Способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к полимерным композиционным материалам (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), и может быть использовано при изготовлении деталей металлополимерных узлов трения машин различных видов техники. Технический результат достигается использованием энергии ультразвуковых колебаний частотой 20±3 кГц и амплитудой колебаний в пределах 8÷12 мкм при прессовании композиционной смеси. При этом колебания непрерывно воздействуют на прессующий пуансон в течение 2÷3 минут. Предварительно проводят смешивание порошков смеси в смесителе с частотой вращения ножей не менее 2800 мин^-1. Холодное прессование композиции производят в закрытой прессформе под давлением 50±5 МПа. Отпрессованную заготовку нагревают в печи до температуры 360±5°С со скоростью 1,5-2,0 град/мин. Затем выдерживают при этой температуре 8÷9 мин на 1 мм толщины стенки изделия и охлаждают до температуры 327°С со скоростью 0,3-0,4 град/мин и от 327°С до комнатной температуры вместе с печью. Технический результат заключается в повышении механических и триботехнических свойств композиционного материала и экономичности технологического процесса получения изделий из ПКМ на основе ПТФЭ. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к антифрикционным полимерным композиционным материалам (ПКМ), и может быть использовано при изготовлении деталей металлополимерных узлов трения машин различных видов техники.

Известен способ изготовления изделий из политетрафторэтилена (ПТФЭ) и ПКМ на его основе (см. Д.Д.Чегодаев, З.К.Наумова, И.С.Дунаевская. Фторопласты. Л.: Изд-во Химической литературы. 1960), при котором порошок ПТФЭ засыпают в пресс-форму и равномерно распределяют по всему объему, прессуют при комнатной температуре под давлением 35 МПа, спекают в свободном состоянии при температуре 360-380°С и охлаждают вместе с печью. Этот способ имеет недостатки, поскольку изделия и заготовки имеют недостаточный уровень механической прочности, высокий и нестабильный уровень усадки.

Известен другой способ изготовления изделий из ПКМ на основе ПТФЭ (АС №1812190, МПК C08J 5/15), при котором порошки ПТФЭ, бронзы, дисульфида молибдена и измельченных углеродных волокон смешивают в смесителе с частотой вращения ножей 2800 мин^-1, прессуют заготовки при давлении 100-110 МПа и спекают при температуре 360±5°С, охлаждают от температуры спекания до 327°С со скоростью 0,3-0,4 град/мин, от 327 до 20°С - свободно вместе с печью. При этом измельченное углеродное волокно получают из углеволокнистого материала, выдержанного в жидком фреоне не менее 48 часов. После сушки материал разрезают на кусочки и измельчают в мельнице в присутствии порошка ПТФЭ при частоте вращения ножей 7000 мин^-1 в течение 3-9 мин.

Рассмотренный способ наиболее близок по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, снижающие характеристики механических свойств композиционного материала и экономичность способа. Основной недостаток известного способа заключается в том, что при холодном прессовании невозможно достичь достаточно плотной упаковки частиц матрицы и наполнителей. Обработка углеродного волокна в жидком фреоне в течение 48 часов также не обеспечивает решение этой задачи, а двух-, трехкратное увеличение давления прессования до 100-110 МПа лишь частично способствует повышению плотности упаковки частиц. В результате предел прочности композиционного материала снижается, увеличиваются затраты на производство (расходуется фреон, увеличиваются энергетические затраты и износ прессового оборудования) и снижается производительность.

Задача изобретения - повышение характеристик механических и триботехнических свойств композиционного материала и экономичности технологического процесса получения изделий из ПКМ на основе ПТФЭ.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе изготовления прессование композиционной смеси осуществляют при непрерывном воздействии на прессующий пуансон энергии ультразвуковых колебаний частотой 20±3 кГц в течение 2-3 мин и амплитудой колебаний в пределах 8÷12 мкм. Прессование производят в закрытой пресс-форме под давлением 50±5 МПа в течение 2,0÷3,0 мин при амплитуде колебаний пуансона в пределах 8÷12 мкм, отпрессованную заготовку нагревают в печи до температуры 360±5°С со скоростью 1,5-2,0 град/мин, выдерживают при этой температуре из расчета 8÷9 мин на 1 мм толщины стенки изделия, охлаждают до температуры 327°С со скоростью 0,3-0,4 град/мин и от 327°С до комнатной температуры вместе с печью.

В условиях высокочастотных колебаний существенно снижается сила сцепления (взаимодействия) частиц композиционной смеси, они легко смещаются относительно друг друга и под давлением прессования достигается значительное сближение и плотная упаковка всех частиц смеси. Сближение частиц до уровня межмолекулярного взаимодействия способствует значительному усилению связей между частицами, которые окончательно стабилизируются в процессе последующей термообработки (спекании), благодаря чему достигается значительное повышение механической прочности композиционного материала.

Использование энергии ультразвуковых колебаний позволяет исключить малоэффективную операцию обработки углеродных волокон в жидком фреоне в течение 48 часов с последующей сушкой и в 2 раза со 110 до 55 МПа снизить давление прессования.

Для передачи энергии ультразвуковых колебаний прессуемой композиции изготавливают специальный волновод-инструмент, представляющий собой полуволновой стержень с заданным законом изменения площади поперечного сечения, выполненный заодно с прессующим пуансоном и совершающий под рабочей нагрузкой продольные колебания с заданной частотой и амплитудой колебания.

Отработку заявляемого способа производили на трех различных по составу композициях. Составы композиций приведены в табл.1.

Таблица 1
Композиция	Содержание, мас.%
Углеродное волокно	Скрытокристаллический графит	MoS2	ПТФЭ
1	-	3...12	-	88-97
2	3-12	-	-	88-97
3	6	8	2	84

Изготовление изделий из композиций 1, 2, 3 производят по следующему способу. Композицию из порошков смешивают в смесителе с частотой вращения ножей 2800 мин^-1, прессуют заготовки под давлением 50-55 МПа с одновременным воздействием на прессуемую смесь энергии ультразвуковых колебаний с частотой 20 кГц и амплитудой 8-12 мкм и спекают при температуре 360±5°С в течение 8-9 мин на 1 мм толщины стенки изделия, охлаждают от температуры спекания до 327°С со скоростью 0,3-0,4 град/мин, а далее до 20°С - свободное охлаждение с печью.

Определение предела прочности при растяжении σ_в и относительного удлинения при растяжении производят по методикам ГОСТ 11262-80, модуля упругости - по методике ГОСТ 9550-81.

Износостойкость ПКМ определяют по скорости изнашивания на машине трения, работающей по схеме трения палец - диск. Пальцы диаметром 5 мм изготавливают из испытуемого материала, диск (контртело) - из закаленной углеродистой или легированной стали. Испытание ведут при скорости скольжения 1 м/с и контактном давлении 3 МПа.

Необходимое давление прессования и продолжительность воздействия ультразвука определяются из условия получения максимальной прочности композиционного материала. Изготавливали образцы из композиций 1, 2, 3 при давлении прессования 35, 50 и 75 МПа. Наибольший предел прочности 23,8 МПа и модуль упругости 265 МПа получены при давлении 50 МПа, при этом при давлении 35 МПа и 75 МПа предел прочности образцов меньше на 12 и 2,5%, а модуль упругости меньше на 10,5 и 3,8 соответственно. Наибольшее значение показателей механических свойств (предел прочности, модуль упругости) получены при воздействии ультразвука в течение 2,0...3,0 мин.

Оценку эффективности предлагаемого способа проводили при давлении прессования 50 МПа и воздействии ультразвука в течение 2,5 мин с момента начала прессования, т.е. с момента контакта пуансона с прессуемой смесью.

Для оценки эффективности заявляемого способа проводят испытание пальцев, изготовленных по известному и заявляемому способам. В табл.2 приведены данные об относительном изменении показателей механических и триботехнических свойств при использовании энергии ультразвуковых колебаний по сравнению с показателями свойств образцов, изготовленных по известному способу.

Таблица 2
Композиция	Изменение показателей свойств, %
предел прочности, Δσв	модуль упругости, ΔЕ	относительное удлинение, Δδа	скорость изнашивания, ΔU
1	+2,8...9,5	+18...25	-8...25	-23
2	+2,2...4,1	+18...82	-5...24	-32
3	+18	+38	-35	-36
Примечание. Знак + означает увеличение показателя.
Знак - означает уменьшение показателя.
Для композиций 1, 2 изменение показателей соответствует диапазону изменения содержания наполнителей (3...12)%. Значение изменений скорости изнашивания приведены для содержания наполнителей 6 мас.%.

Из приведенных данных следует, что при изготовлении образцов по заявляемому способу предел прочности повышается на 2,2-18%, модуль упругости - на 18-38% в зависимости от вида и содержания наполнителей или в среднем предел прочности увеличивается на 7,7-10,5%, а модуль упругости - на 24,7-48,3%. При этом относительное удлинение и скорость изнашивания снижаются в среднем на 16-28% и на 30,4% соответственно.

Комплексное улучшение механических и триботехнических свойств композиционного материала, изготовленного по предлагаемому способу, выражающееся в повышении модуля упругости и износостойкости в среднем на треть, позволяет существенно увеличить ресурс работы и надежность узлов трения (подшипников скольжения, направляющих, герметизирующих устройств) и машин в целом.

1. Способ изготовления изделий из полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена с дисперсными и волокнистыми наполнителями, при котором осуществляют смешивание наполнителей с политетрафторэтиленом в смесителе с частотой вращения не менее 2800 мин^-1, холодное прессование в закрытой прессформе, нагревание до температуры 360±5°С в печи со скоростью 1,5-2,0 град/мин, выдержку при этой температуре 8÷9 мин на 1 мм толщины стенки изделия, охлаждение до температуры 327°С со скоростью 0,3-0,4 град/мин и от 327°С до комнатной температуры - охлаждение вместе с печью, отличающийся тем, что прессование композиционного материала осуществляют при непрерывном воздействии на прессующий пуансон энергии ультразвуковых колебаний частотой 20±3 кГц в течение 2÷3 мин и амплитудой колебания в пределах 8÷12 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прессование композиционных материалов в закрытой прессформе осуществляют под давлением 50±5 МПа при воздействии на прессующий пуансон энергии ультразвуковых колебаний.