Фторопласты

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 - 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-4 Д1 ГГ (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 (I ), интен­сивность изнашивания (Д), релаксация напряжений, характеризуе­мая относительной величиной (^с) и модуль упругости (Еу). 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

I _ 14,5 2,19(0,1311пфф-1) р7,212(0,141пр-1) ч0,3685(),351пр-1)ф0,12 . (5 7)

1 _ е фф Р а фБ ; (5/)

Для интенсивности изнашивания

I _ 157,8 45,015(0,1601пфф-1) ф34,0864(0,18141пфБ-1) 25,3986(0,15131пр-1) Х

TOC o "1-5" h z 1Ъ_ е фф фБ р Х

^7,4333(0,22531п г - 1) . 6,5305(0,13321п й - 1) . (5 8)

Для относительного изменения напряжений

Е _ Л8.789 ф7,028(0,1771пфф-1)ф7,1998(0,1861пфБ-1) .2,85(0,2441пг-1) 0,5 л0,178 .(5 9)

Ьп _ е фф фБ г Р Р ; (59)

для модуля упругости

Е _ _27,432 2,577(0,0761пфф+0,1871пр-1)ф0,867(0,5221пфБ-1) р8,802(0,1261пр-1) Х

Еу _е фф Фб Р Х (5.10)

Хг1.861(0,2331п г-1) й 0,018(5,771п й-15,2931п фБ -1) [МПа]

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.

Пласт-40 20-25 % фторопласта-4 ДПТ, 15 % бронзы с размерами час­тиц порошка 40-50 мкм и изготовлении при давлениях 25-30 МПа и времени горячего прессования 10 мин/мм.

Тт 7,1998(0,1861п фБ -1) Д85(0,2441п - 1)

Наименьшие сомножители ФБ и ґ 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-4 ДПТ, 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:

1 - фф = 15; 2 - фф = 20; 3 - фф = 25 % при р = 20 МПа;

4 - фф = 15; 5 - фф = 20; 6 - фф = 25 % при р = 30 МПа;

7 - фф = 15; 8 - фф = 20; 9 - фф = 25 % при р = 40 МПа

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 ^1,861(0,2331п ‘ - ') в уравнении (5.10), выборочно сведены в табл. 5.6. Наименьшие значения модуля уп­ругости принадлежат материалу, содержащему 20 % фторопласта - 4ДПТ и 10 % бронзы с размерами частиц порошка 40 мкм (осталь­ное фторопласт-40), изготовленному при давлении 30 МПа и вре­мени горячего прессования 8 мин/мм.

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.