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.

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

и10 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 материала-

121

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 фторопла- ста-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

122

Таблица 5.5

Значения уровней и интервалов варьирования факторов

для интенсивности изнашивания

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 фторо- пласт-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:

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

124

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.

Наименьшие сомножители ϕ7,1998(0,186lnБ ϕБ−1) и t2,85(0,244lnt – 1) в урав-

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:

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

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 % фторопла- ста-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)

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 материа-

лов?

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

Взависимости 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.

Вузлах трения детали из антифрикционных материалов применяют в качестве подшипников сухого трения, вкладышей, опорных колец, элементов деталей, выполняющих роль подшипников.

Вдеталях 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