование (4).
Пример конкретного выполнения техпроцесса.
В двухвалковой смесильной машине с z-образными валками готовят пресс-порошок из графита марки МГ по ТУ 1915-086-00200851-2007, размолотого на молотковой дробилке до фракции менее 0,09 мм, и ПТФЭ (фторопласт-4) по ГОСТ 10007, размолотого на дисковой мельнице. Состав пресс-порошка: 20% мас. графита и 80% мас. фторопласта-4. Прессуют заготовки ⌀ 50 мм. Готовый пресс-порошок загружают в бункер экструзионного пресса, откуда порциями по 100 грамм подают вибропитателем в течение 10 секунд в матрицу спекательной камеры, предварительно нагретой до температуры 370°С, после чего включают пуансон, который под давлением 400 кгс/см2 проталкивает пресс-массу в спекательную камеру и формует ее в течение 70 секунд (время формования равно: 28 с умножают на половину диаметра заготовки - толщину стенки заготовки, в данном случае 28 с×2,5 см=70 с). Затем пуансон возвращают в исходное состояние, а спрессованный образец термостабилизируют в спекательной камере в течение 40 секунд (время рассчитывают подобно расчету для прессования: 16 с × 2,5 см=40 с).
Остальные примеры выполняли по такой же технологии, но при этом меняли: температуру нагрева спекательной камеры от 360°С до 395°С, время выдержки пресс-порошка под давлением пуансона от 60 с до 80 с, и время термостабилизации заготовки после снятия давления от 20 с до 50 с. Режимы изготовления заготовок приведены в табл.№1.
| Таблица №1 Режимы изготовления заготовок |
|||||
| № Примера | Температура спекательной камеры, °С | Давление, кгс/см2 | Временной состав технологического цикла, с | ||
| Загрузка пресс-порошка | Прессование+нагрев | Термостабилизация | |||
| 1 | 370 | 400 | 10 | 70 | 40 |
| 2 | 380 | 400 | 10 | 70 | 40 |
| 3 | 390 | 400 | 10 | 70 | 40 |
| 4 | 395 | 400 | 10 | 70 | 40 |
| 5 | 380 | 400 | 10 | 50 | 40 |
| 6 | 380 | 400 | 10 | 60 | 40 |
| 7 | 380 | 400 | 10 | 80 | 40 |
| 8 | 380 | 400 | 10 | 70 | 20 |
| 9 | 380 | 400 | 10 | 70 | 30 |
| 10 | 380 | 400 | 10 | 70 | 50 |
Свойства материлов, полученных по указанным в табл. №1 технологическим циклам, в сопоставлении со свойствами материала-прототипа приведены в табл. №2.
Из табл. №2 следует, что предложенный способ позволяет существенно сократить продолжительность процесса изготовления материала из наполненного графитом ПТФЭ и соответственно увеличить производительность труда, уменьшить трудозатраты и расход электроэнергии, не снижая качественных показателей материала.
Материал, полученный по предлагаемому способу (примеры №№2, 3, 6, 9), превосходит материал прототипа по прочности и пределу текучести, уступая по твердости. Но более высокая твердость материала прототипа при меньших значениях плотности и условного предела текучести не является положительным свойством для антифрикционного самосмазывающегося материала, так как способствует более быстрому износу (из-за повышенного трения) сопряженного металлического контртела (осей, втулок), что приводит в конечном итоге к сокращению срока службы самих подшипников.
Используемая литература
1. Авторское свидетельство СССР, №753656, В29В 1/14,1980 г.
2. Авторское свидетельство СССР, №562100, C08J 5/18, 1977 г.
3. Авторское свидетельство СССР, №770113, C08J 5/16, C08L 27/18, 1980 г.
4. Д.Д.Чегодаев, З.К.Наумова, И.С.Дунаевская «Фторопласты», Госхимиздат, Ленинград, 1960 г.
Способ изготовления антифрикционного материала из наполненного графитом политетрафторэтилена, включающий подготовку пресс-порошка, прессование заготовок и термообработку спрессованных заготовок, отличающийся тем, что прессование заготовок и их термообработку проводят одновременно с последующей термостабилизацией в экструзионном прессе, причем прессование и термообработку заготовок проводят при температуре (385±5)°С в течение (26±2) из расчета на 10 мм толщины стенки, а продолжительность последующей термостабилизации составляет (14±2) на 10 мм толщины стенки заготовки.
