Фторопласты

Влияние оксидов металлов порошковых компонентов и технологических факторов на свойства материалов, содержащих фторопласт

1.3.1. Испытание образцов материалов

Образцы материалов каркасного типа с размерами D•h = 15^20 мм испытывали на твердость, прочность при сжатии и срезе и электро­сопротивление.

Образцы материалов наполненного типа с теми же размерами изготовляли из смесей порошков фторопласта-4Д1 ГГ, 4ПФТ и ме­таллических наполнителей.

Образцы с бронзовым наполнителем испытывали на твердость, прочность при срезе, на трение и износ. Образцы с никелевым на­полнителем испытывали на ползучесть с постоянным давлением при сжатии 12,5 МПа в течение 8 ч. Ползучесть материала оцени­вали его податливостью (Ъ), определяемой отношением величины относительной деформации образца за время ^ к испытываемому им напряжению:

Ъ =~^—, МПа-1, (4.13)

4 ' СТсж

Где Д1г - величина пластической деформации за время I, мм; 10 - дли­на образца до испытаний, мм; осж - сжимающее напряжение, МПа.

4.3.2 Влияние содержания кислорода в порошке бронзы и условий горячего прессования на прочность материалов каркасного типа

Зависимостями 1-6 (рис. 4.21 и 4.22) показаны изменения преде­лов прочности при срезе материалов, содержащих 20 и 40 % фто­ропласта, изготовленных при давлениях горячего прессования 10, 120 и 400 МПа в водороде (Н2) и без водорода (на воздухе), от ко­личества кислорода в исходном бронзовом порошке. Зависимостью 7 представлено изменение характеристики материалов, изготов­ленных при давлении 400 МПа в среде аргона.

Наиболее высокой прочностью при срезе обладают материалы, изготовленные из смесей порошков фторопласта и бронзы с содер­жанием кислорода менее 0,3 %. Увеличение количества кислорода в бронзовом порошке снижает прочность материала при всех усло­виях горячего прессования. Так, при увеличении кислорода до 2 %, значения пределов прочности при срезе уменьшаются в 2 и более раз, а увеличение количества кислорода до 4^5 % ведет к снижению прочности до значений, которые имеют неспеченные материалы.

Снижение прочности материалов с увеличением кислорода в бронзовом порошке, образующего оксиды на поверхности частиц, является результатом разделения ювенильных поверхностей в кон­тактах частиц оксидными пленками. С уменьшением контактной ювенильной поверхности уменьшается энергия связей, опреде­ляющая прочность металлического каркаса материала.

Увеличение давления горячего прессования повышает проч­ность материалов при всех равных прочих условиях их изготовле­ния. С увеличением содержания кислорода в порошке бронзы влияние давления становится несущественным (зависимости 1, 3, 5 и 2, 4, 6). Так, с увеличением давления с 10 до 120 МПа прочность при срезе материалов, изготовленных из смесей порошков бронзы, содержащих кислорода менее 0,3 % и фторопласта 20 и 40 %, по­вышается с 22,1 до 57,4 МПа и с 20,6 до 28,3 МПа соответственно.

Более высокие значения пределов прочности материалов обес­печиваются горячим прессованием смесей в среде водорода (вос­становительной среде). С увеличением содержания кислорода в бронзовом порошке разница в значениях пределов прочности мате­риалов, изготовленных в водороде и на воздухе, уменьшается или совсем исчезает (зависимости 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6). Причем разница в
прочности зависит от давления горячего прессования, что опреде­ляется, по всей вероятности, плотностью формируемых структур, окислительными и восстановительными процессами, происходя­щими при изготовлении материалов. Сравнивая зависимости 5, 6 и

7 На рис. 4.21 и 4.22, можно утверждать, что при горячем прессова­нии в восстановительной среде оксиды металлов частично восста­навливаются, улучшаются условия спекания металлических час­тиц, а при горячем прессовании на воздухе металлические частицы дополнительно окисляются. На прочность материалов, изготовляе­мых горячим прессованием, влияют и продукты восстановления оксидов металлов и термодеструкции фторопласта как в отдельно­сти каждый, так и во взаимодействии.

Прочность материала определяется качеством межчастичных связей. Изменение качества связей металлических частиц в процес­се горячего прессования материалов из смесей порошков бронзы и фторопласта в зависимости от количественного содержания окси­дов металлов и условий горячего прессования косвенно оценено изменением удельного электрического сопротивления (рис. 4.23).

%

О

К

А

Си

Ч

03

К

Н

О

&

£

Содержание кислорода в порошке бронзы, %

Рис. 4.23. Зависимость удельного электросопротивления бронзофторопластового материала от содержания кислорода при 20 % (а) и 40 % (б) фторопласта:

1 - р = 10 МПа, в Н2; 2 - р = 10 МПа, без Н2; 3 - р = 120 МПа, в Н2;

4 - р = 120 МПа, без Н2; 5 - р = 400 МПа, в Н2; 6 - р = 400 МПа, без Н2

Удельное электросопротивление материалов увеличивается с увеличением содержания кислорода в исходном порошке бронзы. Это свидетельствует об уменьшении межчастичных ювенильных контактных поверхностей в результате разделения частиц оксид­ными пленками, имеющимися на поверхности.

С увеличением давления горячего прессования, уменьшается удельное электросопротивление (зависимости 1, 3, 5 и 2, 4, 6), что связано с увеличением суммарной ювенильной контактной поверх­ности или площади сечения, приведенного к компактному мате­риалу, бронзового каркаса. Увеличение удельного электро­сопротивления материалов, изготовленных при высоком давлении горячего прессования смесей, в исходном порошке бронзы которых содержится более 0,2^0,3 % кислорода, показывает на наличие в межчастичных контактах оксидных пленок, не разрушающихся полностью и при высоких давлениях (зависимости 5, 6).

Применение восстановительной среды снижает удельное элек­тросопротивление, т. е. способствует увеличению суммарной площа­ди контактов частиц по ювенильной поверхности, создает более бла­гоприятные условия для спекания их в металлический каркас (зависимости 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6). Наиболее высокая прочность брон­зофторопластовых материалов каркасного типа, изготовляемых го­рячим прессованием, обеспечивается применением восстановленных высокодисперсных порошков бронзы (О2 < 0,2 0,3 %), восстанови­

Тельной среды и высоких давлений горячего прессования.

4.3.3 Влияние оксидов металлических наполнителей и условий горячего прессования на свойства материалов наполненного типа

Изменение предела прочности при срезе наполненных материа­лов, изготовленных при давлении горячего прессования 10 МПа, в зависимости от количества наполнителя (бронзы), кислорода в нем и условий горячего прессования графически иллюстрируется на рис. 4.24.

Увеличение количества кислорода в бронзовом порошке снижает прочность материалов (зависимости 1, 3 и 5). При этом изменяется и характер зависимостей предела прочности от содержания наполни­теля. Так, с увеличением содержания кислорода с 0,3 до 6 % предел прочности при срезе материалов, содержащих 6 % наполнителя, уменьшается с 9,6 до 6,5 МПа.

При увеличении количества наполнителя при малом содержа­нии кислорода предел прочности увеличивается (зависимости 1 и

3) . При содержании кислорода в количестве 4 % изменения проч­ности практически нет во всем интервале содержания количества наполнителя в материалах, а при содержании кислорода в наполни­теле более 4 % предел прочности при срезе с увеличением количе­ства наполнителя уменьшается (зависимости 8 и 5).

Горячепрессованные в водороде материалы имеют более высо­кую прочность (зависимости 1, 3), чем материалы, изготовленные на воздухе (зависимости 2, 4). При увеличенном содержании ки­слорода в порошке бронзы (> 3 %) восстановительная среда не дает положительного эффекта, а материалы с наполнителем, содержа­щим кислорода более 5 %, изготовленные в водороде, имеют проч­ность ниже, чем такие же материалы, изготовленные на воздухе. Это связано, вероятно, с процессом взаимодействия водорода с ок­сидами металла и появлением дефектов в приконтактных к части­цам наполнителя слоях основы материалов в результате образова­ния паров воды при температуре горячего прессования.

Это подтверждается дополнительными опытами, которые показа­ли, что бронзовый окисленный порошок при температурах 570^620 К (ниже температуры горячего прессования) восстанавливается во­дородом. О восстановлении оксидов бронзы в структуре материа­лов свидетельствует и изменение цвета частиц наполнителя при горячем прессовании образцов в водороде с черного до темно­красного. Частицы восстановленного наполнителя (бронзы) при горячем прессовании материалов в водороде или аргоне цвета не изменяют.

В результате образования паров воды при восстановлении окси­дов появляется возможность появления микро и макротрещин в материалах (рис. 4.25).

Испытание образцов материалов на трение и износ показали, что наиболее высокой износостойкостью при скорости в контакте и = 2 м/с и удельных нагрузках рк = 0,5 и 1 МПа обладают материа­лы, включающие восстановленный наполнитель и изготовленные в восстановительной среде (рис. 4.26, зависимость 1). С увеличением количества кислорода в наполнителе увеличивается интенсивность изнашивания, изменяется характер её зависимости от содержания наполнителя (зависимости 1, 3, 5).

Горячее прессование в водороде при наличии оксидов наполни­теля не способствует повышению износостойкости материалов (за­висимости 3, 4 и 5, 6).

4.3.4 Влияние давления горячего прессования на свойства материалов, содержащих фторопласт

Выше отмечено влияние давления горячего прессования на свойства материалов. Представляет интерес определение характера влияния давления с целью оптимизации его значений. Характер изменения предела прочности при срезе, более выражено завися­щего от структуры и энергии межчастичных связей и просто опре­деляемого экспериментально, для материалов каркасного типа ил­люстрируется графиками на рис. 4.27.

Предел прочности при срезе повышается с увеличением давле­ния горячего прессования до максимальных значений, соответст­вующих каждому материалу по содержанию фторопласта. Даль­нейшее повышение давления горячего прессования снижает прочность материалов при срезе. Максимальные значения пределов прочности при срезе для материалов с меньшим содержанием фто­ропласта достигнуты при более высоких давлениях (зависимость 1 на рис. 4.27). С увеличением количества фторопласта в материалах значения давлений горячего прессования, при которых достигнуты максимальные значения пределов прочности, уменьшаются. Так, с увеличением количества фторопласта в материалах от 20 до 60 % значения давлений, соответствующие максимальным пределам прочности, уменьшаются с 600 до 200 МПа. Причем степень изме­нения характеристики прочности также зависит от содержания фторопласта в материалах. Прочность увеличивается в большей степени для материалов, содержащих меньшее количество фторо­пласта.

Такая зависимость предела прочности при срезе объясняется изменением соотношений суммарных энергий межчастичных свя­зей и внутренних напряжений, возникающих в результате горячего прессования.

На рис. 4.28 показаны выборочные зависимости предела проч­ности при срезе и интенсивности изнашивания материалов напол­ненного типа. Характер изменения приведенных характеристик ма­териалов от давления горячего прессования и их численные значения зависят от количества наполнителя во фторопласте. Как и материалы каркасного типа, наполненные фторопласты достигают максимальных значений пределов прочности при давлениях, соот­ветствующих содержаниям наполнителей (зависимости 1- 4).

При увеличении количества наполнителя во фторопласте увели­чиваются значения давлений горячего прессования, при которых достигнуты максимальные значения пределов прочности при срезе. Так, при изменении количества порошка бронзы от 10 до 25 % мак­симальные значения пределов прочности материалов достигнуты при соответствующих изменениях значений давлений в пределах от 25 до 40 МПа. При тех же значениях давлений горячего прессо­вания материалы имеют наиболее высокую износостойкость (зави­симости 5 и 6 на рис. 4.28). Причем характер изменения интенсив­ности изнашивания материалов, как и предела прочности при сре­зе, зависит от количества наполнителя.

Изменение характеристик материалов, наполненных никелем с содержанием последнего в пределах от 10 до 25 % от давления го­рячего прессования, представлено зависимостями 1-6 на рис. 4.29.

Пределы прочности материалов при срезе в зависимости от со­держания никеля и давления горячего прессования изменяются аналогично, как и у материалов, наполненных бронзой (зависимо­сти 1-3 на рис. 4.28). Зависимостями 4-6 выявляется изменение податливости композиций от давления горячего прессования их. Давления, при которых податливость принимает минимальные значения, зависят от количества никеля в материалах. При увели­чении количества никеля увеличивается давление, при котором достигает наименьшую податливость композиций. При одинаковых давлениях горячего прессования меньшей податливостью обладают материалы с большим количеством наполнителя.

Характер изменения свойств материалов наполненного типа в зависимости от давления горячего прессования можно объяснить изменением адгезии фторопласта к поверхностям частиц наполни­теля и ухудшением спекаемости фторопласта при повышении дав­лений за некоторые их значения. Проверкой последнего предполо­жения установлено, что спекаемость фторопласта или композиций при повышенных давлениях горячего прессования достигается по­вышением температуры. Проявляется зависимость температуры горячего прессования от давления такая же, как и зависимость тем­пературы термодеструкции.