Устройство для изготовления изделий из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена

Полезная модель относится к области материаловедения, в частности к технологии получения полимерных композиционных материалов (ПКМ), и может быть использовано при изготовлении заготовок и деталей металлополимерных узлов трения. Устройство для изготовления изделий из композиционных материалов служит для термообработки, прессованных заготовок, в закрытом устройстве, которое содержит пуансон и пружину сжатия, образующие совместно с матрицей внутреннюю полость, геометрия и размеры которой соответствуют размерам заготовки. С помощью регулировочного элемента в виде резьбовой крышки задают необходимое давление сжатия и спекают заготовки при температуре 360±5°C, затем охлаждают вместе с устройством. Технический результат, достигаемый при использовании устройства по изобретению, заключается в повышении характеристик механических и триботехнических свойств спекаемого композиционного материала. 1 з.п.ф., 2 ил.

Полезная модель относится к области материаловедения, в частности к технологии получения композиционных материалов и может быть использовано при изготовлении заготовок и деталей из полимерных композиционных материалов различного функционального назначения, например, деталей металлополимерных узлов трения машин и технологического оборудования.

Известно устройство (А.В. Горяинова и др. Фторопласты в машиностроении / М.: Машиностроение, 1971 - стр. 188), применяемое при изготовлении полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена для термообработки (спекания) прессованных заготовок, получаемых методом холодного прессования композиционной смеси из порошков полимера и наполнителей. Устройство состоит из плоского круглого диска с центральным отверстием, в котором жестко закреплен цилиндрический шток под углом 90° к плоскостям диска. Устройство содержит второй круглый диск, с центральным отверстием, установленным на штоке, и гайку с метрической резьбой закрепленную на штоке, имеющем метрическую резьбу на свободном конце.

Прессованные заготовки в форме круглых дисков с центральными отверстиями устанавливаются на шток, между заготовками устанавливаются тонкие металлические диски для исключения контакта между заготовками, сверху устанавливается второй диск приспособления и заготовки сжимаются с заданным усилием с помощью резьбовой гайки, создавая внутренние, сжимающие напряжения. При термообработке заготовок в таком устройстве, вследствие давления сжатия, повышается уровень адгезионного взаимодействия между частицами композиционного материала, увеличивается плотность и улучшаются физико-механические свойства композита.

В то же время использование этого устройства имеет ряд недостатков. Ограничение теплового расширения реализуется только в осевом направлении, а в радиальном направлении такого ограничения нет. Поэтому при нагреве заготовки расширяются в радиальном направлении, наибольшее расширение происходит в средней части по высоте (толщине) заготовок и они приобретают бочкообразную форму. Полученные композиционные материалы обладают повышенными механическими и триботехническими свойствами. Однако значительное тепловое расширение в радиальном направлении значительно ограничивают возможность повышения характеристик полимерных композитов.

Известно закрытое устройство для спекания заготовок полимерных композитов, полученных холодным прессованием (Патент РФ 2266925, МПК C08J 5/500, B29C 43/56 опубл. 27.12.2005). Устройство обеспечивает натяг между заготовкой и формой в результате теплового расширения заготовки при нагреве до 350°C. Устройство содержит матрицу в форме полого цилиндра с цилиндрической или конической внутренней полостью, пуансон в форме плоского круглого кольца и крышку в форме плоского круглого кольца или в форме усеченного конуса с круглым фланцем, крышка и пуансон крепятся к матрице с помощью болтов.

Рассматриваемое устройство наиболее близко по технической сущности к предлагаемому изобретению, однако ему также присущи недостатки, снижающие характеристики физико-механических свойств композиционного материала. Основной недостаток заключается в том, что тепловое расширение заготовок в виде цилиндрических или конических колец (показаны на фиг. 1-5 описания по патенту РФ 2266925) ограничивается только при идеальном совпадении геометрической формы и размеров внутренней полости с размерами изделия, однако это невозможно вследствие допусков на изготовление заготовок изделий и деталей устройства, назначаемых при их изготовлении. Поэтому при сборке устройства с заготовкой неизбежны зазоры между заготовкой и поверхностями внутренней полости. Это естественно значительно снижает возможный положительный эффект от спекания заготовки в закрытой форме. Кроме того, изготовление элементов устройства с коническими поверхностями при малых допусках на изготовление значительно усложняет технологию и трудоемкость изготовления технологической оснастки (закрытое устройство).

Технический результат полезной модели - повышение характеристик механических и триботехнических свойств спекаемого композиционного материала, а также упрощение и снижение трудоемкости изготовления технологической оснастки для производства полимерных композиционных материалов.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для изготовления изделий из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, содержащем матрицу, выполненную в виде стакана с внутренней цилиндрической полостью, диаметр которой соответствует наружному диаметру заготовки, соосно установленные в матрице пуансон и крышку, согласно заявленной полезной модели внутренняя цилиндрическая полость стакана выполнена ступенчатой, снабжена соосным плоским опорным диском для установки прессованной заготовки, пуансон установлен с возможностью перемещения в осевом направлении с помощью пружины сжатия, установленной между пуансоном и крышкой, имеющей резьбовое соединение с матрицей.

Для термообработки изделия в форме втулки пуансон может быть выполнен двухступенчатым, а опорный диск - с центральным отверстием, при этом меньший диаметр пуансона и диаметр отверстия в диске соответствуют внутреннему диаметру обрабатываемой детали.

Заявленное закрытое устройство для спекания (термообработки) прессованных заготовок из политетрафторэтилена обеспечивает всестороннее объемное ограничение теплового расширения заготовки и дополнительное регулируемое давление сжатия, создаваемое перед нагревом заготовок.

Сущность технического решения поясняется чертежом, где

- на фиг. 1 показано разработанное устройство, обеспечивающее термообработку изделий в форме круглых дисков;

- на фиг. 2 - вариант устройства, обеспечивающего термообработку изделий в форме втулки.

Устройство состоит из металлической матрицы 1, выполненной в виде полого цилиндрического стакана. В стакане установлен плоский опорный диск 2, необходимый для установки прессованной заготовки 3 и демонтажа ее после термообработки. Заготовка 3 объемно замыкается в матрице 1 с опорным диском 2 с помощью пуансона 4 и пружины 5. Матрица устройства закрывается резьбовой крышкой 6, выполняющей функцию регулировочного элемента, которым задается необходимое усилие сжатие пружины, для создания предварительного сжимающего напряжения в заготовке.

При нагреве собранного таким образом устройства, вследствие теплового расширения полимерной композиции в объеме заготовки развиваются значительные внутренние напряжения сжатия. Благодаря сжимающим напряжениям увеличиваются контактное давление и площадь взаимодействия между частицами полимерной матрицы и частицами наполнителей, что способствует формированию сильных адгезионных связей и развитию структурно-фазовых превращений, соответствующих повышению температуры.

Усилие сжатия пружины и ее жесткость рассчитаны из условия ограничения максимально допустимого давления сжатия и компенсации теплового расширения стальной матрицы, коэффициент теплового расширения которой на порядок меньше чем у полимерной заготовки.

Задаваемое давление сжатия в пределах 2-6 МПа создает напряженно-деформированное состояние в объеме прессованной заготовки и обеспечивает сохранение и усиление адгезионных связей между компонентами, сформированных при прессовании композиции, и значительно повышает характеристики механических и триботехнических свойств ПКМ.

Минимальное значение давления сжатия 2,0 МПа обеспечивает деформацию заготовки, необходимую для компенсации возможного изменения объема внутренней полости вследствие теплового расширения элементов закрытого устройства.

Максимальное давление сжатия 6,0 МПа определяется пределом текучести политетрафторэтилена при сжатии и процессом рекристаллизации, который начинается при достижении определенной величины напряжения и деформации ПТФЭ.

Проверку эффективности заявленного способа производили при изготовлении и исследовании ПКМ следующего состава: скрытокристаллический графит 8,0 масс. %, дисульфид молибдена 1,5 масс. %, углеродные нанотрубки 1,5 масс. %, ПТФЭ - остальное.

Изготовление изделий (образцов ПКМ для исследования механических и триботехнических свойств) производили следующим образом. Композицию из порошков смешивали в смесителе с частотой вращения ножей не менее 2800 мин^-1, прессовали заготовку под давлением 75 МПа, прессованную заготовку помещали в закрытое устройство, геометрия внутренней полости которого соответствует геометрии и размерам заготовки. С помощью регулировочного винта задавали давление 2,0 МПа и 6,0 МПа и спекали при температуре 360±5°C в течение 8-9 мин. на 1 мм толщины стенки изделия, охлаждали в форме от температуры спекания до 327°C со скоростью 0,3-0,4 град/мин, а далее до комнатной температуры - свободное охлаждение с печью.

Установленная в матрицу заготовка испытывает заданное давление сжатия, при этом в процессе нагрева практически полностью ограничивается ее тепловое расширение, поскольку заготовка предварительно подвергается давлению сжатия по всему объему. Давление сжатия значительно усиливается вследствие различия коэффициентов теплового расширения стального корпуса и ПТФЭ (при температуре 360°C в 25 раз). При нагреве заготовки до 360°C давление сжатия между частицами возрастает до 3,5 раз, как показывают расчеты, выполненные на имитационной модели.

На фиг. 2 показан вариант конструкции устройства, обеспечивающего термообработку изделия в форме цилиндрического кольца (втулки). Для установки такого изделия пуансон 4 выполнен двухступенчатым, а опорный диск с центральным отверстием. При этом вторая ступень имеет меньший диаметр, равный внутреннему диаметру обрабатываемого изделия (заготовки).

Для количественной оценки эффективности заявленного устройства проводили испытания образцов, изготовленных свободным спеканием и спеканием в заявленном устройстве. Определение предела прочности при растяжении _в и относительного удлинения при разрыве производили по методикам ГОСТ 11262-80, модуль упругости - по методике ГОСТ 9550-81. Износостойкость ПКМ определяли по скорости изнашивания на машине трения, по схеме трения «палец-диск». Пальцы диаметром 5 мм изготавливали из ПКМ на основе ПТФЭ, диск (контртело) - из закаленной углеродистой стали. Испытание вели при скорости скольжения 1,2 м/с и контактном давлении 1,5 МПа. В таблице 1 приведены показатели механических и триботехнических свойств образцов, полученных свободным спеканием и спеканием в заявленном устройстве при двух режимах: при давлении сжатия 2 МПа, при давлении 6 МПа. Из приведенных данных следует, что при спекании образцов в заявленном устройстве предел прочности повышается до 25%, модуль упругости - до 35%, скорость изнашивания уменьшается до 42%, коэффициент трения уменьшается на 17%.

Комплексное повышение характеристик механических и триботехнических свойств композиционного материала, спеченного (термообработанного) в заявленном приспособлении, выражающееся в повышении предела прочности и модуля упругости, а также снижении скорости изнашивания до 28%, 35%, 47% соответственно, позволяет существенно повысить работоспособность и значительно увеличить ресурс узлов трения (подшипников скольжения, герметизирующих устройств) машин в различных отраслях машиностроения.

1. Устройство для изготовления изделий из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, содержащее матрицу, выполненную в виде стакана с внутренней цилиндрической полостью, диаметр которой соответствует наружному диаметру заготовки, соосно установленные в матрице пуансон и крышку, отличающееся тем, что внутренняя цилиндрическая полость стакана выполнена ступенчатой, снабжена соосным плоским опорным диском для установки прессованной заготовки, пуансон установлен с возможностью перемещения в осевом направлении с помощью пружины сжатия, установленной между пуансоном и крышкой, имеющей резьбовое соединение с матрицей.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пуансон выполнен двухступенчатым, а опорный диск - с центральным отверстием, при этом меньший диаметр пуансона и диаметр отверстия в диске соответствуют внутреннему диаметру обрабатываемой детали.

РИСУНКИ