Фторопласт Ф-4К20

Фторопласт Ф-4К20 — композиционный материал на основе политетрафторэтилена (фторопласта Ф-4) с добавлением 20 % коксовой муки. Благодаря коксовому наполнителю износостойкость материала возрастает примерно в 600 раз по сравнению с ненаполненным Ф-4, а напряжение при 10 %-ной деформации сжатия увеличивается на 30 %. Материал имеет характерный чёрный цвет, поэтому в промышленной практике его часто называют «фторопласт чёрный».

Ф-4К20 сочетает химическую инертность базового ПТФЭ с повышенными механическими и триботехническими показателями, что делает его одним из наиболее востребованных наполненных фторопластов в машиностроении, компрессоростроении и химической промышленности.

Состав и расшифровка марки фторопласта Ф-4К20

Маркировка расшифровывается следующим образом:

• Ф-4 — фторопласт-4 (политетрафторэтилен, ПТФЭ);
• К — кокс (коксовая мука);
• 20 — массовая доля наполнителя 20 %.

Таким образом, Ф-4К20 представляет собой смесь порошка ПТФЭ с 20 % тонкоизмельчённой коксовой муки. Введение кокса значительно повышает износостойкость, жёсткость и теплопроводность полимера, при этом сохраняя основные преимущества фторопласта: химическую стойкость, низкий коэффициент трения и способность работать без смазки.

Физико-механические свойства фторопласта Ф-4К20

Ниже приведены основные физико-механические характеристики коксонаполненного фторопласта Ф-4К20 по данным технических условий.

По сравнению с ненаполненным фторопластом-4, марка Ф-4К20 демонстрирует существенно более высокую жёсткость и меньшую склонность к холодной текучести (ползучести). Это позволяет использовать материал в нагруженных уплотнительных узлах, где чистый ПТФЭ деформируется и теряет герметичность.

Теплофизические характеристики Ф-4К20

Введение коксовой муки увеличивает теплопроводность композита по сравнению с чистым ПТФЭ (0,25 Вт/(м·К) для Ф-4 против 0,23 Вт/(м·К) для Ф-4К20 — значения сопоставимы). Это способствует более равномерному отводу тепла из зоны трения, что положительно сказывается на ресурсе антифрикционных деталей.

Триботехнические свойства чёрного фторопласта Ф-4К20

Триботехнические параметры — ключевое преимущество марки Ф-4К20, определяющее её применение в узлах трения и уплотнительных системах.

Износостойкость Ф-4К20 примерно в 600 раз превышает показатели ненаполненного фторопласта-4. Это достигается за счёт того, что частицы коксовой муки выступают в роли твёрдого наполнителя, принимающего на себя часть контактных нагрузок и снижающего интенсивность разрушения полимерной матрицы. Параметр PV (произведение давления на скорость скольжения) характеризует предельно допустимый режим работы пары трения: чем выше значение PV, тем более нагруженные узлы допускают применение данного материала.

Рабочие температуры фторопласта Ф-4К20

Температурный диапазон эксплуатации изделий из Ф-4К20 зависит от условий применения:

Следует учитывать, что при нагреве выше +327 °С начинается плавление полимерной матрицы (ПТФЭ), а при температуре выше +415 °С — термическое разложение с выделением токсичных фтористых соединений. Поэтому при механической обработке заготовок из Ф-4К20 необходимо контролировать нагрев инструмента и детали, не допуская перегрева.

Нижний предел рабочих температур для композиции Ф-4К20 составляет −60 °С. Это отличает данную марку от чистого фторопласта-4, который допускает эксплуатацию до −200…−269 °С. Ограничение связано с тем, что при криогенных температурах коксовый наполнитель увеличивает хрупкость композита.

Химическая стойкость коксонаполненного фторопласта

Фторопласт Ф-4К20 сохраняет химическую инертность базового ПТФЭ и стоек к воздействию:

• минеральных и органических кислот (серная, соляная, азотная, уксусная, лимонная и др.);
• щелочей (натриевых, калиевых и др.);
• органических растворителей (бензин, толуол, ацетон, спирты);
• окислителей;
• углеводородных жидкостей и газов.

Исключения: материал не стоек к расплавам и растворам щелочных металлов (натрия, калия), элементарному фтору и трёхфтористому хлору при повышенных температурах. Эти среды способны разрушать связи C–F в полимерной цепи.

Водопоглощение Ф-4К20 за 24 часа составляет не более 0,03 %, что подтверждает высокую гидрофобность материала. Изделия из этой марки не впитывают влагу и сохраняют стабильные размеры во влажных средах.

Негорючесть и срок хранения

Фторопласт Ф-4К20 относится к негорючим и невоспламеняющимся материалам: в открытом пламени он не поддерживает горение. Это обусловлено высокой энергией связей C–F в полимерной цепи ПТФЭ.

Гарантийный срок хранения заготовок из Ф-4К20 составляет 12 лет с даты изготовления при соблюдении условий хранения. Это важный эксплуатационный фактор для снабженческих подразделений, позволяющий формировать долгосрочные запасы.

Формы поставки стержней, листов и втулок Ф-4К20

Заготовки из фторопласта Ф-4К20 выпускаются методом прессования из порошковой композиции с последующим спеканием при температуре около +360 °С. Основные формы поставки:

Стержни фторопластовые Ф-4К20

Стержни (прутки, кругляк) — наиболее распространённая форма заготовок. Прессованные чёрные стержни выпускаются в диапазоне диаметров от 10 до 300 мм, длиной от 40 до 1000 мм. Из стержней методами механической обработки (точение, фрезерование, сверление, нарезка резьбы) изготавливают поршневые кольца, втулки, вкладыши подшипников скольжения и другие детали.

Листы и пластины фторопластовые Ф-4К20

Листовой фторопласт Ф-4К20 применяется для изготовления плоских уплотнительных прокладок, накладных направляющих, антифрикционных футеровок. Типичные размеры листов: 300×300, 500×500, 1000×1000 мм, толщина — от 1 до 100 мм.

Втулки из фторопласта Ф-4К20

Втулки (кольцевые заготовки) позволяют уменьшить отходы при производстве подшипников скольжения, поршневых колец и уплотнительных манжет. Размеры втулок определяются конструкторской документацией конкретного изделия.

Механическая обработка заготовок из Ф-4К20

Коксонаполненный фторопласт хорошо поддаётся всем видам механической обработки: точению, фрезерованию, сверлению, шлифованию, вырубке. Обработка возможна как на металлорежущих станках, так и вручную. При этом следует учитывать ряд технологических нюансов:

• Инструмент. Рекомендуются твердосплавные или алмазные резцы. Быстрорежущие стали допустимы, но дают меньшую чистоту поверхности.
• Режимы резания. Скорость резания может быть высокой (200–500 м/мин), подача — умеренная. Глубина резания при чистовой обработке — не более 0,5 мм.
• Температурный контроль. При интенсивном резании необходимо следить, чтобы температура в зоне контакта не превышала +250 °С, иначе возможны размягчение и потеря точности размеров. Охлаждение — воздушное или эмульсией.
• Допуски. Из-за склонности ПТФЭ к температурному расширению и хладотекучести чистовую обработку рекомендуется проводить при стабильной температуре цеха (20±2 °С) и выдерживать заготовку перед обработкой не менее 24 часов для снятия остаточных напряжений.
• Стружка. При обработке Ф-4К20 образуется мелкодисперсная тёмная стружка. Рабочее место должно быть оборудовано системой вытяжки.

Применение фторопласта чёрного Ф-4К20 в промышленности

Ф-4К20 является наиболее универсальной из композиций на основе фторопласта-4 и применяется в широком спектре отраслей.

Уплотнительные изделия для подвижных соединений

Основная область применения — изготовление поршневых колец компрессоров, уплотнительных колец и вкладышей для гидравлических и пневматических цилиндров. Поршневые кольца из Ф-4К20 позволяют перевести компрессоры на безмасляный режим работы (без смазки цилиндров), что исключает загрязнение промышленных газов маслом. Это критически важно в пищевой, фармацевтической и газовой промышленности, где чистота рабочей среды — обязательное условие.

Следует учитывать, что применение Ф-4К20 для изготовления уплотнительных манжет ограничено из-за относительно низкой эластичности материала по сравнению с ненаполненным фторопластом-4. Для манжет в ряде случаев предпочтительнее стеклонаполненная композиция Ф-4С15, обладающая большей эластичностью.

Антифрикционные детали

Из Ф-4К20 изготавливают подшипники скольжения, направляющие втулки, опорные вкладыши. Низкий коэффициент трения (0,14–0,30 по стали) и высокая износостойкость позволяют деталям работать без смазки в течение длительного времени. Это особенно востребовано в агрегатах, где смазка нежелательна (контакт с пищевыми продуктами, чистые среды), затруднена или невозможна (труднодоступные узлы).

Химическая и нефтегазовая промышленность

Стойкость к кислотам, щелочам и растворителям позволяет использовать детали из Ф-4К20 в насосном оборудовании, запорной арматуре и трубопроводных системах, работающих с агрессивными средами. Материал применяется для уплотнений в реакторах, теплообменниках и ёмкостном оборудовании.

Компрессоростроение

Ф-4К20 пригоден для работы в условиях высокого вакуума в среде углеводородных газов, сухого воздуха, жидких углеводородов и растворителей. Поршневые кольца и направляющие элементы из этого материала обеспечивают герметичность без риска загрязнения перекачиваемых газов.

Общее и специальное машиностроение

Седла клапанов, опорные шайбы, дистанционные кольца, скользящие элементы конвейеров, зубчатые колёса в механизмах с малыми нагрузками — всё это типичные примеры использования Ф-4К20 в машиностроительной практике.

Преимущества Ф-4К20 перед ненаполненным фторопластом-4

Для инженера и снабженца важно понимать, когда целесообразно выбрать Ф-4К20 вместо базового фторопласта Ф-4:

Ф-4К20 предпочтителен для узлов трения и нагруженных уплотнений. Чистый Ф-4 остаётся выбором для криогенных условий, электроизоляционных применений и там, где требуется максимальная эластичность.

Другие композиции на основе фторопласта-4

Помимо Ф-4К20, в промышленности применяется ряд других композиционных материалов на основе ПТФЭ. Выбор конкретной марки определяется условиями эксплуатации:

Добавка 5 % дисульфида молибдена (MoS₂) к композициям Ф-4К20 и Ф-4С15 повышает их износостойкость в 1,6 раза и снижает коэффициент трения в 1,2 раза. Композиции с MoS₂ рекомендуются для работы в условиях влажных газов, в том числе с наличием конденсата.

Рекомендации по выбору марки для технолога и снабженца

При выборе композиционного фторопласта для конкретного узла следует учитывать:

• Тип узла. Для подшипников скольжения и поршневых колец оптимален Ф-4К20 или Ф-4К15М5. Для манжетных уплотнений — Ф-4С15 или Ф-4С15М5 (выше эластичность).
• Рабочая среда. В агрессивных газах без конденсата подходит Ф-4С15. При наличии влаги и конденсата — Ф-4К15М5 или Ф-4С15М5.
• Режим работы без смазки. Если смазка нежелательна или невозможна (пищевая промышленность, фармацевтика, чистые газы) — Ф-4К20 обеспечивает длительный ресурс без обслуживания.
• Температурный диапазон. При эксплуатации ниже −60 °С следует использовать ненаполненный фторопласт-4, так как Ф-4К20 становится хрупким при криогенных температурах.
• Вакуумные условия. Ф-4К20 пригоден для высокого вакуума в среде углеводородных газов и сухого воздуха.

Хранение и транспортировка заготовок из Ф-4К20

Заготовки из фторопласта Ф-4К20 хранят в закрытых складских помещениях, защищённых от прямого солнечного света, на расстоянии не менее 1 м от отопительных приборов. Материал не гигроскопичен и не требует специальных мер по защите от влаги. При соблюдении стандартных условий хранения гарантийный срок годности составляет 12 лет.

Транспортировка осуществляется любым видом крытого транспорта. При длительном хранении рекомендуется оборачивать заготовки в полиэтиленовую плёнку для защиты от загрязнений.