Фторопласты

Особенности формирования структуры и свойств при горячем прессовании материалов, содержащих фторопласты

При горячем прессовании материалов из смеси порошков ме­талла (сплава) и фторопласта с размерами частиц, при которых создаются наивыгоднейшие условия для формирования металличе­ского каркаса, изменяется объем смеси за счет объемной деформа­ции частиц фторопласта и уплотнения металлического порошка с формированием закрытых ячеек с фторопластом внутри. Темпера­туру горячего прессования выбирают ниже температуры термоде­струкции фторопласта на 10 К.

С увеличением давления горячего прессования температура мо­жет быть повышена до соответствующих давлению значений.

Давление и время выдержки под давлением являются факторами, связанными соотношением (3.7).

Большая разница в физико-механических свойствах фторопла­стов и металлов вызывает особенности при формировании струк­тур и свойств материалов в процессе горячего прессования их из смесей порошков.

При охлаждении и снятии давления объемы фторопластов и ме­таллического каркаса уменьшаются в результате снижения темпе­ратуры и увеличиваются под действием сил упругости при умень­шении или полном снятии давления. Разница в температурных и упругих деформациях структурных элементов композиций может приводить к появлению в них напряжений, ухудшающих физико­механические свойства.

Для выбора давления горячего прессования представляет инте­рес оценка величины остаточных напряжений в структурных эле­ментах материала и их влияние на прочность деталей из него.

Равновесное состояние структурной системы композиции (рис. 3.1) можно выразить равенством:

Омфм + Оффф = 0 или Ом = (-фм/фф)Оф, (3.10)

Где ом и Оф - остаточные напряжения в структурных элементах материала (в металлическом каркасе и фторопласте), МПа; фм и фф

- объемные доли компонентов в материале, определяемые отноше­нием объемов компонентов Ум и Уф к объему материала Ус или отношением площадей, занимаемых компонентами в сечении материала Sм и £ф, к суммарной площади сечения S0.

В общем виде можно представить зависимостью:

V Я ф, = 7=я-,

С с

Где, - индекс компонента материала; ф, - объемная доля 7-го ком­понента; V, и Я - объем и площадь сечения 7-го компонента.

Напряжения в структурных элементах можно найти из рассмот­рения состояний системы, в которых она находится в процессе изготовления материалов, т. е. в сжатом, при повышенной темпера­туре и охлажденном свободном состояниях.

При условии сплошности рассматриваемой системы линейные размеры контактирующих структурных элементов и в первом и во втором состояниях попарно равны (Ьфх = Ьмх; Ьфг = Ьмг) и определя­ются соотношениями:

Для сжатого при повышенной температуре состояния: ( п(
; (3.11)
/у
После охлаждения:
(3.12)
	И Ьмх Ьм0 I 1

Где Ьфг, Ьмг, Ьфх, Хмх - длины структурных элементов (фторопласта и металлического каркаса) в сжатом при повышенной температуре и охлажденном свободном состояниях, мм; Ьф0 и Ьм0 - исходные длины структурных элементов, мм; аф и ам - линейные коэффици­енты температурного расширения структурных элементов, К-1; Рф и рм - объемные коэффициенты сжимаемости структурных элемен­тов, МПа-1; Еф и Ем - модули упругости структурных элементов, МПа; АТ - разность температур горячего прессования и исходного состояния, К.

При делении соотношений (3.11) на (3.12) и проведении преоб­разований с учетом соотношения (3.10) получим

" П(Рф - Рм) кт( "

----- ^------------------- ЛТ К - ам )

Ем ЕфФф

Р(РфЕфФф - РмЕмФм) '

ЕфФф + ЕмФм + А^(«фЕфФф - амЕмФм) -

Отсутствие остаточных напряжений в структурных элементах материалов (ом = 0 и Оф = 0) может быть достигнуто при давлении горячего прессования р0, определяемом условием, полученным из соотношения (3.13) при ом = 0:

3ЛТ(аф - ам) р = _ф. (3 .14)

Рф - Рм

Коэффициенты Рф и рм зависят от плотностей и характеристик материалов структурных элементов и изменяются в процессе горя­чего прессования.

Как показывает практика горячего прессования материалов, со­держащих фторопласт, наибольшая прочность их достигается при давлениях р > р0, что свидетельствует о недостаточной степени консолидации металлических порошков при низких температурах и давлении р0.

Для металлического каркаса, находящегося в напряженном со­стоянии после горячего прессования, предел прочности при растя­жении овк можно представить зависимостью

Овк Опк - ^ (3.15)

Где опк - предел прочности пористого каркаса в ненапряженном состоянии, МПа.

Величины предела прочности опк и характеристик структурных элементов Еф и Ем, входящие в уравнение (3.13), связаны через соответствующие характеристики компактных материалов (Ефк и Емк) и безразмерные контактные (критические) сечения соотноше­ниями [11]:

Опк °мка; Еф Ефка1; Ем ЕмкаЬ

Где а1 и а - безразмерные контактные сечения фторопласта и по­ристого металлического каркаса соответственно.

Коэффициенты сжимаемости структурных элементов (Рф и рм), выражаемые известными зависимостями через коэффициенты Пуас­сона Цф и Цм и модули Юнга (Рф = 3(1-2цф) Еф1 и Рм = 3(1-2цм) Е-),

Через характеристики компактных материалов представляются соотношениями:

Рф = 3(1 - ^фл/^Ж-!^ и Рм = 3(1 - 2^)Ем> . (316)

Учитывая, что фторопласт уплотняется до компактного состоя­ния при небольших давлениях (р <р0), можно принять а!= 1.

Подставив соотношения (3.13) с характеристиками, выражен­ными через соответствующие характеристики компактных мате­риалов, и (3.16) в зависимость (3.15), получим:

А = а а-

Вк мк

_ Р[аЕмк (1 - 21фк ) - Ефк (1 - 21мк ^ )] - аЕфкЕмкЛЕ(аф - ам )

Ефк (1 + афЛТ) + ФмаЕмк (1 + амЛТ) - р[(1 - 2^ ) + Фм (! - 2IV У« ) .

Фф фк Фф

(3.17)

В уравнение (3.17) входят два функционально зависимых пара­метра р и а. Выражением одного из них из уравнения кинетики горячего прессования (3.7) и подстановкой в уравнение (3.17) учитывают температурное влияние на формирование межчастич - ных контактов в металлическом каркасе композиций.

В табл. 3.1 приведены значения пределов прочности при растя­жении композиций на основе бронзы Бр ОС 6-6 (размер частиц 1^10 мкм), рассчитанные по формуле (3.17). Нагрузку снимали при температуре 380 К после выдержки в течение 90 мин при темпера­туре 650 К с последующим охлаждением. Значения коэффициентов вязкости п и твердости Н0 определены при температуре 650 К.

Изменения рассчитанных значений пределов прочности в зави­симости от давления горячего прессования показывают, что до определенных значений давлений упрочнение металлического каркаса протекает с более высокой степенью, чем рост остаточных напряжений в нем, вызываемых механизмом температурного и упруго-деформационного взаимодействия структурных элементов композиций.

При определенных давлениях, характерных для конкретных со­отношений компонентов, упрочнение и рост остаточных напряже­ний выравниваются. Эти давления являются оптимальными в фор­мировании характеристик прочности. При увеличении давления за оптимальными значениями меньшая степень упрочнения каркаса по сравнению с ростом остаточных напряжений вызывает снижение предела прочности. Значения оптимальных давлений увеличиваются с уменьшением содержания фторопласта в композиции.

Полученное соотношение (3.17) подчеркивает особенности про­цесса горячего прессования, отличающее его от горячего прессова­ния порошков металлов или их сплавов.