RU2603673C1 - Method of making articles from polytetrafluoroethylene based composite materials - Google Patents

Abstract

FIELD: materials science.

SUBSTANCE: invention relates to materials science, particularly to polytetrafluoroethylene based polymer composite materials production methods, and can be used for production of metal-polymer friction units workpieces and parts. Disclosed is method of making articles from polytetrafluoroethylene based polymer composite materials, whereby performing components mixing with polytetrafluoroethylene, workpieces cold pressing and following sintering, whereby before workpiece sintering, without extracting from mold is subjected to preliminary compression pressure within 0.2-0.5 MPa, pressed workpieces sintering is carried out directly in mold, at temperature of 355-365 °C.

EFFECT: improving sintered composite material mechanical and tribotechnical properties characteristics, as well as simplification and reducing labor intensiveness of tooling manufacturing and production of articles from polymer composite materials.

3 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение 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.The invention relates to the field of materials science, in particular to the technology for producing composite materials, and can be used in the manufacture of blanks and parts from polymer composite materials of various functional purposes, for example, parts of metal-polymer friction units of machines and technological equipment.

Известен способ двухстадийной переработки политетрафторэтилена (Пугачев А.К., Росляков О.А. Переработка фторопластов в изделия: технология и оборудование. - Химия, 1987. - 167 с. (стр. 9, 31, 32, 111, 112)), в основе которого двухстадийный процесс: 1) получение прессованной заготовки холодным прессованием, 2) последующая термическая обработка прессованной заготовки - свободное спекание без формы в печах при температуре 360-380°С. Рассматриваемому способу присущи следующие недостатки. При так называемом свободном спекании в печах происходит тепловое расширение компонентов прессованной заготовки и неизбежное ослабление и частичное разрушение связей между частицами композита, сформированных в процессе холодного прессования вследствие значительного сближения частиц и сжимающих напряжений. Нарушение названных связей существенно снижает эффективность процессов структурообразования при термообработке и приводит к значительному снижению механических и триботехнических свойств композита.A known method of two-stage processing of polytetrafluoroethylene (Pugachev A.K., Roslyakov O.A. Processing of fluoroplastics into products: technology and equipment. - Chemistry, 1987. - 167 S. (p. 9, 31, 32, 111, 112)), which is based on a two-stage process: 1) obtaining a pressed billet by cold pressing, 2) subsequent heat treatment of the pressed billet - free sintering without mold in furnaces at a temperature of 360-380 ° C. The considered method has the following disadvantages. In the so-called free sintering, the thermal expansion of the components of the pressed billet and the inevitable weakening and partial destruction of the bonds between the composite particles formed during the cold pressing due to the significant convergence of the particles and compressive stresses occur in the furnaces. Violation of these bonds significantly reduces the efficiency of structure formation processes during heat treatment and leads to a significant decrease in the mechanical and tribotechnical properties of the composite.

Известен способ изготовления полимерных композиционных материалов методом холодного прессования заготовок с последующим спеканием в закрытом устройстве (Патент РФ №2266925, МПК C08J 5/500, В29С 43/56, опубл. 27.12.2005). Этот способ также является двухстадийным. Согласно названному способу на второй стадии после установки прессованных заготовок в специальное закрытое устройство при нагреве устройства с заготовками появляется натяг между заготовкой и формой в результате теплового расширения заготовок при повышении температуры.A known method of manufacturing polymer composite materials by cold pressing of blanks followed by sintering in a closed device (RF Patent No. 2266925, IPC C08J 5/500, B29C 43/56, publ. 27.12.2005). This method is also a two-stage process. According to the method, in the second stage, after installing the pressed blanks in a special closed device, when the device with the blanks is heated, an interference appears between the blank and the mold as a result of thermal expansion of the blanks with increasing temperature.

Этот способ наиболее близок 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, имеющих, например, форму цилиндрических или конических колец (показаны на фиг. 1-5 описания по патенту РФ №2266925), полностью ограничивается только при идеальном совпадении геометрической формы и размеров внутренней полости устройства с размерами прессованной заготовки изделия. Однако это невозможно вследствие задаваемых допусков на изготовление заготовок, изделий и деталей устройства. Поэтому при сборке закрытого устройства с прессованной заготовкой неизбежны зазоры между заготовкой и поверхностями внутренней полости устройства. Наличие зазоров значительно снижает положительный эффект от спекания заготовки в закрытой форме и уровень характеристик физико-механических свойств готовых изделий. Кроме того, при извлечении прессованных заготовок из пресс-формы и установке их в закрытое устройство с минимальными зазорами, велика вероятность нарушения целостности хрупких прессованных, но еще неспеченых заготовок.This method is closest in technical essence to the proposed invention, however, it also has inherent disadvantages that reduce the characteristics of the physico-mechanical properties of the composite material. The main disadvantage is that the thermal expansion of workpieces having, for example, the shape of cylindrical or conical rings (shown in Fig. 1-5 of the description of the patent of the Russian Federation No. 2266925), is completely limited only when the geometric shape and dimensions of the internal cavity of the device match perfectly dimensions of the pressed blank of the product. However, this is not possible due to the set tolerances for the manufacture of blanks, products and device parts. Therefore, when assembling a closed device with a pressed blank, gaps between the blank and the surfaces of the internal cavity of the device are inevitable. The presence of gaps significantly reduces the positive effect of sintering the workpiece in closed form and the level of characteristics of the physicomechanical properties of the finished product. In addition, when removing pressed billets from the mold and installing them in a closed device with minimal gaps, there is a high probability of breaking the integrity of brittle pressed, but still unsintered billets.

Технический результат изобретения - повышение характеристик механических и триботехнических свойств спекаемого композиционного материала, а также упрощение и снижение трудоемкости изготовления технологической оснастки и производства изделий из полимерных композиционных материалов.The technical result of the invention is improving the mechanical and tribotechnical properties of the sintered composite material, as well as simplifying and reducing the complexity of manufacturing tooling and manufacturing products from polymer composite materials.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделий из полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, при котором осуществляют смешивание компонентов с политетрафторэтиленом, холодное прессование заготовок и последующее спекание, согласно заявляемому изобретению, после холодного прессования перед спеканием заготовку подвергают предварительному давлению сжатия в пределах 0,2-0,5 МПа. Нагрев и спекание прессованных заготовок производят непосредственно в пресс-форме, при температуре 355-365°С.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing products from polymer composite materials based on polytetrafluoroethylene, in which the components are mixed with polytetrafluoroethylene, cold pressing of the preforms and subsequent sintering, according to the claimed invention, after cold pressing before sintering, the preform is subjected to preliminary compression pressure within 0.2-0.5 MPa. Heating and sintering of pressed blanks is carried out directly in the mold, at a temperature of 355-365 ° C.

Предварительное давление сжатия создают с помощью груза, размещаемого на крышке пресс-формы с прессованной заготовкой, устанавливаемой в печь, либо для создания названного предварительного давления сжатия, пресс-форму с прессованной заготовкой устанавливают на пресс двухстороннего прессования, снабженный нагреваемыми верхней и нижней плитами, осуществляют предварительное давление сжатия в пределах 0,2-0,5 МПа и спекание заготовок непосредственно на прессе.The pre-compression pressure is created using a load placed on the cover of the mold with the pressed billet installed in the furnace, or to create the said preliminary compression pressure, the mold with the pressed billet is installed on the double-sided press equipped with heated upper and lower plates, preliminary compression pressure in the range of 0.2-0.5 MPa and sintering of the workpieces directly on the press.

Таким образом, технический результат достигается за счет перехода к одностадийному процессу, при котором прессованные заготовки спекают и охлаждают, не извлекая из пресс-формы.Thus, the technical result is achieved due to the transition to a one-stage process, in which the pressed blanks are sintered and cooled, without removing from the mold.

Сущность технического решения поясняется чертежами, где:The essence of the technical solution is illustrated by drawings, where:

- на фиг. 1 показана схема прессования и термообработки заготовок полимерных композиционных материалов в пресс-форме, состоящей из матрицы в виде полого стального цилиндра 1, нижнего пуансона 2, на котором формируется прессованная заготовка 3, верхнего пуансона 4, с установленной на нем крышкой 5;- in FIG. 1 shows a diagram of the pressing and heat treatment of preforms of polymer composite materials in a mold, consisting of a matrix in the form of a hollow steel cylinder 1, a lower punch 2, on which a pressed billet 3, an upper punch 4, with a lid 5 mounted on it;

- на фиг. 2 - схема прессования и термообработки заготовок на прессе двухстороннего прессования. В пресс-форме, состоящей из матрицы в виде полого стального цилиндра 1, нижнего пуансона 2, на котором формируется прессованная заготовка 3, и верхнего пуансона 4, причем пресс-форма установлена на прессе двухстороннего прессования с нагреваемыми плитами с возможностью взаимодействия верхнего пуансона 4 с верхней плитой 6 пресса, а матрицы 1 - с нижней плитой 7 пресса.- in FIG. 2 is a diagram of the pressing and heat treatment of workpieces on a double-sided press. In a mold consisting of a matrix in the form of a hollow steel cylinder 1, a lower punch 2, on which a pressed blank 3 is formed, and an upper punch 4, the mold being mounted on a double-sided press with heated plates with the possibility of the interaction of the upper punch 4 s the top plate 6 of the press, and the matrix 1 with the bottom plate 7 of the press.

При нагреве прессованной заготовки в пресс-форме (фиг. 1, фиг. 2) 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 обеспечивает формирование сильных адгезионных связей, эффективное развитие процессов формирования более совершенной структуры полимерной композиции и как следствие значительное повышение характеристик физико-механических свойств ПКМ.When heated, the pressed workpiece in the mold (Fig. 1, Fig. 2) due to thermal expansion of the polymer composition in the volume of the workpiece, significant internal compression stresses develop. Due to compressive stresses, the contact pressure and the interaction area between the particles of the polymer matrix and the filler particles increase, which ensures the formation of strong adhesive bonds, the effective development of the processes of formation of a more perfect structure of the polymer composition and, as a result, a significant increase in the characteristics of the physicomechanical properties of PCM.

Задаваемое перед спеканием предварительное давление сжатия в пределах 0,2-0,5 МПа позволяет сохранить напряженно-деформированное состояние в объеме прессованной заготовки и уровень адгезионных связей между компонентами, сформировавшихся при прессовании композиции, что способствует повышению характеристик механических и триботехнических свойств ПКМ. Нижний предел давления сжатия 0,2 МПа определяется тем, что при более низких значениях давления повышение характеристик механических и триботехнических свойств проявляется незначительно. Верхний предел предварительного давления определяется тем, что при более высоких значениях давления возможно резкое снижение характеристик ПКМ вследствие недопустимого увеличения давления сжатия при спекании заготовок, приводящего к растрескиванию и разрушению изделий.The preliminary compression pressure set before sintering in the range of 0.2-0.5 MPa allows you to maintain the stress-strain state in the volume of the pressed billet and the level of adhesive bonds between the components formed during the pressing of the composition, which helps to increase the characteristics of the mechanical and tribological properties of PCM. The lower limit of compression pressure of 0.2 MPa is determined by the fact that at lower pressure values, the increase in the characteristics of mechanical and tribological properties is not significant. The upper limit of the preliminary pressure is determined by the fact that at higher pressure values, a sharp decrease in the PCM characteristics is possible due to an unacceptable increase in the compression pressure during sintering of the workpieces, leading to cracking and destruction of products.

Проверку эффективности заявленного способа производили путем изготовления образцов и исследования характеристик ПКМ следующего состава: скрытокристаллический графит - 8,0 масс. %, дисульфид молибдена - 1,5 масс. %, белая сажа БС-120 - 3,0 масс. %, ПТФЭ - остальное.The effectiveness of the claimed method was verified by making samples and studying PCM characteristics of the following composition: cryptocrystalline graphite - 8.0 mass. %, molybdenum disulfide - 1.5 mass. %, white carbon black BS-120 - 3.0 mass. %, PTFE - the rest.

Изготовление образцов ПКМ для исследования характеристик механических и триботехнических свойств производили по следующей технологии. Композицию из порошков смешивали в смесителе с частотой вращения ножей 2800 мин^-1, прессовали заготовку под давлением 75 МПа, выдерживая под этим давлением в течение 3-5 мин. Затем пресс-форму закрывали крышкой (первая схема), создавали давление на крышку 0,2-0,5 МПа, нагревали пресс-форму с заготовками до температуры 355-365°С, выдерживали при этой температуре из расчета 8-9 мин на 1 мм толщины стенки изделия, охлаждали в пресс-форме до температуры 327°С со скоростью 0,3-0,4 град/мин, а далее до комнатной температуры - свободное охлаждение.Production of PCM samples to study the characteristics of mechanical and tribological properties was carried out according to the following technology. The composition of the powders was mixed in a mixer with a rotational speed of knives 2800 min ^-1 , the workpiece was pressed under a pressure of 75 MPa, keeping under this pressure for 3-5 minutes. Then the mold was closed with a lid (first scheme), pressure was applied to the lid 0.2-0.5 MPa, the mold with the blanks was heated to a temperature of 355-365 ° C, kept at this temperature at the rate of 8-9 min per 1 mm of the wall thickness of the product was cooled in a mold to a temperature of 327 ° C at a speed of 0.3-0.4 deg / min, and then to room temperature - free cooling.

Находящаяся в пресс-форме прессованная заготовка испытывает заданное предварительное давление сжатия, и в процессе нагрева практически полностью ограничивается ее объемное тепловое расширение. Поэтому давление сжатия значительно увеличивается при повышении температуры вследствие значительного различия коэффициентов теплового расширения стальной матрицы и ПТФЭ (при температуре 360°С в 25 раз). При нагреве заготовки до 360°С, как показывают расчеты, давление сжатия между частицами возрастает в 3,5 раза.The pressed billet in the mold experiences a predetermined pre-compression pressure, and its volumetric thermal expansion is almost completely limited during heating. Therefore, the compression pressure increases significantly with increasing temperature due to a significant difference in the thermal expansion coefficients of the steel matrix and PTFE (at a temperature of 360 ° C by 25 times). When the workpiece is heated to 360 ° C, as calculations show, the compression pressure between particles increases by 3.5 times.

Для количественной оценки эффективности заявленного способа проводили испытание образцов, изготовленных по известной технологии свободного спекания и по заявленному способу спеканием в пресс-форме при ограничении теплового расширения. Определение предела прочности при растяжении σ_в и относительного удлинения при разрыве δ производили по методикам ГОСТ 11262-80, модуля упругости - по методике ГОСТ 9550-81. Износостойкость ПКМ определяли по скорости изнашивания на машине трения, по схеме трения «палец-диск». Цилиндрические пальцы (образцы ПКМ) диаметром 5 мм испытывали при трении без смазки по стальному диску (контртело) из закаленной углеродистой стали. Испытание вели при скорости скольжения 1,2 м/с и контактном давлении 2,66 МПа. В таблице 1 приведены полученные значения характеристик механических и триботехнических свойств исследуемых образцов ПКМ.To quantify the effectiveness of the claimed method, we tested samples made by the known free sintering technology and by the claimed method by sintering in a mold while limiting thermal expansion. The tensile strength σ _in and the elongation at break δ were determined according to the methods of GOST 11262-80, the elastic modulus - according to the methods of GOST 9550-81. PCM wear resistance was determined by the wear rate on a friction machine, according to the finger-disk friction pattern. Cylindrical fingers (PCM samples) with a diameter of 5 mm were tested during friction without lubrication on a steel disk (counterbody) made of hardened carbon steel. The test was conducted at a sliding speed of 1.2 m / s and a contact pressure of 2.66 MPa. Table 1 shows the obtained values of the characteristics of the mechanical and tribological properties of the studied PCM samples.

Из приведенных данных следует, что при изготовлении образцов по заявленному способу предел прочности повышается на 26%, модуль упругости - на 35%, скорость изнашивания уменьшается на 43%.From the above data it follows that in the manufacture of samples according to the claimed method, the tensile strength increases by 26%, the modulus of elasticity - by 35%, the wear rate decreases by 43%.

Комплексное повышение характеристик механических и триботехнических свойств образцов композиционного материала, изготовленных по заявленному способу, выражающееся в значительном повышении предела прочности и модуля упругости, а также в снижении скорости изнашивания на 43%, позволяет существенно повысить работоспособность и значительно увеличить ресурс узлов трения (подшипников скольжения, герметизирующих устройств) машин в различных отраслях машиностроения.A comprehensive increase in the characteristics of the mechanical and tribotechnical properties of composite samples made according to the claimed method, which is expressed in a significant increase in the tensile strength and elastic modulus, as well as in a decrease in the wear rate by 43%, can significantly increase efficiency and significantly increase the service life of friction units (sliding bearings, sealing devices) machines in various branches of engineering.

Claims (3)

1. Способ изготовления изделий из полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, при котором осуществляют смешивание компонентов с политетрафторэтиленом, холодное прессование заготовок и последующее спекание, отличающийся тем, что перед спеканием заготовки, не извлекая из пресс-формы, подвергают предварительному давлению сжатия в пределах 0,2-0,5 МПа, спекание прессованных заготовок производят непосредственно в пресс-форме, при температуре 355-365°C.1. A method of manufacturing products from polymer composite materials based on polytetrafluoroethylene, in which the components are mixed with polytetrafluoroethylene, cold pressing of the preforms and subsequent sintering, characterized in that prior to sintering the preform, without removing from the mold, subjected to preliminary compression pressure within 0 , 2-0.5 MPa, sintering of pressed blanks is carried out directly in the mold, at a temperature of 355-365 ° C. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительное давление сжатия создают с помощью груза, размещаемого на крышке пресс-формы с прессованной заготовкой, устанавливаемой в печь для спекания.2. The method according to p. 1, characterized in that the preliminary compression pressure is created using a load placed on the cover of the mold with a pressed billet installed in the sintering furnace. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для создания предварительного давления сжатия пресс-форму с прессованной заготовкой устанавливают на пресс двухстороннего прессования, снабженный нагреваемыми верхней и нижней плитами, осуществляют предварительное давление сжатия и спекание заготовок непосредственно на прессе. 3. The method according to p. 1, characterized in that to create a preliminary compression pressure, the mold with the pressed billet is installed on a double-sided press equipped with heated upper and lower plates, the preliminary pressure of compression and sintering of the billets directly on the press are carried out.

Images