Технологии изготовления фторкомпозитов

Методом спеканияперерабатывают термопласты с высокой температурой плавления и большой вязкостью расплава (фторопласты, высоконаполненные полиолефины). Традиционная технология спекания включает следующие основные операции: холодное формование заготовок; спекание заготовок в изделия в свободном состоянии; охлаждение изделий и, при необходимости, механическая обработка [4,5].

Формованиезаготовок выполняется на гидравлических прессах при удельном давлении в пресс-форме (30-40) МПа. Увеличение давления выше 40 МПа может привести к холодной вытяжке и в дальнейшем к появлению трещин в изделии. Загружаемый в форму порошок должен быть легкосыпучим. Поскольку фторопласт при хранении может комковаться, то перед использованием порошок рыхлят, а в отдельных случаях термостатируют при (240-250) °С до 120 мин для удаления низкомолекулярных фракций.

Порошок в форме разравнивают в целях достижения равноплотности по всему объему заготовки. Давление пуансона должно нарастать медленно и по достижении максимального значения сохранять давление в течении 2-3 мин. Лучшие результаты в отношении равноплотности дает двухстороннее прессование таблеток.

Спеканиезаготовок выполняется в специальных печах с многосторонним электрическим нагревом и воздушной циркуляцией, выравнивающей температуру. Нагрев ступенчатый с выдержкой при температуре 342 °С (аморфизация кристаллической фазы) и (360-380) °С (размягчение всей массы фторопласта и ее «сплавление», сопровождающееся проявлением эффекта прозрачности). Плотность спеченной заготовки должна составлять 2,2 т/м³, сопровождающая его усадка достигает (4-7) %.

Продолжительность спекания определяется из расчета примерно 1 ч на 3 мм толщины изделия.

Охлаждение заготовок, то есть образование собственно изделий с требуемым комплексом свойств, является весьма ответственной операцией. В зависимости от скорости охлаждения в изделии формируется преимущественно аморфная или преобладающе кристаллическая структуры, которые определяют такие свойства, как эластичность, газонепроницаемость, твердость, жесткость.

Аморфная структура формируется при быстром охлаждении изделия в интервале температур от температуры спекания до 250 °С. Закалка достигается опусканием изделий в воду. При такой обработке содержание кристаллической фазы в изделии не превышает 50%.

Кристаллическая структура (степень кристалличности до 70%) формируется при медленном охлаждении спеченных изделий непосредственно в остывающей печи. Заготовки толщиной более 100 мм следует охлаждать медленно для предотвращения внутренних напряжений.

Механическая обработка спеченных заготовок применяется при производстве пленок и изделий различной конфигурации токарной обработкой, фрезерованием, сверлением и другими способами. При обработке фторопластов рекомендуются высокие скорости режущего инструмента при его малых подачах.

Для уменьшения потерь от брака и повышения стабильно высоких результатов был разработан оригинальный способ формирования заготовок или изделий. Перед спеканием заготовки устанавливали в зазоры между внутренней поверхностью оправки и внешней поверхностью заготовки для ограничения объема ее теплового расширения при температуре свыше 573 К, когда материал находится в высокоэластическом состоянии. При этом торцы заготовок перед спеканием натирали графитом или накладывали на торцы кольца из фольги алюминиевой. Спекание производят в диапазоне температур 573–633 К с выдержкой при максимальной температуре в течение времени υ час=b/4, где b – толщина стенки заготовки в мм.

Установление перед спеканием зазоров между деталями оправки и заготовкой, ограничивающих объем теплового расширения, приводит к тому, что ограничение объема происходит на этапе, когда композиционный материал находится в высокоэластическом состоянии. Это позволяет избежать растрескивания заготовок, возникающего в случае, если натяг происходит при температуре, когда композиционный материал находится в стеклообразном состоянии, и обеспечивает в итоге стабильно высокие показатели физико-механических характеристик спекаемых композиционных материалов.

Натирание торцов заготовки графитом или накладывание колец из фольги позволяет избежать взаимодействия оформляющих элементов оправки с торцами спекаемой заготовки и, тем самым, улучшить качество готовых изделий.

Благодаря проведению процесса спекания в диапазоне температур 573–633 К с выдержкой при максимальной температуре в течение оптимального времени удается добиться полной агломерации частиц фторопласта при сокращении времени термообработки в целом по сравнению с аналогом, предполагающим свободное спекание более длительное и при более высоких температурах. Таким образом, достигается значительная экономия энергоресурсов.

Предложенный способ формирования заготовок (изделий) с применением технологии всестороннего сжатия (ВС) поясняется схемой на рисунке 1.1.

На стержень 1, установленный на продетый через нижний диск 2 винт 3, надевают нижнее кольцо 4. Спекаемую заготовку 5 с предварительно натертыми графитом торцами или с установленными между кольцами 2, 6 и заготовкой 5 прокладками из алюминиевой фольги размещают на стержне 1. На собранную конструкцию устанавливают гильзу 7 и верхний диск 8. С помощью гайки 9 выставляют зазор а такой величины, чтобы заготовка 5, увеличиваясь под влиянием температуры в вертикальном направлении и поднимая при этом кольцо 6 и диск 8, которые после выставления зазора свободно опускаются на торец заготовки 5 и вместе с ней, стержнем 1, нижним диском 2, винтом 3 и нижним кольцом 4 устанавливаются в одной плоскости с торцом гильзы А, выбирала зазор а при температуре выше 573 К, когда материал находится в высокоэластическом состоянии.

Рисунок 1.1 – Схема сборки заготовки в оправку для спекания в условиях всестороннего сжатия

Касание наружного диаметра заготовки 5 внутренней поверхности гильзы 7 обеспечивают подбором зазора d такой величины, чтобы заготовка 5, увеличиваясь под влиянием температуры в радиальном направлении, выбирала зазор d при температуре выше 573 К.

Величину зазора подбирают экспериментально путем определения размеров заготовок, нагретых до температуры 603 К (близкой к температуре плавления ПТФЭ), с помощью штангенциркуля ШЦ-1 по ГОСТ 166, с ценой деления 0,1 мм. Величину зазоров а и d подбирают для каждого типоразмера заготовок и марки композиционного материала. Причем для определения зазора а достаточно провести замеры на одном типоразмере заготовок. Далее величину зазора а определяют в процентах по отношению к высоте неспеченной заготовки, значение которых устанавливают по результатам эксперимента, проведенного для одного из типоразмеров, и не зависит от других ее геометрических характеристик. При определении зазора а удлинение дисков 2 и 8, колец 4 и 6, а также с увеличением размера заготовки, материал которой имеет в направлении прессования значительно больший КТЛР, чем углеродистая сталь.

Зазор d определяют для каждого типоразмера заготовок индивидуально. При определении зазора d учитывается тепловое расширение стальной гильзы 7, которое может отличаться в зависимости от промышленной марки стали, направления проката и других технологических факторов.

Выводы по главе 1

Широкое распространение для изготовления герметизирующих и триботехнических деталей, применяемых в узлах трения и системах уплотнения, эксплуатируемых в сложных условиях (при повышенных температурах, тяжелонагруженных узлах, условиях работы без смазочного материала и др.), нашли политетрафторэтилен (ПТФЭ) и композиционные материалы на его основе [1-5].

Модифицирование базового связующего – ПТФЭ компонентами различного состава, дисперсности и активности вызвано необходимостью снижения показателей неблагоприятных характеристик (текучести под давлением, высокого коэффициента трения при повышенных скоростях, низкой износостойкости) матрицы и формирования комплекса повышенных служебных характеристик, определяющих нагрузочно-скоростной диапазон применения изделий с использованием ПТФЭ [3,5].

Одним из перспективных методов структурной модификации является введение в полимерную матрицу наполнителей разного типа, особенно дисперсных и волокнистых, а в последние годы – ультрадисперсных [1-5].

Для получения герметизирующих композиций на основе ПТФЭ наибольшее распространение получил способ прессования (25 МПа) с последующим спеканием при t=380 °С и охлаждением вместе с печью.

ГЛАВА 2