способ изготовления антифрикционных материалов

Формула изобретения

Способ изготовления антифрикционных материалов, включающий операции спекания или напекания пористого металлического каркаса преимущественно из сферических частиц оловянистой бронзы на стальную подложку в восстановительной среде при температуре 860÷880°С в течение 1,5÷2 ч, нанесения на его поверхность слоя фторопластовой суспензии, впрессовывание ее в поры металлического каркаса, сушку фторопластовой суспензии при температуре 85÷95°С в течение 2÷2,5 ч и ее спекание при температуре 360÷380°С в течение 1,0÷1,5 ч в восстановительной среде, отличающийся тем, что на поверхность спеченного или напеченного пористого металлического каркаса устанавливают эластичную кольцевую прокладку высотой H_n=К(h_ф+h_мк·П _мк),

где К - коэффициент, взятый в пределах 1,1÷1,4;

h_ф - требуемая толщина фторопластового слоя на поверхности металлического каркаса;

h_мк и П_мк - толщина и пористость металлического каркаса,

а ширину прокладки В выбирают в пределах 0,8÷2,0 H_n, затем полностью заполняют внутренний объем эластичной кольцевой прокладки фторопластовой композицией, имеющей концентрацию политетрафторэтилена в диапазоне 70-80 мас.%, и получаемой путем смешивания фторопластовой суспензии и фторопластового порошка, после чего производят осадку слоя фторопластовой композиции вместе с эластичным кольцом до высоты h_ф и удаление эластичного кольца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства антифрикционных материалов, изготовляемых методом порошковой металлургии и используемых в различных отраслях промышленности.

Высокие антифрикционные характеристики фторопласта (политетрафторэтилена), его химическая стойкость и возможность работы без смазки или со смазкой водой стимулируют разработку всевозможных композиционных материалов, состоящих из пористого металлического каркаса, обеспечивающего прочность антифрикционного материала, и политетрафторэтиленового наполнителя. В качестве металлического каркаса чаще всего используется спеченный порошок оловянистой бронзы. Для введения политетрафторэтилена в поры металлического каркаса предложены различные способы, отличающиеся значительной трудоемкостью и сложностью.

Так, например, способ вакуумной пропитки порошковых втулок водной суспензией фторопласта заключается в том, что пористые детали вакуумируются в специальной камере при остаточном давлении 1,5-4,0 кПа. После установления необходимого разрежения в камеру впускается суспензия фторопласта с таким расчетом, чтобы полностью покрыть пропитываемые детали. Затем вакуумная камера сообщается с атмосферой. Под давлением воздуха суспензия вдавливается в поры деталей. Полностью поры порошковой детали заполняются после 8-10 пропиток, т.к. суспензия содержит 40-50% фторопласта. После пропитки материал спекается при температуре 360-380°С в восстановительной среде (И.Д.Радомысельский, Д.С.Ясь, В.И.Павленко. Производство и использование порошковых деталей в легкой промышленности. Киев: Техника, 1982 г., 175 с.). Недостатком способа является повышенная сложность и длительность процесса пропитки.

Другой способ заключается во впрессовывании листового или порошкообразного фторопласта под давлением 200-250 МПа и температуре 360-380°С при длительных выдержках (до 20 минут) и охлаждении под давлением (И.М.Федорченко, Д.И.Пугина Композиционные спеченные антифрикционные материалы. Киев: Наукова думка, 1980, 404 с.). Недостатками этого способа являются: необходимость высоких давлений, что может вызвать повреждения пористой основы; длительность приложения нагрузки; необходимость охлаждения под давлением, т.к. фторопласт при снятии давления стремится выйти из пор.

В качестве прототипа принято изобретение "Способ заполнения пористого металлического слоя", а.с. СССР №327967, опубл. "Бюллетень изобретений" №6, 1972, авторы Семенов А.П. и др. Способ включает операции спекания или напекания пористого металлического каркаса, преимущественно из сферических частиц оловянистой бронзы, на стальную подложку в восстановительной среде при температуре 860-880°С в течение 1,5-2 часов, нанесения на его поверхность слоя фторопластовой суспензии, впрессовывание ее в поры посредством многократного движения пуансона сложной формы, сушку фторопластовой пасты при температуре (85-95)°С в течение (2-2,5) часов и ее спекание при температуре (360-380)°С в течение (1,0-1,5) часов в восстановительной среде. Недостатком прототипа является его высокая трудоемкость изготовления и невозможность получения толщины фторопластового слоя в широких пределах, что снижает технические и технологические возможности при изготовлении и эксплуатации антифрикционных и триботехнических узлов машин и механизмов, используемых в различных отраслях промышленности.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости изготовления антифрикционных материалов и возможность получения толщины фторопластового слоя в широких нескольких десятков долей миллиметра до нескольких миллиметров, что, в свою очередь, дает возможность как калибрования, так и механической обработки поверхности антифрикционных и триботехнических узлов машин и механизмов для получения требуемой точности размеров в зависимости от возможностей предприятий-изготовителей подшипников и технических требований к их эксплуатации в составе различных механизмов.

Технический результат достигается за счет того, что на поверхность спеченного или напеченного пористого металлического каркаса устанавливают эластичную кольцевую прокладку высотой Hn=К(h_ф+h_мк·П_мк), где К - коэффициент, взятый в пределах от 1,1 до 1,4; h_ф - требуемая толщина фторопластового слоя на поверхности металлического каркаса; h_мк и П_мк - толщина и пористость металлического каркаса, а ширину прокладки В выбирают в пределах 0,8-2,0 Hn, затем полностью заполняют внутренний объем эластичной кольцевой прокладки фторопластовой композицией, имеющей концентрацию политетрафторэтилена в диапазоне 70-80 мас.% и получаемой путем смешивания фторопластовой суспензии и фторопластового порошка, после чего производят осадку слоя фторопластовой композиции вместе с эластичным кольцом до высоты h_ф и удаление эластичного кольца.

В основе изобретения лежит экспериментально обнаруженные авторами особые реологические свойства фторопластовой композиции в диапазоне концентраций политетрафторэтилена 70-80 мас.%. В указанном диапазоне удается получить оптимальную степень заполнения пор политетрафторэтиленом (до 90-96%) за один цикл впрессовывания суспензии. Остаточная вода при этом вытесняется из суспензии и удаляется через отверстия в стальной подложке (см. чертеж). Величина осадки слоя фторопластовой композиции определяется необходимостью, во-первых, заполнить поры слоя пористого каркаса и, во-вторых, выдавить из композиции излишнюю воду.

Высота эластичной кольцевой прокладки Hn определяется начальной высотой слоя композиции, которая, в свою очередь, зависит от требуемой толщины слоя фторопласта (h_ф), толщины (h_мк) и пористостости (П _мк) металлического каркаса. Потребная толщина слоя фторопласта зависит от условий эксплуатации и принятой технологии изготовления подшипников и колеблется от нескольких десятков миллиметров до нескольких миллиметров. Требования к точности размеров подшипников весьма велики, поэтому они либо калибруются, либо обрабатываются механически. В первом случае толщина слоя фторопласта составляет десятые доли миллиметра, во втором случае - миллиметры.

Ширина упругого элемента (В) должна быть взята в пределах от 0,8 до 2 его высоты. При меньшей ширине в процессе деформации возможна потеря устойчивости, при большей ширине требуются слишком большие усилия осадки.

При концентрации политетрафторэтилена меньше 70% фторопластовая композиция представляет собой сметанообразную субстанцию, которая легко входит в поры пористого каркаса, однако при этом не происходит отжима воды, в связи с чем приходится проводить несколько циклов впрессовывание-сушка, чтобы добиться степени заполнения пор порядка 90-96%, и трудоемкость изготовления возрастает. При концентрации политетрафторэтилена больше 80% фторопластовая композиция приобретает свойства упругого тела. Она с большим трудом входит в поры каркаса, пружинит и растрескивается, что ухудшает степень заполнения пор и качество антифрикционных материалов. Поэтому оптимальная концентрация политетрафторэтилена составляет 70-80 мас.%.

Примеры реализации изобретения приведены в таблице. Опробывание было проведено на фторопластовой композиции, изготовленной из смеси водной суспензии политетрафторэтилена марки Ф-4Д по ТУ 6-05-1246-76 и порошка марки 4ТМ по СТП 6-00-05807960-138-99.

Таблица Пример реализации изобретения
	Характерные признаки способа и полученные результаты	Предлагаемый способ			Прототип
		Нижнее значение	Среднее значение	Верхнее значение
Характерные признаки способа	Концентрация политетрафторэтилена в композиции, мас.%	70	75	80	40-50
	Коэффициент К	1,4	1,3	1,1	-
	Толщина слоя фторопласта hф, мм	0,5	2	5	0,4-0.6
	Толщина бронзового слоя h мк, мм	2	3	4	3
	Пористость бронзового слоя, %	30	36	40	36
	Высота упругого элемента и толщина слоя фторопластовой композиции Hn, мм	1.5	4	7,5	-
	Отношение ширины упругого элемента В к высоте Hn	0,8	1	2	-
	Ширина упругого элемента, мм	1,2	4	15	-
	Величина осадки упругого элемента и слоя фторопластовой композиции (Hn-hф), мм	1	2	2,5	-
Результаты реализации способа	Степень заполнения пор бронзового каркаса (%)	90	96	92	76
	Характеристика результатов	1. Заполнение пор за 1 цикл впрессовывания			1. Заполнение пор за 6-8 циклов впрессовывания
		2. Возможность получения толщины фторопластового слоя в широких пределах (0,5-5)мм			2. Толщина фторопластового слоя 0,4-0,6 мм.

Пористый металлический каркас был получен путем нанесения распыленного порошка оловянистой бронзы марки ПРБ-1 по ТУ 0218451-96 на стальную подложку.

Приведенные в таблице данные подтверждают правильность предложенного решения и выбранных параметров способа.

Экономический эффект изобретения определяется снижением трудоемкости изготовления подшипников в 2-2,5 раза.

Экологический эффект определяется возможностью эксплуатации подшипников без смазки или со смазкой водой, что исключает попадание нефтепродуктов в естественные водоемы.