Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Физического материаловедения»

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

По курсу: «Неметаллические материалы»

По теме «Выбор материала по заданным условиям»

Проверила: доц. Снижко О.А.

Выполнил: ст. гр. ПМ-09

Жук А.Н.

Донецк, 2012

ЗАДАНИЕ

Выбрать неметаллический материал для изготовления подшипника скольжения узла рабочего валка если нужен низкий коэффициент трения в работе со сталью, высокая износостойкость. Предел прочности на сжатие 200 Н/мм². Валок работает со скоростью 250 об/мин, температура работы не превышает 125^оС. Охарактеризовать материал и способ получения выбора.

Согласно представленным требованиям, материал из которого планируется изготовлять изделие должен иметь достаточно высокий предел прочности на сжатие, низкий коэффициент трения в работе со сталью, и высокую износостойкость. Верхняя граница предела рабочих температур не превышает 125^оС.

Наиболее подходящим материалом является политетрафторэтилен, известен как фторопласт-4 или тефлон(гафлон, гостафлон, флуон, алгофлон, полифлон).

Основным элементом, входящим во фторополимеры, является фтор. В природе фтор встречается главным образом в виде соединений с кальцием и алюминием. Значительное количество фтора содержится в фосфоритах и апатитах[1].

Фтор обладает наибольшей реакционной способностью среди неметаллических элементов, являясь даже более сильным окислителем, чем озон. Он активно взаимодействует почти со всеми веществами, в том числе и инертными газами, а при нагреве энергично взаимодействует даже с металлами платиновой группы. Реакции с фтором отличаются высоким тепловым эффектом, что является свидетельством высокой энергии образующихся связей.

Свободный фтор – газ бледно-желтого цвета, имеющий резкий раздражающий запах. При -187^оС фтор переходит в ярко желтую жидкость. Плотность фтора составляет 1,513 г/см³. Простейшим является соединение фтора с водородом – фтористый водород. Он служит исходным продуктом синтеза самых различных фтороорганических соединений. Твёрдые фторорганические полимерные материалы являются чрезвычайно стойкими к действию окислителей, щелочей, кислот, жидких металлов, микроорганизмов.

Исходным мономером для получения политетрафторэтилена (ПТФЭ) является тетрафторэтилен CF­₂= CF­_2, который представляет собой бесцветное газообразное вещество без запаха. Температура плавления тетрафторэтилена – 145,5^оС, температура кипения – 76,3^оС, плотность при температуре кипения 1,519 г/см³. Под действием тепла тетрафторэтилен разлагается, образуя тетрафторметан, углерод и высшие фторуглероды. Другой представитель непредельных углеродов – гексафторпропилен (CF₂=CF - CF₃), применят для приготовления сополимеров с тетрафторэтиленом и фтористым винилиденом. Температура плавления гексафторппропилена – 156,2^оС, температура кипения – 29,4^оС и плотность при температуре -40^оС равна 1,583 г/см³[1].

Основное применение металлофторопластовых подшипников - в узлах сухого трения. В узлах трения многих видов оборудования недопустимо или крайне нежелательно применение смазки. Например, по техно­логии производства часто исключается смазка в машинах пищевой, текстильной, бумажной и химической промышленности. Металлофторопластовый материал без смазки при малых скоростях допускает очень большие нагрузки (до 350МПа). Со­храняет работоспособность в интервале температур от -200 до +280°С. При темпе­ратуре свыше +120°Снагрузочная способ­ность постепенно снижается; при темпера­туре +280°С достигает примерно половины начальной величины. При низких скоро­стях скольжения (0,05—0,1м/с) и высоких нагрузках коэффициент трения материала минимальный. При нагрузках в пределах 0,1 — 10МПа и при скоростях скольжения 0,2—5м/с коэффициент трения может из­меняться от 0,1 до 0,2, т. е. быть в пределах обычных подшипниковых материалов при граничной смазке[2].

Повышение скорости скольжения при сохранении температуры увеличивает ко­эффициент трения. В зависимости от режимов работы коэффициент трения подшипников в период нормальной работы без смазки может быть в пределах 0,04—0,23.

Наиболее рациональными и эффектив­ными материалами являются ленточные. Основой их является стальная лента, на которую нанесен тонкий пористый метал­лический слой антифрикционного сплава, поры которого заполняются фторопластом.

Таблица 1.1 - Размеры ленты МФЛ

Толщина ленты, мм	Ширина, мм	Длина полос, мм
Общая	Стальной основы	Антифрикционного слоя
1,1 1,6 2,6	0,75 1,30 2,30	0,35 0,30 0,30	75; 100	500-2000

Из металлофторопластовой ленты (МФЛ) штамповкой и калибровкой изго­товляют неразъемные, разъемные и откры­тые подшипники. К неразъемным относят­ся свертные втулки.

Металлофторопластовая лента состоит из трех слоев:

1) основы в виде полос из сталей 08кп, 10кп, покрытых слоем красной меди M1 или латуни Л90;

2) порошкового пористого слоя из сфе­рических гранул бронзы, напеченных на стальную ленту;

3) фторопластового слоя с наполните­лем, покрывающим тонкой пленкой грану­лы бронзы и заполняющим пустоты порис­того слоя бронзы.

Исследования работоспособности под­шипников из МФЛ подтвердили сравни­тельно высокую стабильность их анти­фрикционных свойств при повышении температуры. Однако более длительные их испытания приводили к износу верхнего приработочного слоя ленты и оголению бронзы. С течением времени (особенно быстро при трении без смазки и больших нагрузках) был заметен дальнейший износ ленты. При введении жидкого масла или пластичного смазочного материала скорость изнашивания материала заметно уменьши­лась.

Срок службы подшипников зависит от их габаритов, твердости и шероховатости рабочей поверхности стального вала. С уменьшением рабочего диаметра и увеличением шероховатости вала более Ra 0,32мкм скорость изнашивания подшип­ников заметно повышалась.

Влияние твердости стального вала на скорость изнашивания менее заметно. Так, при прочих одинаковых условиях срок службы подшипников при трении по неза­каленному валу всего на 14% меньше, чем при трении по закаленному валу с HRC > 45.

Так как слой ПТФЭ (политетрафтор­этилен) на ленте имеет незначительную толщину, то теплопроводность этого ком­бинированного материала близка теплопро­водности металла ленты. В процессе изнашивания теплопроводность ленты изменя­лась от 14,7 до 33,8Вт/(м·°С) при рекомен­дованном расчетном его значении 28Вт/(м·°С). Столь высокие значения теп­лопроводности ленты предопределяют (на­ряду с низким коэффициентом трения) низкую температурную напряженность экс­плуатации этих подшипников.

Подшипники из МФЛ в основном при­меняют в узлах, где смазывание недопусти­мо или затруднено, что позволяет упро­стить обслуживание и повысить надежность эксплуатации машин.

Ленточный материал, где в качестве ан­тифрикционного слоя использован ПТФЭ (37%) со свинцом (50%) и фенолформальдегидной смолой (13%), выпускают в Гер­мании под маркой Спрелафлои (SF). Пре­имуществом подшипников из этого мате­риала является возможность механической обработки рабочей поверхности. Ленточ­ный материал SFa, SFb, и SFc различается толщиной антифрикционного слоя. Выпус­кают также втулки из композиционного материала SFm, который не спекается со стальной лентой и уступает ленточному материалу по износостойкости, допусти­мым нагрузкам и температуре эксплуата­ции.

Материал SF рекомендуется применять для подшипников, в которых смазывание не может осуществляться или исключается по технологическим соображениям, либо когда вследствие малой скорости скольже­ния или качательного движения вала не может образовываться смазочная пленка. Эти материалы наиболее часто используют для изготовления узлов рулевого и педаль­ного управления автомобилями, текстиль­ного, пищевого и медицинского оборудова­ния, а также для накладных направляющих. Втулки из композиционного материала рекомендуется применять в агрессивных средах.

Работоспособность ленточного материла SF в тяжелонагруженных шарнирах при давлении 70МПа и скорости скольжения 0,02м/с: амплитуда колебаний ±2° при частоте 1,9Гц; коэффициент трения ста­бильный и не превышает 0,041, температу­ра 27°С. (Коэффициент трения для МФЛ несколько выше — 0,05, температура — около 35°С.) После 60000 двойных ходов износ подшипников из SF составил всего 4мкм.

О целесообразности использования ма­териала SF для подшипников свидетельст­вует их многолетняя эксплуатация в узлах различных металлорежущих станков.

Согласно этой исчерпывающей информации, данный материал, является наилучшим выбором для изготовления подшипников скольжения, работающих в данных условиях, т.к. такие возможные материалы как древесный пластик, полиамиды, капрон, текстолит, пластифицированные древесины(лингстоны) и углепластик не удовлетворяют по многим требованиям, такие как предельная прочность на сжатие и температурный интервал работы.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Семёнов А.П., Савинский Ю.Э., Металлографические подшипники. М., «Машиностроение», 1976, 192 с. с ил.

2. Анурьев В.И., Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т.: Т.2. – 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. – М.: Машиностроение, 2001. – 912 с.: ил.

Дата добавления: 2015-08-28