Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Металлофторопластовые материалы 9
1.1. ПТФЭ - универсальный антифрикционный материал 9
1.2 Каркасные материалы 11
1.3. Комбинированные материалы 15
1.3.1. Покрытия и ткани 15
1.3.2. Биметаллические листовые материалы 16
1.4. Химико-термическая обработка стальных деталей 20
1.4.1. Алюмотермический способ 22
1.4.2. Износостойкие и окалиностойкие покрытия 24
1.5. Перспективы повышения эксплуатационных свойств металлофторо пластовых материалов 27
1.5.1. Применение металлофторопластовых материалов в узлах трения . 27
1.5.2. Пути повышения ресурса работы металлофторопластовых материалов 29
Выводы к главе 1 31
ГЛАВА 2. Материалы и методы 33
2.1. Оборудование и оснастка 33
2.2. Материалы 34
2.3. Методика эксперимента 36
2.3.1. Химико-термическая обработка 36
2.3.2. Метод получения металлофторопластового материала 36
2.3.3. Методика испытания металлофторопластовых материалов на износ 40
2.3.4. Исследования на электронно-сканирующем микроскопе 42
ГЛАВА 3. Изучение процессов химикотермическои обработки 44
3.1. Герметизация контейнеров 45
3.2. Хромирование 46
3.3. Алитирование 61
3.1.1, Алитирование в засыпках 61
3.1.2.Алюмофосфатное покрытие 63
3.4. Бронзирование 65
Выводы к главе 3 69
ГЛАВА 4. Изучение метода изготовления металлофторо-пластового материала 71
4.1. Припекание бронзолатунной сетки 71
4.2. Заполнение пор сетки фторопластовой композицией 75
4.2.1. Впрессовывание неориентированной пленки 76
4.2.2. Заполнение порошковой шихтой на основе фтороплата-4 81
4.2.3. Определение адгезионного взаимодействия фторопластовой неориентированной пленки с металлами пористого каркаса 85
Выводы к главе 4 90
ГЛАВА 5. Испытания металлофторопластовых материалов на износ 92
5.1. Кратковременные испытания 92
5.1.1. Выбор наполнителя 92
5.1.2. Определение оптимального количества наполнителя 96
5.2. Длительные испытания на износ 106
5.3. Сравнительные испытания 116
Выводы к главе 5 118
Общие выводы 119
Список литературы 121
Приложения 131
- Применение металлофторопластовых материалов в узлах трения
- Методика испытания металлофторопластовых материалов на износ
- Определение адгезионного взаимодействия фторопластовой неориентированной пленки с металлами пористого каркаса
- Определение оптимального количества наполнителя
Введение к работе
Актуальность темы. Создание новых объектов техники высокой надежности и производительности, требует новых материалов и покрытий при конструировании подвижных сопряжений машин и агрегатов. Одним из путей повышения долговечности узлов трения является использование в их конструкциях металлополимерных подшипников скольжения с модификацией поверхности обратной стальной пары.
Комбинированные биметаллические металлофторопластовые материалы на стальной подложке (МФМ) обладают высокими антифрикционными свойствами, позволяющими применять их в широком диапазоне температур и нагрузок в условиях сухого трения и в средах, не обладающих смазочными свойствами. Они отличаются высокой конструкционной прочностью и успешно противостоят вибрационным нагрузкам. Эти качества металлофторопластовых подшипников позволяют широко применять их в многочисленных, в том числе и тяжело нагруженных и ответственных узлах трения машин и механизмов различных типов в виде подшипников, опор скольжения и направляющих в различных областях промышленности [1, 2, 3]. Увеличение поверхностной твердости обратной стальной пары значительно повышает ресурс узла трения с МФМ. Из существующих методов упрочнения поверхностных слоев металлов наиболее изученным и доступным является химико-термическая обработка (ХТО) твердофазным методом [4, 5, 6].
Применение металлофторопластовых материалов позволяет повысить сроки службы машин и механизмов и, как следствие, увеличить межремонтные сроки и снизить затраты на ремонтные работы. Они позволяют значительно уменьшить трудоемкость изготовления узлов и деталей трения благодаря более простой технологии изготовления деталей. Использование металлофторопластовых материалов дает возможность уменьшить массу и габаритные размеры деталей машин, высвобождает большое количество цветных металлов, легированных сталей и других дефицитных материалов, дает возможность экономить смазочные материалы.
Производство МФМ в виде ленты бескоЕіечной длины отличается производительностью и возможностью автоматизации процессом, по требует специализированного предприятия и не позволяет получать универсальный материал. Кроме того, отечественный материал обладает невысокими триботехни-ческими характеристиками (pV не более 0,2 МПа-м/с для 1000 часов при трении в сухую). Кассетный метод получения листового МФМ, разработанный в Восточно-Сибирском технологическом институте, отличается доступностью, но исследования метода проведены не в полном объеме, не изучены физико-механические и триботехнические свойства материала, а применение защитных атмосфер и легированных сталей на стадиях производства несколько усложняют метод и повышают стоимость материала.
В связи с вышесказанным и учитывая расширение потребности промышленности в материалах с повышенными эксплуатационными свойствами и тот факт, что порошковый метод является перспективным методом для упрочнения поверхности стальных деталей, разработка доступного способа получения МФМ с заданными физико-механическими свойствами и изучение его трибо-технических характеристик при работе с упрочненной стальной поверхностью является актуальной задачей.
Цель работы включает исследование термодиффузионных процессов ХТО конструкционных сталей и разработку способа получения листового МФМ кассетным способом без применения защитных атмосфер.
Задачи. выбрать методы модификации поверхности металлических изделий с це лью повышения жаростойкости, износостойкости и антиадгезионных свойств; исследовать температурные режимы при создании на стальной подлож ке пористого слоя, обеспечивающего целостную пространствешгую структуру; обосновать способ заполнения пор припеченного пористого слоя композициями на основе фтороплата-4; установить величину адгезии Ф-4 к металлам пористого каркаса при термообработке в кассете; разработать МФМ с повышенными триботехническими характеристиками; исследовать влияние способа легирования стального контр-тела на ресурс МФМ; провести проверку результатов исследований в промышленных условиях. Научная новизна. теоретически и экспериментально обоснован способ комбинированного легирования поверхности стальных изделий из гранулированного состава насыщающей смеси с использованием теплового эффекта реакции восстановления окислов металлов алюминием при порошковом методе ХТО; экспериментально определена прочность сцепления бронзо-латунной сетки с поверхностью низкоуглеродистой стали в зависимости от температуры обработки; определена величина адгезионных сил сцепления Ф-4 с металлическим пористым каркасом; исследованы закономерности износа и температуры при трении МФМ по упрочненной поверхности стального контр-тела в зависимости от фактора pV, проведены сравнительные испытания.
Практическая ценность работы. предлагаемый способ термодиффузионного легирования сталей хромом позволяет сократить расход компонентов смеси и энергозатраты на ХТО; разработанный способ получения МФМ, позволяет проводить термообработку с использованием печей с воздушной атмосферой, изготавливать материал с заранее заданными размерами; припекание бронзолатунной сетки в качестве пористого слоя позволяет получать материал с равномерным пористым слоем с пространственной структурой и заполнять поры сетки любыми порошковыми материалами с целью получения материала с требуемыми физико-механическими и триботехническими свойствами рабочего слоя; разработанный МФМ при трении в сухую по борированной стали 45 обеспечивает ресурс непрерывной работы в течении 1000 часов с износом 200 мкм при факторерК-2 МПа-м/с; предлагаемый способ герметизации контейнеров позволяет проводить высокотемпературный безокислительный нагрев с 100%-ной повторяемостью результатов.
Положения, выносимые на защиту: способ ХТО стальных изделий в герметичном контейнере с использованием теплового эффекта алюмотермической реакции; метод получения МФМ под аутогенным давлением с повышенными антифрикционными свойствами; триботехнические характеристики (износостойкость и температура при трении) при различном факторе ;?К.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на V Rassian-Chinese International Symposium. Advanced Materials &Processes. (Baikalsk, 1999); Межрегиональной научно-практической конференции ВСГТУ «Строительный комплекс востока России, проблемы, перспективы кадры» (Улан-Удэ, 1999); Всероссийской конференции «Современные проблемы химии высокомолекулярных соединений» (Улан-Удэ, 2002); на научном семинаре «Фторполимерные материалы, фундаментальные, прикладные и производственные аспекты» (Улан-Удэ, 2003); на конференции ВСГТУ «Секция химии» (Улан-Удэ, 2003); на II Евразийском симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2004); на 1 Всероссийской конференции «Химия для автомобильного транспорта» (Новосибирск, 2004); на семинаре фирмы Schlumberger «Химические аспекты нефтедобычи» (Новосибирск, 2004); на Всероссийской конференции «Полимеры в XXI веке» (Улан-Удэ, 2005), на III Международной научно-технической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии» (Улан-Удэ, 2005); на конкурсе «Генерация идей» БНЦ (Улан-Удэ, 2003) присуждена II премия.
Публикации. По материалам работы опубликовано 33 печатные работы, из них два патента РФ. Одна работа находится в печати, подано три заявки на изобретения.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 130 страницах и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка литературы, насчитывающего 125 ссылок. Работа содержит 43 рисунка, 11 таблиц и 4 приложения.
Исследования связаны с выполнением комплекса программ: программа президиума РАН 8.17 «Наноматериалы ..., в том числе - фторполимерные порошкообразные, планарные и композиционные материалы», Республиканская НТП «Бурятии. Наука. Технологии и инновации» «Композиционные материалы на основе фторопласта», конкурс 2004 года на соискание грантов для молодых ученых Республики Бурятия «Инновационные технологии и новые материалы», ФЦП «Интеграция» 2004.
Применение металлофторопластовых материалов в узлах трения
Основной областью применения металлофторопластовых подшипников скольжения (МФПС) являются узлы сухого трения. МФПС на стальной подложке имеет наилучшие рабочие характеристики по сравнению с другими типами материалов. Сочетание в МФМ ряда ценных свойств определяет возможность массового применения его в самых разнообразных условиях и незаменимость в некоторых сложных условиях эксплуатации. Одно из первых применений МФМ в СССР связано с использованием в шарнирных соединениях авиационных конструкций, в частности, в шарнирах несущей системы вертолета [1]. Для обеспечение подвижности несущей системы вертолета требуется до 200 подшипников и более. Опыт применения метал-лофторопластовых упорных шайб в горизонтальном шарнире втулки несущего винта вместо шариковых подшипников качения позволило высвободить место для увеличения габаритов работающего в наиболее тяжелых условиях игольчатого подшипника и существенно увеличить долговечность узла. При удельных нагрузках до 10 МПа и скорости скольжения до 0,1 м/с (pV=l МГТа м/с) линейный износ после наработки 500 ч не превышает 0,2 мм.
В условиях криогенных или повышенных температур, которые возникают при эксплуатации узлов управления реактивного или газотурбинного двигателя, расположенных вблизи камеры сгорания, насосов перекачки жидких газов, шарнирных соединениях космических аппаратов и транспортных средств, предназначенных для эксплуатации на космических объектах, а также при эксплуатации в жарких странах и на крайнем севере применение МФМ являются практически единственно возможным [1, 80].
МФМ находит широкое применение в отечественном автомобилестроении. Втулки коробки передач автомобиля, втулки шкворней поворотных кулачков, в тормозных узлах и сцеплении (вилка выключателя сцепления, вал передачи сцепления, колодки тормоза разжимных кулачков). Более долговечными, чем бронзовые, оказались МФПС, установленные в осях сетталитов дифференциалов. При работе со смазкой выявилось четырехкратное преимущество по сроку службы [1].
Для морского флота представляет интерес перспектива создания и использования в механизмах энергетических установок кораблей новых конструкций МФПС на основе существующего опыта их применения. При работе над повышением моторесурса судовых дизелей с газотурбинным наддувом, рассматривается возможность применения в конструкции газотурбокомпрессоров новых подшипниковых узлов с МФМ [101]. Положительные результаты получены при эксплуатации металлофторо-пластовых торцевых упоров букс тепловозов, работающих со смазкой при удельных нагрузках 0,1-0,2 МПа и скорости скольжения, превышающей 4 м/с, при эксплуатации подшипников в погружных электродвигателях [102].
Исследования [1, 3, 100] показали высокую надежность работы подшипниковых опор ротора высокооборотных компрессорных машин нефтеперерабатывающих и химических заводов выполненных из МФМ. Направляющие и подшипники из МФМ могут быть перспективными при решении конструктивных задач перевода компрессоров и др. пневматических машин в режим с ограничением смазки и без нее [103-104]. Применение МФПС обеспечивает наибольшую долговечность узлов трения машин и аппаратов пищевой, кондитерской, текстильной, табачной, бумажной, химической отраслей промышленности и медицины, в которых смазка нежелательна, а движение в узлах трения происходит при высоких скоростях и нагрузках [2, 31, 91].
Повышение износостойкости, долговечности и улучшения самосмазывающихся свойств МФМ может быть достигнуто: улучшением состава композиции фторопласта с наполнителем [1]; увеличением объемной доли фторопластовой композиции в рабочем слое; совершенствованием технологического процесса изготовления материала, выбор способа упрочнения поверхности обратной пары трения.
В большинстве случаев именно технологическое решение дает возможность достичь максимального эффекта в достижении цели. Технология получения металлофторопластовой ленты (МФЛ) требуют специального завода и не применима для получения материала в лабораторных условиях. Способ получения МФМ, предложенный в работе [73], положительно отличается от промышленных простотой и возможностью применять его в лабораторных условиях для получения образцов для испытаний. Кассетный способ позволяет спекать фторопластовую композицию при повышенном (аутогенном) давлении, что влияет на повышение физико-механических свойств фторопластовой матрицы, будучи заключенной в порах каркаса сетки, а также обеспечивает довольно высокую производительность технологическому процессу.
Применение сетки для получения пористого слоя на стальной основе имеет ряд преимуществ по сравнению с применением порошковой бронзы: простота и равномерность нанесения, возможность получения пористого слоя различной толщины. Главной перспективой использования сеток является небольшой занимаемый объем в сочетании с прочностью и жесткостью каркаса. Объемная доля сеток в рабочем слое составляет от 20 до 40 % и, самосмазывающаяся способность материала будет выше.
Известно [1], что за рубежом фторопластовые свинецсодержащие композиции уже давно вытеснили с рынка другие фторопластовые материалы. Еще Пратт [54] показал, что добавки РЬ или РЬО являются эффективными в преодолении ограничения по температуре и скорости скольжения для ПТФЭ, наполненного бронзой при работе без смазки. Материал DU, английской фирмы «Glacier Metal Co.», являющийся лучшим материалом, в качестве наполнителя имеет мелкодисперсный свинец [1].
Методика испытания металлофторопластовых материалов на износ
В ходе работы по изучению метода получения МФМ, описанном в работе [73] было выявлено ряд недостатков, таких, как использование защитных атмосфер, использование дорогих аустенитных хромоникелевых сталей для изготовления оснастки (стальные рамки, разделительные прокладки, ограничивающие пластины, клинья и т.п.).
В качестве разделительных прокладок для сбора кассеты используется нержавеющая сталь 12Х18Н9Т толщиной не более 0,5 мм. При температурах 1170-1200 К такую можно использовать только 2-3 раза. При температурах выше 1150-1160 К происходит интенсивный массоперенос и насыщение пластин нержавеющей стали компонентами бронзы, в результате чего они охрупчива-ются и при малой толщине прокладки выходят из строя. Кроме того, к насыщенной поверхности нержавеющей стали частично припекается сетка, что приводит к трудностям при разборе пакета после термообработки.
Заслуживает внимания и вопрос повышения жаропрочности стальной технологической оснастки. Использование защитных атмосфер делает способ получения МФМ сложным, требует дополнительного оборудования и мер безопасности, а применение жаропрочных сталей для изготовления контейнеров, рамок и т.п. повышает себестоимость МФМ. Способ термообработки в закрытом контейнере позволит использовать стандартные муфельные печи, а поиск путей замены нержавеющей стали более доступными и дешевыми материалами может дать дополнительный экономический эффект.
В связи с этим и учитывая выводы по обзору литературы было принято решение изучить способы герметизации контейнеров, исследовать процессы хромирования, алитирования при помощи ХТО твердофазным методом с целью получения окалиностойких, антиадгезионных к бронзам покрытий на низкоуглеродистых и углеродистых сталях, провести исследования по нанесению на поверхность листовых низкоуглеродистых сталей бронзовых покрытий.
Насыщение сталей различными элементами в открытых контейнерах не дали положительных результатов даже при толстом слое песка над смесью кроме борирования из карбида бора. Предложенный в работах [4-6] способ наведения плавкого затвора на листе асбеста, засыпанного песком с крошкой легкоплавкого стекла, дает положительные результаты. Однако, при таком способе невозможно повторное использование асбестового листа. При экспериментальных исследованиях в поиске способов герметизации были опробованы несколько вариантов с использованием в качестве плавкого затвора борной кислоты и легкоплавкого стекла.
Использование борной кислоты [6], переходящей в процессе нагрева в борный ангидрид, позволяет получить хороший плавкий затвор, но при контактном взаимодействии с кромками контейнера, подвергает их растворению. При этом контейнер из хромосодержащей стали можно использовать с первоначальной высотой до 3-7 раз в зависимости от толщины стенки контейнера. Поиск возможных веществ с целью использования их в качестве плавкого затвора привели к использованию боя лабораторного стекла № 23.
В результате опытно-исследовательских работ был разработан новый способ наведения плавкого затвора на контейнерах (рисунок 3.1). На внутренних стенках контейнера (1) сварочной дугой наплавляются выступы или по всему периметру привариваются пластины (2), которые служат опорой для крышек контейнера. На буртик (или выступы) укладывается стальная крышка (3). Зазор между крышкой и стенками контейнера замазываются смоченным водой порошковым асбестом (4). На первую крышку укладывается и плотно прижимается вторая стальная крышка (5), на которой предварительно приваривается по всему периметру буртик (6). Образовавшийся зазор между буртами верхней крышки и стенками контейнера засыпается дробленым стеклом (7).
Установлено, что предотвращение утекания в щели расплавленного легкоплавкого стекла, полученного дроблением лабораторного стекла №23, возможно только при наведении промежуточного затвора из смоченной водой асбестовой крошки. Использование в качестве промежуточного затвора сухого асбеста или глины не дали положительных результатов. При температурах обработки выше 1170 К расплавленное стекло стекает через щели в листовом асбесте или через трещины глины. Смоченный асбестовая крошка при уплотнении верхней крышкой и последующей сушкой создает более плотный затвор. Опыты по использованию нержавеющей стали 12Х18Н9Т в качестве прокладок для припекания сетки к стальной основе показали, что такие прокладки не отвечают поставленным требованиям из-за диффузионного насыщения компонентами бронзы и охрупчивания. Диффузия, в основном, обусловлена содержанием никеля и железа в аустенитной стали, а не хрома. Было принято решение исследовать диффузионное хромирование для нанесения покрытий на разделительные пластины из низкоуглеродистой и углеродистой стали. Исходя из выводов, сделанных в первой главе для исследования выбран алюмотермический способ ХТО в порошках, как наиболее доступный и изученный.
Диффузионное хромирование достаточно хорошо изучено в работах Г.Н. Дубинина, Л.С. Ляховича, Л.Г. Ворошнина, Г.Г. Панича и др. [4, 6, 89-91]. Для алюмотермического хромирования предлагается состав [91]: А1203 служит в качестве разделительной добавки для предотвращения спекание шихты при режиме ХТО. Изобарно-изотермический потенциал реакция восстановления окиси хрома алюминием имеет отрицательную величину:
Определение адгезионного взаимодействия фторопластовой неориентированной пленки с металлами пористого каркаса
Данный способ позволил получить толстые алитированные покрытия на низкоуглеродистых сталях. За 2 часа выдержки толщина покрытий на стали оставляет порядка 150-200 мкм, за 4,5-5 часов - до 300 мкм.
Такое покрытие не удовлетворяет поставленным требованиям как для защиты от коррозии свободной стороны МФМ, так и разгаростойкости применяемой оснастки. Алитирование из порошков при высоких температурах значительно снижает механические свойства образцов. По данным [110-111] на поверхности стали формируется зона интерметаллических соединений Fe2Al5 и FeAb, покрытия обладают высокой хрупкостью и низкой чистотой поверхности.
Установлено, что при деформации стальных пластин (стЗ, ст20 и ст45) после алитирования в составе 3.10 в поверхностной зоне возникают трещины. Дальнейшая деформация до достижения предела текучести сопровождается скалыванием и осыпанием поверхностной зоны диффузионного слоя. Происходит снижение предела прочности и относительного удлинения.
Известно [95, ПО], что образование интерметаллических соединений можно предотвратить снижением температуры алитирования. Авторами [95] разработан процесс низкотемпературного алитирования (термоплакирования) при 873 К в порошковой смеси. При этом образуется не диффузионный, а в основном поверхностный слой алюминия, хорошо связанный с основой за счет частичной диффузии (8-Ю %) его в основу. За 4-5 часов выдержки при температуре 873 К образуется слой 25-50 мкм, достаточный для защиты деталей в течении длительного времени работы при температуре до 1370 К. Концентрация алюминия в слое достигает 60-80%. Данный способ обеспечивает большую жаростойкость по сравнению с алитированием порошковым методом и дает возможность проводить местную защиту деталей при помощи пасты из доступных материалов, которая наносится кисточкой на поверхность детали, не подлежащее покрытию. Технология получения такого покрытия в литературном источнике [95] авторами не раскрывается.
При расчете состава для хромирования установлено, что при избытке алюминия в смеси образуется большое количество хлоридов алюминия, полная конденсация которых может осуществиться при температуре 830-850 К. Это дало основание предположить, что после предварительного прокаливания состава 3.10 в смеси после охлаждения будут образовываться кристаллы хлоридов алюминия, которые при последующем нагреве до температуры выше 850 К обеспечат процесс насыщения стальной поверхности алюминием. Метод был опробован и показал, что при 4-х часовой выдержке 870-890 К на стали 20 образуется очень чистые, ударопрочные, жаропрочные, коррозионостойкие покрытия, толщиной 100 мкм, за 2-3 часа. Термически обработанные детали в воздушной атмосфере при Т=1180-1220 К с таким покрытием приобретают синеватый оттенок без видимой коррозии. Алитированные контейнеры, выполненные из стали 3, не уступают по разгаростойкости нержавейке и могут использоваться до 15-20 раз.
Установлено, что проводить процесс качественного алитирования таким способом удается только 1 раз. Повторное использование смеси не дает положительных результатов и требуется новая операция прокаливания смеси при температуре 1180-1220 К. с добавлением активатора. Так же установлено, что при предварительном прокаливании состава для алитирования с активатором в порошке не наблюдаются частицы порошка алюминия. В процессе нагрева они диспергируются до мельчайшего размера . Это позволило применить в качестве насыщающего компонента алюминиевую стружку. После прокаливания стружка, размером до 1-3 мм измельчается до дисперсности 100-200 мкм и в полученном составе проходит процесс алитирования.
Порошковое алитирование не дало положительных результатов для защиты свободной стороны стальной поверхности МФМ от окисления при спекании фторопласта в воздушной атмосфере. Установлено, что к алитированным пластинам стали 20 бронзол ату иная сетка припекается, но прочность сцепления не превышает 30-40 МПа, а температуры припекания сетки приводят к дополнительной диффузии алюминия в сталь с образованием интерметаллидных соединений, что приводит к охрупчиванию стальной подложки. Эти факты отрицательно сказываются при штамповке и калибровке свертных втулок.
Алитирование пластин с припеченной сеткой приводит к тому, что поры припеченной сетки сильно забиваются насыщающим порошком. Кроме того, при температуре обработки происходит припекание частиц балластной добавки (АЬОз) к сетке, что затрудняет очистку пористого припеченного слоя.
В результате проведенных экспериментальных работ был выбран следующий способ защиты свободной стороны МФМ от окисления при спекании фторопласта в воздушной атмосфере. После операции заполнения фторопластовой композицией пор припеченной сетки свободная стальная поверхность смачивается фосфорной кислотой и тщательно протирается фетровым тампоном. Излишек кислоты и продукты растворившейся окалины удаляются чистым фетром. На смоченную поверхность наносится натиранием слой алюминиевой пудры до получения сплошного равномерного покрытия. Пластины сушатся на воздухе при комнатной температуре в течение 20-30 мин.
Экспериментально установлено, что замес, приготовленный из алюминиевой пудры и фосфорной кислоты получить не удается. При смешивании этих компонентов происходит бурная реакция с выделением газа и тепла. Смесь затвердевает при комнатной температуре через 1-1,5 часа в виде вспенившейся массы. Замес, приготовленный из FeO и Н3Р04 затвердевает в течении 1-1,5 часов с образованием твердого нерастворимого в воде кубика. Замес Fe203 и Н3РО4 затвердевает при комнатной температуре на третьи сутки с образованием непрочных комков, которые при незначительном воздействии разрушаются.
При натирании смоченной поверхности алюминиевой пудрой цемент фосфатного твердения готовится непосредственно на поверхности детали. При обработке стальной поверхности фосфорной кислотой, последняя реагирует с окисной пленкой металла, частично растворяет ее, тем самым, способствуя образованию химически связанного подслоя. Не прореагировавшая часть кислоты вступает в реакцию с окисной пленкой на частицах алюминия, образуя двойной цемент. В результате, на поверхности стали получался тонкий слой алгомофос-фатов, химически связанный со стальной основой.
Установлено, что полное схватывание нанесенного таким образом слоя при комнатной температуре происходит через 35-40 часов. Нагрев детали до 370-380 К сокращает процесс отверждения до 2-3 часов, а при нагреве до температуры спекания фторопласта нерастворимое покрытие образуется за 0,5 часа выдержки. Полученный слой обладает повышенной окалино стойкостью и корро-зионостойкостью в воздушной в водной средах. Обработанная таким образом поверхность конструкционной стали имеет белый цвет после термообработки вплоть до 870-970 К.
Определение оптимального количества наполнителя
Интересный результат получен для композиции с 15 мас.% КГ. Материал, имея при разрыве в холодном состоянии практически хрупкий характер, при нагреве образца его относительное удлинение увеличилось более чем в 2 раза. В горячем состоянии уменьшается и предельное напряжение разрыва образцов и более отчетливо выражена площадка необратимой деформации. Наклон кривой в сторону увеличения напряжения при растяжении может быть вызван процессами перестройки кристаллической структуры, аналогично росту кривых растяжения холодных образцов, а также по причине охлаждения: на 100 мм (200%) образец растягивался в течение 30 сек.
Было принято решение исследовать возможность заполнения пор припеченной бронзолатунной сетки впрессовыванием неориентированной фторопластовой пленкой, полученной нарезанием на токарном станке из фторопластовой цилиндрической болванки. Методом прямого прессования [40] изготавливалась заготовка в виде полого цилиндра из чистого Ф-4 высотой 75 мм, наружным и внутренним диаметрами 75:45 мм. Из полученной заготовки на токарном станке при малой подаче нарезалась полоса, толщиной 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,7 и 1,0. Далее, полученная полоса нарезалась по размеру биметаллической пластины. Прессование осуществлялось в один слой сетки без припекания к стальной основе.
При прессовании пленки, толщиной в 1 мм давление, необходимое для полного заполнения сетки, превышает 120 МПа. Сетка сильно деформируется, уменьшаясь по высоте, и сила сцепление фторопластовой пленки с сеткой имеет низкие значения. Пленка остается практически целой, со следами отпечатавшейся сетки. Увеличении температуры до 420 К не дало положительного результата. Аналогичный результат показало использование пленки, толщиной 0,7 мм.
Для пленки, толщиной 0,5 мм давление прессования на холодных плитах составляет 75- 80 МПа, но и при этих давлениях сетка подвергается значительной деформации. При повышении температуры до 420 К давление снижается более чем в два раза и составляет 30-33 МПа. Оптимальным вариантом заполнения ячеек сетки № 16 является впрессовывание нескольких слоев неориентированной пленки из чистого Ф-4, толщиной не более 0,3-0,4 мм. При этом необходимое давление сравнимо с традиционными при прессовании фторопластовых монолитных деталей и составляет 50-55 МПа. При прессовании на горячих плитах при Т=420 К давление, необходимое для полной пропрессовки составляет 22-25 МПа. Установлено, что время выдержки под давлением на холодных плитах более 0,5-1 минуты не влияет на степень заполнения припеченной сетки. Для полного заполнения пор сетки при прессовании на горячих плитах необходимо до 5-10 мин для прогрева фторопластовой пленки.
Данный способ аналогичен методу штамповки горячих фторопластовых заготовок с получением деталей сложной формы [17]. Полученные таким образом заготовки можно эксплуатировать в узлах трения до рабочих температур, не превышающих 423 К. Для ликвидации остаточных напряжений, возникших при деформировании пленки, а также для спекания фторопластового объема проводили повторную термообработку приготовленных пластин. Для этого пластины набирались в пакет следующим образом: на лист алюминиевой фольги укладывалась сетка с заполненными ячейками, затем две прокладки алюминиевой фольги, сетка с заполненными ячейками, две алюминиевые прокладки и т.д. Пакет ограничивался стальными пластинами, толщиной 10 мм, зажимался в квадратные рамки при помощи клиньев. Приготовленная кассета нагревалась в печи для спекания фторопласта со скоростью 100-120 град/ч до температуры 640-650 К в воздушной атмосфере и выдерживался при этой температуре 1-1,5 часа на каждые 50 мм толщины кассеты. Кассета охлаждалась вместе с печью, после чего извлекалась из печи и разбиралась.
Данным способом удалось получить бронзолатунную сетку, заполненную фторопластом на всю глубину по всей поверхности. При повторной термообработке Ф-4 до температуры спекания в замкнутом пространстве, расширяясь, он способствует дополнительному заполнению имеющегося свободного пространства в ячейках сетки.
Установлено, что фторопластовая пленка при повторном спекании частично «теряет память» и при свободном нагреве до 640 К не покидает ячейки сетки. Явление частичной «потери памяти» было обнаружено при повторном спекании полых цилиндрических фторопластовых заготовок в стальных оправках. При нагревании и расплавлении кристаллов Ф-4 увеличивается в объеме. Плотно ограничивающая по наружному диаметру стальная оправка не дает возможности расширится Ф-4 и увеличение объема идет вверх и во внутреннее пространство полой цилиндрической заготовки. После охлаждения печи и извлечения оправок с деталями можно было наблюдать усадку заготовок: по внутреннему диаметру на 8-9 %, по наружному - на 4-5%, по высоте деталь вырастала на 4-5 %. Повторный нагрев в свободном состоянии заготовок для снятия возникших напряжений в объеме детали до температуры спекания приводит к неполному восстановлению первоначальных размеров. Остаточная усадка фторопластового цилиндра по сравнению с первоначальными размерами составляет по внутреннему диаметру до 3-4 %, по наружному - 2-2,5 %, высота увеличивается на 2-3 %. Такое изменение размеров может сопровождаться рекомбинацией кристаллической структуры, снижением анизотропности по направлениям деформации, возникающей при холодном прессовании Ф-4.
Установлено, что при прессовании в н.у. композиционной пленки, толщиной 0,3 мм, содержащей 30 мас.% порошкового свинца, давление прессования необходимое для полного заполнения пор сетки составляет 55-60 МПа, что на 15-17 % больше чем для пленки из чистого Ф-4.
