4. Анализ и выбор антифрикционных износостойких материалов

Анализ физико-механических характеристик предлагаемых материалов производится в сравнении с бронзовой пластиной подпятника применяемой на ОАО ПАО “Инкар”.

Характеристика материала БрСу3Н3Ц3С20Ф.

ГОСТ 493-79

Марка: БрСу3Н3Ц3С20Ф

Классификация: Сурьмянистая бронза

Применение: антифрикционные детали

Таблица 3

Химический состав в % материала БрСу3Н3Ц3С20Ф

Fe

Si

Ni

P

Al

Cu

As

Pb

Zn

Sb

Bi

Sn

Примесей

до   0.3

до   0.02

3 - 4

0.15 - 0.3

до   0.02

64.8 - 72.85

до   0.1

18 - 22

3 - 4

3 - 4

до   0.025

до   0.5

всего 0.9

Примечание: Cu - основа; процентное содержание Cu дано приблизительно

По требованию потребителя в бронзе допускается массовая доля сурьмы 3,4%-4,5%, никеля 4,5%-6% и фосфора 0,25%-0,4%.

Таблица 4 Механические свойства при Т=20^oС материала БрСу3Н3Ц3С20Ф

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU		Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2		-
литье в кокиль			157		2
Твердость материала   БрСу3Н3Ц3С20Ф, литье в кокиль								HB 10 -1= 65   МПа

Таблица 5

Физические свойства материала БрСу3Н3Ц3С20Ф

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	0.735	17.4	54.4	9100

Литейно-технологические свойства материала БрСу3Н3Ц3С20Ф.

Линейная усадка, %: 1.25 Обозначения:

Механические свойства:

s_в- Предел кратковременной прочности , [МПа]

s_T- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]

d₅- Относительное удлинение при разрыве, [ % ]

y- Относительное сужение, [ % ]

KCU- Ударная вязкость, [ кДж / м²]

HB- Твердость по Бринеллю, [МПа]

Физические свойства:

T - Температура, при которой получены данные свойства, [Град]

E- Модуль упругости первого рода , [МПа]

a - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20^o- T ), [1/Град]

l- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]

r- Плотность материала, [кг/м³]

C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20^o- T ), [Дж/(кг·град)]

R - Удельное электросопротивление, [Ом·м]

4.1 Обзор современных антифрикционных износостойких материалов[4]

Различают несколько видов антифрикционных износостойких материалов: фторопласты, фторопласты с наполнителями, композиционные материалы на основе фенолоформальдегидных и эпоксидных смол(маслянит, эпоксилит), полиамидов(поликапролактам, нейлон), углеграфитов, текстолиты, графитопласты, металлокерамика, селицированные графиты, металлонаполненные углеграфиты, полиамиды, антифрикционный термостойкий графит, металлофторопласты.

При применении нового материала в подпятнике изменится характер работы трущейся пары, это связано с тем, что на максимальных режимах работы агрегата возможно вытеснение керосина из зоны контакта, что приводит к режиму сухого трения.

В эволюции антифрикционных материалов, способных работать при сухом трении, можно выделить три главных этапа.

Первый этап — это разработка и совершенствование не требующих смазки или самосмазывающихся материалов. Сначала появились углеграфитовые материалы и полимеры с наполнителями. Существенный прогресс в создании самосмазывающихся материалов был достигнут с появлением фтороуглеродных полимеров, особенно политетрафторэтилена (ПТФЭ), получившего в нашей стране название фторопласт-4. Исключительные антифрикционные свойства фторопласта, его необычайная химическая стойкость стимулировали разработку всевозможных композиционных материалов, самосмазывающая способность которых обусловливается в основном наличием фторопласта, а необходимая прочность и износостойкость — наполнителями.

Отличительной особенностью второго этапа является нанесение относительно мягкого антифрикционного слоя на твердую конструкционную основу. Такие комбинированные двухслойные детали, например, в виде стальных втулок с тонким полимерным покрытием, значительно увеличили предел допустимых удельных нагрузок. Исследования показали, что прочностные свойства тонких пленок, нанесенных на твердую основу, и их износостойкость повышаются с уменьшением толщины пленки. Однако, при этом уменьшается и величина допустимого линейного износа детали, что ограничивает долговечность.

Возникшее противоречие было устранено на третьем этапе созданием материалов со структурами, в которых расходуемая антифрикционная пленка постоянно пополняется и обновляется поступающим в зону трения самосмазывающимся материалом, содержащимся в порах каркаса, образованного спеканием металлических порошков. Материал такого типа впервые описал английский ученый Ф. Боуден, пропитавший политетрафторэтиленом поверхностный слой пористой меди. Дальнейшее совершенствование такого материала предусматривало нанесение губчатого бронзового каркаса на конструкционную стальную основу. Этот материал, состоящий из пористого бронзового каркаса, пропитанного фторопластом (или фторопластом с наполнителем) и стальной основы, называют металлофторопластовым материалом.

4.2 Полимерные антифрикционные материалы

Анализ причин низкой надежности и недолговечности деталей узлов трения показывает необходимость первоочередного решения трех проблем:

- повышения эксплуатационных характеристик применяемых материалов;

- рационального конструктивного оформления как изделий из них, так и узлов, в которых они используются.

- грамотное и рациональное составление технологии изготовления деталей и узлов.

Наиболее эффективным и технологически приемлемым методом улучшения мороза-, износа - и агрессивостойких свойств разрабатываемых материалов является направленная модификация структуры полимерного связующего.

Исследования по разработке и совершенствованию полимерных антифрикционных материалов развиваются по следующим основным направлениям:

- оптимизация химического состава полимерных композиций;

- улучшение механических показателей материалов (коэффициент трения, износостойкость, прочность и т. д.);

- изучение механизмов изнашивания полимерных материалов и поиск методов их регулирования;

- разработка новых технологий переработки полимерных композиций;

- поиск областей оптимального использования антифрикционных полимерных материалов;

- внедрение разработок в различные отрасли промышленности.

В результате механической и структурной модификации политетрафторэтилена (фторопласта) малыми количествами высокодисперсных наполнителей найдена оптимальная рецептура материалов; разработана технология на основе механоактивации ингредиентов для создания композитов с улучшенным комплексом свойств; получены триботехнические материалы с повышенными износостойкостью, эластичностью, прочностными параметрами, что обеспечило повышение ресурса работоспособности изделий из них в узлах трения машин и механизмов. Высокая химическая инертность фторопласта и применяемых для его модификации низкомолекулярных добавок позволяет использовать полученные композиты практически в любых агрессивных средах. Была также разработана безотходная ресурсосберегающая технология получения изделий на основе фторопластовых композиционных материалов с точно заданными геометрической формой и размерами, что не требует операций доводки изделия.

4.3 Фторопласт-4, свойства фторопласта[5]

Фторопласт-4 -полукристаллический перфторированный полимер этиленового ряда с температурой плавления около 327^оС, выше которой исчезает кристаллическая структура и он превращается в аморфный прозрачный материал, не переходящий из высокоэластичного в вязкотекучее состояние даже при температуре разложения (свыше 415^оС).

Рис. 6. Заготовки из фторопласта

Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) – получают полимеризацией тетрафторэтилена.

Высокая прочность связи атомов фтора и углерода и специфичная структура молекул обуславливают хорошее сочетание химических и физических свойств фторопласта. Торговые названия ПТФЭ: фторопласт-4, фторопласт-4Д (СНГ); тефлон, аллон (США); полифлон (Япония); гостафлон TF (Германия); флуон (Англия); гафлон, сорефлон (Франция); алгофлон (Италия).

Самые агрессивные химические вещества (кислоты, щёлочи, окислители, растворители) не оказывают на Ф-4 никакого воздействия даже при высокой температуре. На Ф-4 оказывают воздействие только расплавы щелочных металлов, растворы их в аммиаке, трёхфтористый хлор и элементарный фтор при высоких температурах.

У фторопласта самый низкий среди конструкционных материалов коэффициент трения, а равенство статического и динамического коэффициентов трения фторопласта-4 и композиций на его основе обуславливают широкое его применение в машиностроении. А именно, в узлах трения механизмов машин и приборов в качестве подшипников и опор скольжения, подвижных уплотнителей поршневых колец, манжет работающих без смазки, с ограниченной смазкой и при наличии коррозионной среды.

Износостойкость фторопластов в 40 раз выше, чем бронзы и в 10 раз выше, чем баббита. Показателем износа служит потеря массы за определенное время.

Фторопласт-4 эксплуатируется при температурах от -269 до +260°С, причем верхний придел ограничивается не потерей химической стойкости, а снижением физико-механических свойств.

Фторопласт-4 хорошо обрабатывается точением, сверлением, фрезерованием и шлифованием.

В зависимости от свойств и назначения фторопласт-4 выпускают пяти марок.

«С» - для изготовления спец. Изделий; «П» - для изготовления электроизоляционной и конденсаторной пленок; «ПН» - для изготовления электротехнических изделий и других изделий повышенной надежности, а также электроизоляционных, изоляционных и пористых, вальцованных пленок и прокладочной ленты. Допускается в отдельных случаях при отсутствии фторопласта-4 марки «С» применять фторопласт-4 марки «ПН» для изготовления изделий спец. Назначения. «О» - для изготовления изделий общего назначения и композиций; «Т» - для изготовления толстостенных изделий и трубопроводов.

Фторопласт-4 должен соответствовать нормам, указанным в табл. 8

Таблица 6

Характеристики фторопласта различных марок

Наименование показателей	Марка«С»	Марка«П»	Марка«ПН»	Марка«О»	Марка«Т»
Плотность, г/см3, не более	2.18	2.18	2.19	2.20	2.21
Прочность при разрыве незакаленного образца, МПа (кгс/см2), не менее	27.0 (270)	26.0 (260)	25.0 (250)	23.0 (230)	15.0 (150)
Относительное удлинение при разрыве незакаленного образца, %, не менее	350	350	350	350	280
Электрическая прочность (толщина образца 0,100±0,005 мм) при постоянном напряжении, кВ/мм, не менее	50	60	50	не определяю	не определяю
Относительное удлинение при разрыве строганой пленки в поперечном направлении, %, не менее	не определяются	175	не определяю	не определяю	не определяю

Таблица 7

Дополнительные показатели фторопласта-4

Наименование показателя	Норма
Температура плавления кристаллов, °С	327
Температура стеклования аморфных участков,°С	-120
Максимальная рабочая температура при эксплуатации, °С	260
Минимальная рабочая температура при эксплуатации, °С	-269
Температура разложения, °С	св. 415
Температура наибольшей скорости кристаллизации, °С	310-315
Температурный коэффициент линейного расширения, °С-1, при температуре, °С:
..........от минус 60 до минус 10	8*10-5
..........св. минус 10 до плюс 20	(8-25)*10-5
..........св. 20 до 50	(25-11)*10-5
..........св. 50 до 110	11*10-5
..........св. 110 до 120	(11-15)*10-5
..........св. 120 до 200	15*10-5
..........cв. 200 до 210	(15-21)*10-5
..........св. 210 до 280	21*10-5
Насыпная плотность, кг/м3	350-600
Стойкость к действию химических реагентов при температуре 20-150 °С:
- кислоты концентрированные	стоек
Продолжение табл. 9
- органические растворители	стоек
- щелочи	стоек
- окислители (перекись водорода)	стоек
- расплавленные щелочные металлы или растворы их в аммиаке	не стоек при повышенных температурах
- элементарный фтор	то же
- трехфтористый хлор	то же
Кислородный индекс (ГОСТ 12.1.044-89), %	95
Атмосферостойкость	превосходная
Коэффициент теплопроводности, Вт/м•К	0,25
Удельная теплоемкость, кДж/кг•К	1,04
Водопоглощение за 24 ч, %	0,00
Твердость по Бринеллю, МПа	29,4-39,2
Термостабильность, % (при температуре 420°С, 3 ч)	0,2
Коэффициент трения по стали	0,04
Способность к механической обработке	превосходная
Средний износ	0,054

Рис.7. Зависимость псевдотекучести от температуры

Таблица 8

Зависимость псевдотекучести от температуры

Температ., °С	Предел псевдотекучести, кг/см2
25	142,4
50	106,9
75	83,5
100	67,2
150	46,6
200	35,5
250	28,6

Рис.8. Влияние температуры на механические свойства Ф-4

δ₁ - предел прочности при растяжении

Σ₁- относительное удлинение при разрыве

4.3.1 Наполнители, вводимые во фторопласт. Их свойства и параметры

Исследования показали, что износостойкость чистого фторопласта очень мала и возможные применения его ограничены очень низкими значениями произведения PV. В связи с этим применяют наполнители которые существенно повышают характеристики фторопласта.

Наполнители:

Порошкообразные: а) металлические - медь, серебро, свинец, никель, бронза, олово, алюминий; б) минеральные - кварц, стеклопорошок, ситал, керамика, слюда, каолин и др.; в) органические - графит, сажа, уголь, кокс. Волокнистые (армирующие наполнители): :а) нетканые - стекловолокно, асбестовое, графитовое, кварцевое, базальтовое волокно, металлические усы и др; б) тканые - стеклоткани, графитовые, асбестовые и базальтовые ткани.

Армирующие наполнители каркасного типа — металлическая смятая сетка, смятая фольга. Наполнители можно вводить во фторопласт каждый в отдельности или в различных сочетаниях (комбинированные наполнители) в зависимости от назначения композиций. При использовании в качестве наполнителей дисульфида молибдена, графита и других антифрикционных материалов уменьшается (при соблюдении определенных пропорций) коэффициент трения, повышается износостойкость. Введение коллоидного графита повышает жесткость и уменьшает хладотекучесть материала. В обозначениях марок композиционных материалов отечественного производства цифры означают: первая — марку фторопласта, следующие — массовую долю наполнителей; буквы — материал наполнителя. Например, композиционный материал Ф4К15М5 получен на основе фторопласта-4 и содержит 15% коксовой муки и 5% дисульфида молибдена. При использовании в качестве наполнителей стекловолокна, кремнезема, асбестовой ткани, металлической ваты увеличивается жесткость композита, уменьшается относительная деформация при невысоких коэффициентах трения. Введение 30-40% мелкорубленого стекловолокна повышает стабильность размеров при водопоглощении и усадке, теплостойкость, уменьшает коэффициент линейного расширения. Введение во фторопласты таких наполнителей, как стекловолокно, графит, бронза, коксовая мука, дисульфид молибдена, силициды металлов, позволяет в 200-1000 раз уменьшить износ уплотнительного элемента, в несколько раз увеличить теплопроводность, в 5-10 раз увеличить прочность при сжатии и твердость.

Композиция Ф4С15 (ТУ 6-05-1412-76): смесь фторопласта с размолотым стекловолокном; применяется для различных антифрикционных деталей, работающих в среде сухих агрессивных газов;

Композиция Ф4К15М5 (ТУ 6-05-1412-76): смесь фторопласта-4, кокса и дисульфида молибдена; применяется для работы в среде влажных газов;

Композиция Ф4С15М5: смесь фторопласта-4, размолотого стекловолокна и дисульфида молибдена применяется для деталей, работающих в условиях высокого вакуума сухого и влажного воздуха и газов;

Композиция Ф4М15: смесь фторопласта и дисульфида молибдена, применяется для деталей, работающих в среде влажных газов и в вакууме;

Композиция Ф4С15В5: смесь фторопласта-4, измельченного стекловолокна и нитрида бора; изделия обладают высокой химической стойкостью и износостойкостью, а также высокими механическими свойствами в широком интервале температур;

Композиция Ф4КА15В5: смесь фторопласта-4 и нитрида бора, изделия из этой композиции отличаются повышенной стойкостью против ползучести, небольшим коэффициентом линейного расширения, хорошей прирабатываемостью в паре с чугуном и конструкционными сталями в сухих и влажных средах и при наличии сильных агрессивных сред и окислителей;

Композиция Ф4Г21М7: смесь фторопласта-4, графита, дисульфида молибдена.

Таблица 9

Сравнительная характеристика композиционных материалов на основе фторопластов

Параметр	Ф4К20	Ф4К15М5	Ф4С15	Ф4С15М5	Ф-4
Плотность, кг/м3	2050-2170	2100-2180	2170-2210	2190	210-2200
Коэффициент теплопроводности, Вт / (м К)	0,23	0,29	0,25	-	-
Удельная теплоемкость, Дж/(кг*к)	0,71	-	0,9	-	-
Коэффициент линейного расширения х10-5,oС-1 от - 60 до + 20	8-11	-	4,5-12,5	-	-
Коэффициент линейного расширения х10-5, 0С-1от - 30 до +25o	11-18	-	12,5-9,5	-	-
Водопоглощение через 24 ч., %	0,03	-	0,04	-	0
Предельное PV, кПа* м/с при V=0,05 м/с	490	588	343	392	-
Предельное PV, кПа* м/с при V=5 м/с	1078	1078	542	608	-
Интенсивность износа, мкг/с	0,25-0,56	0,18	0,56-0,83	0,69	1,2
Интенсивность износа, мм/км (через 3ч	0,03	0,02	0,05	-	-
Коэффициент трения по стали	0,14-0,30	0,1-0,39	0,15-0,30	0,1-0,2	0,04

Фторопласт-4 в чистом виде не применяется для труднонагруженных деталей в связи с низкой износостойкостью при высоких нагрузках. Целесообразнее применение фторопласта с наполнителями повышающие его характеристики.

4.4 Углепластики ФУТ и УГЭТ[6]

Углепластики ФУТ и УГЭТ являются высокопрочными, износостойкими материалами, не изменяющими свои размеры и свойства при длительной эксплуатации в воде. Углепластики ФУТ и УГЭТ обладают высокой ударопрочностью, что исключает сколы, растрескивания и другие повреждения узлов трения, работающих в условиях интенсивных ударных нагрузок.

Традиционные антифрикционные полимеры имеют низкую прочность. Для них характерно изменение размеров при длительной эксплуатации в воде, они склонны к ползучести, детали, изготовленные из них, работают при низких контактных давлениях.

Механически обрабатываются на стандартном металлорежущем оборудовании, твердосплавным или алмазным инструментом.

 Таблица 10

Сравнительные характеристики материалов (при скорости скорости скольжения 12 м/с, контактном давлении 0,7 Мпа).

Характеристика	Ед. измер.	Наименование материала
		ФУТ	Тордон XL	Капролон	Графитопласт АМС-3
Плотность	кг/м3	1450	1200	1150	1790
Прочность при сжатиии	Мпа	130	35*	85	95
Модуль Юнга	Гпа	15	0,5	2	13
Коэффициент термического расширения	1/Cx10-5	1,6	10	9,8	4,0
Объемное изменение размеров при работе в воде	%	0,0	1,3	5,0	0
Допускаемое контактное давление	Мпа	5,0	-	0,5	0,8
Интенсивность изнашивания	мм/1000 ч	0,1	0,18	0,22	0,15
Рабочая температура	°C	-60 +150	-60 +107	0 +45	-60 +150

*прочность при сжатии

Детали из углепластика УГЭТ эксплуатируются при контактных давлениях до 40 МПа и скоростях скольжения от 0,005 м/с до 0,5 м/с при смазке водой или маслами по контртелам из стали, титановых сплавов. Кратковременно, в течение 10-20 минут, может работать без смазки.

 Таблица 11

Сравнительные характеристики материалов(при скорости скольжения от 0 до 0,1 м/с и удельных контактных давлениях до 40 Мпа, при смазке водой в паре со сталью)

Характеристика	Ед. измер.	Наименование материала
		УГЭТ	Тордон XL	Капролон	Маслянит-К	Бронза*	Баббит*
Плотность	кг/м3	1450	1200	1150	1150	7890	7350
Прочность при растяжении	Мпа	200	35	65	49	250	80
Модуль Юнга	Гпа	15	0,5	2	2,5	100
Коэффициент термического расширения	1/Cx10-5	1,6	10	9,8	9,5	1	22
Объемное изменение размеров при работе в воде	%	0,0	1,3	5,0	0,4	0,0	0,0
Допускаемое контактное давление	Мпа	40	7,5	5,0	10	50	5
Интенсивность изнашивания	мм/1000 ч	0,04	-	3,0	0,2	0,006	0,01
Коэффициент трения		0,12	0,12	0,18	0,15	0,14	0,01
Рабочая температура	C	-60 +120	-60 +107	0 +45	0 +40	-60 +150	-60 +75

*при смазке маслом

4.5 Графит антифрикционный[6]

Графит как вещество представляет собой аллотропную форму графита, характререзующуюся определенной кристаллической структурой. Эта структура и обуславливает свойства графитового вещества.

Преимущества графита антифрикционного в том, что произведенные из него материалы могут работать без смазки при высоких или низких температурах, в агрессивных средах или при высоких скоростях.

Графит антифрикционный, имеет высокую механическую прочность и очень плотную структуру, что увеличивает износостойкость в несколько раз. Пропитка графита антифрикционного металлами делает его непроницаемым для газа и жидкостей. Графит антифрикционный применяется для изготовления деталей узлов трения, работающих в условиях cухого, полусухого и жидкостного трения при спокойной или плавно меняющейся нагрузке.

АГ-1500-С05 - графитосвинцовые заготовки. Рекомендуются для использования при сухом трении по сталям и хромовому покрытию. Рекомендуемый материал контртела - чугун, сталь, хромовое покрытие; предельно допустимое удельное давление 20-25 кгс/см2; предельно допустимая скорость 25 м/с. Допустимая рабочая температура при эксплуатации изделий из указанных материалсв в окислительной, восстановительной и нейтральной средах составляет 300°C.

АГ-1500-Б83 - графитобаббитовые заготовки.

АМС-3 - используется для изготовления деталей торцевых уплотнений, работающих в воде и на воздухе.

Таблица 12

Физико-механические показатели графита

Физико-механические показатели	АГ-1500-Б83	АГ-1500-С05	АМС-3
Плотность, (г/см3),не менее	2.25	2.3	1.78
Предел прочн. при сжатии, МПа (кгс/см2), не менее	100	100	178
Допустимая удельная нагрузка, (кгс/см2) , не более	25	30	35
Допустимая рабочая скорость, м/с, не более	20	25	30
Допустимая рабочая температура, °C, не более	230	300	-60+200
Рекомендуемый материал контртела	чугун и сталь твердостью по Роквеллу не менее 40-50 и чистотой поверхности С9-С12

Таблица 13

	АГ-2500	АГ-2500СО5	АГ-2500Б83	АГ-2500П	ЭНПГ
Плотность, 103кг/м3(г/см3), не менее	1.72	2.6	2.4	1.78	1.75
Предел прочности при сжатии, МПа, не менее	90	130	120	110	100
Предел прочности при изгибе (среднее по выборке), МПа, не менее	45	60	50	50	58
Коэффициент термического линейного расширения при 323-573 К-1	3.6	3.6	3.6	3.6	3.8
Коэффициент теплопроводности, Вт/м-К	80	105	102	85	104

Таблица 14

	АТГ (ТУУ26.8. 25468796.001-2002)	НИГРАН-ВХ	НИГРАН-Х	АО-2500	АО-2500СО5	АО-2500Б83
Плотность, 103кг/м3(г/см3), не менее	1.75	1.72	1.7	1.7	2.5	2.3
Предел прочности при сжатии, МПа, не менее	100	140	130	135	170	170
Предел прочности при изгибе (среднее по выборке), МПа, не менее	50	70	50	58	80	80
Коэффициент термического линейного расширения при 323-573 К-1	-	4.1	4.1	4.0	4.0	4.0
Коэффициент термического линейного расширения при 323-873 К-1	3.4÷5.02	4.7÷5.2	-	-	-	-
Коэффициент теплопроводности, Вт/м-К	100	32	28	30	45	42
Твердость (по Шору)	-	55	50	50	-	-
Допускаемая рабочая температура, К	925 в течение 100 час	573	573	673	573	503
Коэффициент трения по контртелу из стали, HRC=46, при удельной нагрузке 1,96 МПа(20 кгс/см2)	-	0.12	0.12	0.12

4.6 Силицированные графиты[6]

Силицированные графиты представляют собой графитокарбидокремнистые материалы, полученные пропиткой пористого графита расплавленным кремнием. В процессе пропитки в результате взаимодействия с углеродом образуется карбид кремния, при этом часть кремния и графита остаются не связанными углеродом. Таким образом, силицированный графит состоит из карбида кремния, графита и кремния. Соотношение компонентов может меняться в зависимости от количества пор и их размеров в исходном графите, от продолжительности пропитки кремнием и режима изменения температуры. Структура этих материалов представляет собой жесткий каркас из карбида кремния исключительно высокой твердости и свободный графит, что и обеспечивает комплекс ценных физико-механических свойств. Их механические свойства определяются прежде всего фазовым составом и особенностями микроструктуры. Наиболее высокими прочностными характеристиками обладают материалы высокой плотности и мелкодисперсного строения. Материалы пористые и многокомпонентные имеют более низкие характеристики за счет наличия в них пор, кремния и углерода. Изменяя фазовый состав и пористость материалов, можно в определенной степени регулировать их механические свойства.

Технология изготовления деталей из силицированного графита заключается в следующем. Заготовки для деталей заданной формы и размеров прессуют или получают обработкой резанием с учетом необходимых припусков, а затем заготовку пропитывают по всему объему жидким кремнием при высоких температурах – выше 2000°С. При этом происходит реакция с образованием карбида кремния. В дальнейшем необходимую форму, точность размеров и шероховатость рабочих поверхностей получают механической обработкой. Однако получение требуемой шероховатости затруднительно, так как имеют место налипание кремния, неглубокие раковины и другие дефекты. В ряде случаев эти факторы не влияют на работоспособность изделий. При наличии жестких требований обработку осуществляют на шлифовальных станках алмазосодержащими кругами с обязательным охлаждением эмульсией или водой.

Плотность составляет от 2,1 до 2,8 г/см. Прочность зависит от фазового состава и плотности. Так, прочность на изгиб и сжатие снижается со снижением плотности и увеличением в изделии содержания малопрочных фаз – кремния и углерода – и наоборот. Прочность н растяжение возрастает с увеличением содержания карбидной фазы. Ударная вязкость является функцией из предела прочности при растяжении в характеризуется невысокими значениями. Этот недостаток материала проявляется в основном при механической обработке. Упругость также зависит от плотности и наличия металлических примесей. С увеличением плотности и чистоты материалов растет и упругость силицированных графитов. Их термическое расширения зависит от размера зерен карбид кремния и количественного содержания несвязанных кремния и углерода С увеличением содержания кремния в углерода растет и коэффициент температурного расширения (КТР). С повышением температуры возрастает в КТР. Теплопроводность также зависит от фазового состава и плотности. С увеличением плотности растет и теплопроводность. При этом теплопроводность растет с увеличением содержания карбида кремния и частично несвязанного кремния. Коррозионная стойкость силицированных графитов достаточно высокая к агрессивным средам, и прежде всего к минеральным кислотам различных концентраций и температур (материалы реагируют только с плавикового кислотой и раствором щелочи). Особое значение имеет тот факт, что в результате воздействия агрессивныл сред физико-механические свойств силицированных графитов изменяются незначительно. На основе этих испытаний осуществляют назначения материалов для узлов машин, работающих в агрессивных средах.

Важнейшими характеристикам силицированных графитов являются высокие антифрикционные свойства, в частности, низкий коэффициент трения. Это обусловлено наличием в материале графита, равномерно распределенного по всему объему изделия. При этом наименьший коэффициент трения имеют материалы с меньшим содержанием свободного кремния (например, для марки СГ-П при полусухом трении – 0,04 – 0,05). Для силицированных графитов характерна высокая износостойкость. Так, при работе в агрессивных средах, не содержащих механических примесей, в паре с углепластиками, керамикой и закаленными сталями интенсивность изнашивания составляет 1*10^-12– 10^-14, что в ряде случаев обеспечивает срок службы 10000 – 15000 час. В условиях трения без смазки интенсивность износа марки СГ-Т не превышает 1*10^-12, что в 5 – 10 раз меньше интенсивности износа углеграфитовых материалов и более чем в 10 раз меньше, чем у фторопластиков ФКН-7 и ФКН-14.

Таблица 15

Основные физико-механические свойства материалов СГ-Т; СГ-П; СГ-М; ГАКК 55/40

Показатель	Материал
	СГ-Т	СГ-П	СГ-М	ГАКК 55/40
Плотность, г/см	2,5-2,8	2,4-2,6	2,1-2,4	2,2-2,4
Предел прочности, МПа
- при сжатии	300-320	420-450	130-160	120-180
- при растяжении	401-501	60	30-40	-
- при изгибе	90-110	100-120	70-90	-
Ударная вязкость, 103*Нм/м2	2,8	4	2,8	3,5
Модуль упругости, ГПа	95	127	97	-
Твердость, HRC	65-78	50-70	40-50	50
Теплопроводность, Вт/(М*°С)	85-100	130-150	120	120
Температурный коэффициент линейного расширения при 20-100°С а*106*°С-2	4,6	4,2	4,2	3,9

Совокупность исключительно ценных свойств силицированных графитов, как отмечено выше, дают возможность применять их в качестве антифрикционного высокоизносостойкого конструкционного материала, пригодного для работы в парах трения, в том числе и в агрессивных средах.

4.7 Графитофторопласт[6,8]

Применяются в качестве деталей узлов трения различных машин и агрегатов,

Рис.9. Изделия из графитофторопласта

работающих без смазки в потоке маловязких жидкостей, осушенных и влажных газах, в среде острого пара.

Стабильность свойств, повышенная механическая прочность, химическая стойкость и стойкость к ударным нагрузкам обеспечивают длительную работоспособность материалов.

Таблица 16

Физико-механические характеристики

Марка	7В-2А	КВ	КМ
Плотность, г/см3	1,9 - 2,0	2,05 - 2,15	<= 2,15
Твердость, МПа	<=4,5	3 - 4	<=3 - 4
Температурный коэффициент линейного расширения при 20-200¦С, 1/¦С	1*10-5 - 2,5*10-5	8*10-5- 14*10-5	>= 13*10-5
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м¦С)	<= 8,7	0,8 - 1,1	<=0,6
Предел текучести при сжатии, МПа	-	13,7	<= 9,8
Предел прочности при сжатии, МПа	<= 34,3	-	-

Материалы 7В-2А и КВ используют для изготовления вкладышей радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в потоке жидкостей (антифриз, пресная и морская вода, спирт, нефтепродукты, различные водные растворы химических продуктов и т. д.) при высоких скоростях скольжения и давления.

Применение материала 7В-2А в плунжерной паре насосов НЖК-19 и НЖК 200/230 воздухоразделительных установок типа БР-1, БР-2, БР-З для перекачивания жидких кислорода и азота позволило увеличить ресурс работы в 10 раз.

Ресурс работы радиальных и упорных подшипников электронасосов из метериала КВ при нагрузках до 6 МПа и скорости скольжения до 15 м/с составляет 7000 ч, а при нагрузках до 4 МПа- 10000 ч.

Материал КМ предназначен для изготовления уплотнительных и поршневых колец машин, работающих в осушенных и влажных газах, в среде острого пара.

Ресурс работы уплотнительных колец из материала КМ, применяемых для герметизации паровпускных головок сушильных цилиндров бумагоделательных машин, при давлении до 1 МПа и скорости скольжения 0,8 м/с в среде острого пара составляет до 30000 ч.

4.8 Металлофторопласт[8]

Повышение теплопроводности и снижение теплового расширения пар трения достигается применением пористых металлических материалов, пропитанных фторопластом. Металлический пористый каркас изготовляют спеканием обычных дендритных порошков металлов, полученных электролитическим способом, или спеканием порошков антифрикционных сплавов сферической формы. Обычно используют порошки высокооловянной бронзы, иногда — железа, меди или серебра.

Технология изготовления металлофторопластового материала предусматривает спекание на омедненной стальной основе тонкого пористого слоя из частиц сферической формы высокооловянной бронзы с последующей пропиткой пор слоя чистым фторопластом или фторопластом с наполнителем. Процесс пропитки осуществляют таким образом, чтобы антифрикционный материал, заполняющий пустоты бронзового слоя, несколько, выступал за его пределы для образования поверхностного, так называемого приработочного слоя. Стальная основа придает металлофторопластовому материалу высокую прочность, бронзовый пористый каркас обеспечивает быстрый отвод тепла, возникающего при трении, и служит резервуаром для твердой смазки, роль которой играет фторопласт или фторопласт с наполнителем; поверхностный слой антифрикционного материала предотвращает износ сопряженной с подпятником наклонной шайбы и уменьшает трение.

При работе металлическая поверхность контртела и бронзовые частицы металлофторопластового материала разделены тонким слоем полимера или наполненного полимера. Этот, слой постепенно изнашивается, утончается, и в отдельных местах разрушается, так, что возникает контакт между отдельными бронзовыми частицами и сопряженной с подшипником поверхностью. Трение металла о металл является кратковременным, поскольку оно приводит к местному повышению температуры, вследствие которого фторопласт, обладающий высоким коэффициентом теплового расширения, выталкивается из пор бронзового каркаса восстанавливая и поддерживая целостность полимерного слоя. Так как в состав металлофторопласта входит фторопласт-4 необходимо учитывать при изготовлении изделий деформированием при повышенных температурах (температура деформирования должна быть выше рабочих температур), что фторопласт-4 имеет совершенную “пластическую память” или тенденцию к восстановлению первоначальной формы при нагревании выше той температуры, при которой происходило деформирование.

Металлофторопласт наиболее успешный из композитных материалов, в котором сочетаются превосходные сухие свойства политетрафторэтилена с механическими свойствами обычного металла. Он имеет более широкий диапазон рабочих характеристик.

Это сухой скользящий материал с хорошей износостойкостью и свойствами трения для разных скоростных режимов скольжения и температур. Он показывает также хорошие результаты при нагрузках с использованием смазки. Этот материал удачно сочетает в себе высокую конструкционную прочность, стабильность размеров и теплопроводность стали и бронзы, антифрикционные свойства фторопласта-4 и наполнителей. Все это обусловило его более широкое применение, чем любой другой материал для пар трения.

Металлополитетрафторэтилен — превосходный материал для сухого трения, хотя и может использоваться с дополнительным смазыванием.

Металлофторопласт предназначен для: вращательного движения, колебательного движения, возвратно-поступательного, скользящего движения.