Гацков Прогрессивные технологии изготовления деталей 2011
.pdfМИНИСТЕРСТВО 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
итехнологических факторов на свойства материалов,
содержащих фторопласт ..................................................................... |
73 |
4.4.Влияние количественного соотношения компонентов
иразмеров 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 специ-
7
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 высо-
8
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
Вкачестве наполнителей фторопластов применяют различные материалы, существующие в виде мелких частиц и волокон и способные выдержать температуру спекания фторопластов (563– 653 К).
Внашей 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 мо-
либдена); 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;
Вкачестве 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