Износостойкие антифрикционные материалы на основе политетрафторэтилена.
Проблема повышения качества, надежности и долговечности машин является одной из основных задач современного машиностроения и имеет не только научно-техническое, но и важное экономическое значение.
Экстремальные условия эксплуатации машин и агрегатов, (т. е. высокие и низкие температуры, большие скорости и давления, агрессивные рабочие среды, вакуум и т. д.) не позволяют использовать в узлах трения материалы со смазкой вследствие выгорания последней, либо загрязнения ею технологических продуктов и многих других отрицательных эффектов. Отсюда и возникла острая необходимость в создании новых классов антифрикционных материалов, способных работать без смазки в узлах трения (1).
В условиях развития научно-технического прогресса, сопровождающегося широким использованием современной техники, работоспособными, высокоэффективными являются только самосмазывающиеся антифрикционные материалы.
Материалы триботехнического назначения должны обладать высокой износостойкостью и механической прочностью, теплостойкостью, достаточно высокой теплопроводностью, низким коэффициентом трения. Кроме того, эти материалы должны обеспечивать надежность и долговечность узлов трения машин, упрощать их эксплуатацию и ремонт, а также сохранять стабильность свойств в условиях хранения и удовлетворять ряд у специальных требований в конкретных случаях применения. Многообразие специфических условий эксплуатации послужило основанием для создания целой гаммы антифрикционных самосмазывающихся материалов, по применению которых в настоящее время накоплен огромный опыт, а использование в узлах трения различного оборудования деталей из углеродокерамических материалов, наполненных полимеров, силицированных графитов и др. стало традиционным.
Особое место в этом ряду занимают модифицированные наполнителями антифрикционные самосмазывающиеся материалы на основе политетрафторэтилена (фторопласта-4). Эти материалы получили наибольшее распространение благодаря целому комплексу уникальных свойств чистого фторопласта-4, а именно : его исключительной химической стойкости, тепло, термо и водостойкости, чрезвычайно высоким антифрикционным характеристикам, эластичности, способности оставаться работоспособным в широком интервале температур (от -269 до +260С) (2).
Однако в чистом виде политетрафторэтилен (ПТФЭ) обладает рядом недостатков: очень низкой теплопроводностью (0,24 Вт/м·К), высоким коэффициентом линейного расширения (8:-21*10
ºС
), зависящим от температуры, низким уровнем физико-механических свойств, ползучестью под нагрузкой (2). Введение функциональных наполнителей позволяет направленно улучшать эксплуатационные характеристики композиционных материалов с одновременным сохранением ценных свойств чистого полимера - ПТФЭ. Варьируя наполнителем (его видом, количеством) можно значительно улучшить физико-механические, теплофизические, технологические, триботехнические и другие свойства композиционных материалов, а именно: повысить механическую прочность, теплопроводность, твердость, износостойкость и предельно допустимые нагрузки, уменьшить термический коэффициент линейного расширения (3,4,5)
Модифицированные наполнителями антифрикционные самосмазывающиеся материалы на основе фторопласта-4, характеризуются низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью в различных средах, химической стойкостью негорючестью, тепло и водостойкостью, технологичностью в изготовлении и удобством в эксплуатации благодаря высокой эластичности и отсутствию хрупкости,
Во » на основе ПТФЭ разработан ряд материалов антифрикционного назначения с различной степенью наполнения и внедрен на Московском электродном заводе ( сегодня -МЭЗ» ), которые в полной мере отвечают вышеперечисленным требованиям, предъявляемым к материалам триботехнического назначения.
В настоящее время -МЭЗ» выпускает и предлагает потребителю четыре марки антифрикционных самосмазывающихся материалов на основе связующего фторопласта-4 :низкого наполнения-АФГ-80ВСи КВ, где основой (80% вес) для них служит фторопласт-4, а в качестве наполнителя - искусственный графит для материала АФГ-80ВС и многокомпонентный наполнитель, включающий кокс и ряд функциональных добавок для материала КВ; среднего наполнения – АФГМ, который содержит в своем составе 50% фторопласта-4 и двухкомпонентный наполнитель (искусственный графит и двусернистый молибден) ; высокого наполнения -7В-2А, где 70% вес составляет искусственный графит.
Контроль за качеством выпускаемых материалов в -МЭЗ» осуществляет заводская испытательная лаборатория, система менеджмента качества предприятия и сертифицирована на соответствие Международному стандарту ISO 9001 и (сертификат соответствия №РОСС RU. ИC 11.К. ООО89 от 21.11.02).
Нагрузочно-температурный диапазон применения всех выпускаемых антифрикционных самосмазывающихся материалов на основе фторопласта-4 широк и составляет по температуре от -200 до +250С, по нагрузкам от 1,5 до 5,0 МПа ( в зависимости от марки материала ), при этом линейные скорости допускаются в условиях сухого трения до 5м/с, а в режиме гидродинамического - до 30м/с. В качестве сопряженного металлического контртела при эксплуатации графитофторопластовых материалов используют стали без покрытия, стали с хромированным покрытием, бронзу, титан, оксидированный титан.
Компрессорная техника является основной областью применения материалов марок АФГ-80ВС и АФГМ, серийное производство которых было организовано специально для компрессоров без смазки (5).
Материал марки АФГ-80ВС успешно используют, в основном, в качестве поршневых уплотнительных и направляющих колец и сальниковых уплотнений компрессоров, сжимающих влажные газы. (1) На применение материала АФГ-80ВС в контакте с пищевыми продуктами имеется разрешение Государственного комитета санэпиднадзора Российской Федерации.
В НПП «Альфа-Диагностика » установлена возможность использования вышеуказанного материала в качестве манжет в пневмоцилиндрах манипуляторов и даны рекомендации к более широкому его внедрению в пневмосистемы машин на объектах атомной энергетики.
Композиционный материал марки АФГМ работоспособен без смазки в вакууме, осушенных газах ( воздух, кислород, азот, углекислый газ ). Наиболее широкое применение он нашел в качестве поршневых уплотнительных и направляющих колец в компрессорах, сжимающих вышеуказанные газы.(1,5) Преимущества применения в компрессорах графитофторопластовых материалов вышеуказанных марок заключаются в их высокой износостойкости, простоте изготовления и эксплуатации поршневых колец благодаря их высокой эластичности (5). В настоящее время на Балаковской АЭС в газовых компрессорах модели 2ГП-2,2/220, предназначенных для подачи осушенного газообразного азота в системы оборудования реакторных отделений, на 5-ой и 6-ой ступенях установлены выполненные из материала марки АФГМ поршневые кольца (направляющие и уплотнительные), рабочий ресурс которых составляет более 2-х месяцев. В менее напряженных условиях - на I, II, III, IV ступенях этих компрессоров применяют поршневые кольца из материала Ф4К20. Низконаполненный материал марки КВ и высоконаполненный марки 7В-2А эффективно используют в качестве радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в потоке маловязких жидкостей (антифриз, пресная и морская вода, спирт, нефтепродукты, различные водные растворы химических веществ и т. д.) при высоких скоростях скольжения и давлении.
С 1975 г. в конструкциях погружных скважинных насосов типа ЭЦВ и выпускаемых рядом предприятий РФ, надежно и высоко эффективно используют для упорных подшипников скольжения материал марки КВ. Например, на Тульском опытном заводе насосного оборудования, этот материал применяют в электронасосных скважинных агрегатах модели ЭЦВ, средний ресурс упорного подшипника до замены составляет 16000 часов.
В материал применяют вместо ранее используемой резины 3826, что позволило отказаться от изготовления «разгруженных» рабочих колец насосной части. При этом было достигнуто увеличение КПД насоса, повышена его надежность, упрощена технология изготовления рабочих колец. Гарантийный срок службы агрегатов типа ЭЦВ (ГОСТ 10428), выпускаемых в , с упорными подшипниками, выполненными из материала КВ, составляет 10500 часов, при этом износ должен быть не более 0,5 мм.
, выпускающее насосы типа ХП, АХП АХПО, с 1998 года использует в конструкциях этих агрегатов упорные подшипники из материала КВ. Высокие показатели надежности этих насосов подтверждены практикой их применения: за весь период эксплуатации (более 5-ти лет), рекламации от потребителей на предприятие-изготовитель не поступало. Согласно технической документации гарантийный срок службы насосов составляет не менее 3-х лет.
Графитофторопластовый материал марки 7В-2А применяют в качестве вкладышей радиальных и упорных подшипников скольжения различных насосов, в системах морских движителей, насосов АЭС.
Согласно данным, полученным в МВНПП «Морская техника», многолетняя практика эксплуатации опорных и упорных устройств выполненных из материала 7В-2А, в системах морских движителей показала их высокую степень надежности и исключительную износостойкость при условии выполнения требований к конструкции, монтажу и эксплуатационным параметрам. Необходимо отметить особую область высокоэффективного применения материала 7В-2А в атомной энергетике. Этот материал, выпускаемый Московским электродным заводом серийно с начала 70-х годов, применяют в циркуляционных насосах на объектах атомной энергетики России СНГ, стран Дальнего зарубежья.
С 1991г. материал марки 7В-2А выпускается (взамен ОСТ ) по ТУ 0 «Заготовки из графитофторопластового материала марки 7В-2А для объектов атомной энергетики», согласованным с ГАН. По данным филиала «Калининская атомная станция» на насосном оборудовании блоков №1,2 (насосные агрегаты 24А-18-1-1 Свесский насосный завод Украина, 170ДПВ-12/22ЭГ и ОПВ-2/185 Уралгидромаш) с 1993 года вместо резинометаллических вкладышей подшипников скольжения успешно применяют вкладыши из материала 7В-2А, что позволило увеличить моторесурс нижних подшипников циркуляционных насосов и промежуточных подшипников артезианских насосов в три раза.
Жесткие требования, предъявляемые к главным циркуляционным насосам (ГЦН) для АЭС, где в качестве вкладышей радиально осевых подшипников используют материал марки 7В-2А, обусловлены назначением и специфическими условиями их эксплуатации (бесперебойный теплоотвод от реактора, высокая температура и повышенное давление рабочей жидкости и т. д.) Отсюда понятно насколько важна и ответственна роль комплектующих ГЦН, в том числе и материала 7В-2А.
-МЭЗ» в 90-е годы, как и многие, ему подобные в отрасли предприятия, пережил тяжелый перестроечный период в силу известных, происходивших в это время в стране событий. Следствием этого явилась остановка промышленного участка и прекращение выпуска антифрикционных материалов на основе политетрафторэтилена.
Однако отсутствие аналогов, равнозначных по работоспособности материалу марки7В-2А послужило основанием для постановки вопроса перед разработчиками и производителями этого материала о необходимости восстановления его серийного выпуска.
В течение 2000г. в «-МЭЗ» был восстановлен и введен в действие промышленный участок по выпуску графитофторопластовых антифрикционных материалов, в том числе и материала марки 7В-2А.
В связи с переходом на новое сырье - смоляной кокс (КС) ТУЕЕТУ8:2000 при получении наполнителя марки АГ-1500 для материала 7В-2А взамен традиционного используемого для всех конструкционных графитов (в том числе и антифрикционных) кокса КНПС (кокс нефтяной пиролизный специальный), выпуск которого был в начале 90-х годов в связи с его экономической нерентабельностью прекращен, специалистами », НТЦ «Энергонасос ЦКБМ» и -МЭЗ» был проведен полный комплекс исследований по оценке качества вновь выпускаемого с 2000 г. материала марки 7В-2А.
Триботехнические испытания материала были проведены в НТЦ «Энергонасос - ЦКБМ» в соответствии с «Методикой исследования триботехнических характеристик антифрикционных материалов « № 000-84-ПМ51» (6).
Условия испытаний образцов следующие:
-частота вращения вала машины трения -3000 об/мин;
-рабочая среда - дистиллированная вода;
-температура среды-(100+-3С)
-давление среды-(6…7) кгс/см²
-удельные нагрузки на образцы - в диапазоне(6…18) кгс/см²
В результате выполненных исследований было установлено, что материал 7В-2А обладает высокой износостойкостью, скорость изнашивания составила от 0,0045 до 0,069 мкм/час и низким коэффициентом трения (от 0,019 до 0,025) во всем диапазоне исследованных нагрузок.
Анализ статистических данных по физико-механическим и теплофизическим свойствам материала 7В-2А показал, что материал вполне удовлетворяет требованиям ТУ 0.
В целом весь комплекс проведенных испытаний позволил установить, что, независимо от применения кокса КНПС или КС при получении наполнителя графита АГ-1500, материал марки 7В-2А имеет весьма близкие триботехнические характеристики, прочностные и теплофизические свойства, позволяющие применять этот материал в качестве вкладышей радиально-осевых подшипников главных циркуляционных насосов для АЭС без уменьшения гарантированного ресурса (16000 часов ). С учетом длительного и надежного использования графитофторопласта марки 7В-2А в циркуляционных насосах на объектах атомной энергетики этот материал рекомендован для более широкого применения в насосном оборудовании и системах технического водоснабжения АЭС. Приведенные выше в этой статье примеры использования антифрикционных самосмазывающихся материалов на основные фторопласта-4 не исчерпывают всех областей их возможного применения в народном хозяйстве, атомной энергетике, спец. технике. В заключение следует добавить, что -МЭЗ» стремится сотрудничать со всеми потребителями, которые проявляют интерес к выпускаемой продукции, на основе взаимовыгодных и долгосрочных контактов. Компания предлагает широкую номенклатуру типоразмеров выпускаемых заготовок всех марок материалов, возможность изготовления деталей по чертежам заказчика, поставки опытных партий, консультации специалистов по выбору и применению материалов в конкретных условиях эксплуатации, специальную систему скидок на действующие цены, а так же гарантирует своевременность поставок продукции.
Список литературы
1. Д «Применение антифрикционных материалов на основе углерода». М., Цниицветмет экономики и информации, 1979.
2. , , Фторопласты, Л. Государственное научно-техническое изд-во химической литературы, 1960.
3. Справочник. Полимеры в узлах трения машини 4 приборов. М, Машиностроение, 1988.
4. , . Переработка фторопластов в изделия, Л, «Химия». Ленинград отд. 1987 г.
5. , , «Бессмазочные прошневые уплотнения в компрессорах» Л., Машиностроение, 1981.
6. Отчет НТЦ «Энергонасос ЦКБМ» «Исследования зависимости свойств материала марки 7В-2А от сырьевых и технологических изменений». С. Петербург, Сосновый Бор, 2003 г.
Зав. лабораторией »
Ведущий специалист
по антифрикционным материалам
-МЭЗ»
