Ф4УВ20Бр20 композиционный материал

Ф4УВ20Бр20 — полимерный композиционный материал на основе фторопласта-4 (политетрафторэтилена, ПТФЭ), наполненного углеродным волокном и порошком бронзы. По классификации относится к группе углефторопластов. Сочетание двух различных наполнителей в одной матрице формирует комплекс эксплуатационных свойств, который невозможно получить при использовании каждого из наполнителей в отдельности.

Композит разработан для работы в узлах трения, где одновременно требуются высокая износостойкость, эффективный отвод тепла и стабильность размеров под нагрузкой. Благодаря комбинированному наполнению материал занимает промежуточное положение между углефторопластами серии Ф4УВ и бронзонаполненными фторопластами типа Ф4Бр40, объединяя преимущества обоих направлений.

Состав и расшифровка марки Ф4УВ20Бр20

Обозначение марки полностью описывает состав материала:

• Ф4 — фторопласт-4 (политетрафторэтилен, ПТФЭ) — полимерная матрица, составляющая не менее 60 % массы;
• УВ20 — углеродное волокно в количестве 20 % по массе;
• Бр20 — порошок бронзы в количестве 20 % по массе.

Таким образом, материал содержит два наполнителя суммарной долей около 40 %, распределённых в полимерной матрице из ПТФЭ. Именно соотношение углеволокна и бронзы определяет баланс свойств: углеродное волокно обеспечивает механическое упрочнение, а бронзовый порошок повышает теплопроводность.

Свойства углефторопласта Ф4УВ20Бр20

Эксплуатационные характеристики материала определяются свойствами каждого из трёх компонентов и их взаимодействием в композите. Рассмотрим основные параметры.

Роль углеродного волокна

Углеродное волокно (УВ) — один из наиболее эффективных армирующих наполнителей для фторопластовых композиций. По данным технической литературы, введение 20 % углеволокна в ПТФЭ повышает износостойкость материала в сотни и тысячи раз по сравнению с ненаполненным фторопластом-4. Это объясняется формированием жёсткого армирующего каркаса внутри полимерной матрицы.

Помимо износостойкости, углеволокно обеспечивает:

• повышение механической прочности и твёрдости;
• снижение ползучести (деформации под длительной нагрузкой);
• уменьшение коэффициента линейного теплового расширения;
• увеличение модуля упругости при сжатии.

Углеволокно химически инертно и может использоваться в агрессивных средах, включая сильные щёлочи и плавиковую кислоту.

Роль бронзового порошка

Бронзовый порошок в составе Ф4УВ20Бр20 выполняет несколько функций. Главная из них — повышение теплопроводности композита. Фторопласт-4 в чистом виде обладает крайне низкой теплопроводностью (около 0,25 Вт/(м·К)), что ограничивает его применение в узлах трения с высокими скоростями скольжения: выделяющееся тепло не успевает рассеиваться, и деталь перегревается.

Введение бронзы позволяет:

• увеличить теплопроводность композита в несколько раз;
• обеспечить эффективный отвод тепла из зоны трения;
• дополнительно повысить твёрдость материала;
• уменьшить ползучесть.

При этом содержание бронзы в Ф4УВ20Бр20 составляет 20 %, что заметно ниже, чем в стандартных бронзонаполненных композициях (например, в Ф4Бр40 содержание бронзы достигает 40 %). Пониженная доля бронзы означает, что материал сохраняет лучшую химическую стойкость по сравнению с марками с высоким содержанием металлического наполнителя, где бронза может подвергаться коррозии в ряде агрессивных сред.

Комплекс эксплуатационных характеристик

Совокупность свойств Ф4УВ20Бр20, обусловленная комбинированным наполнением:

• повышенная износостойкость в сравнении с ненаполненным ПТФЭ;
• низкий коэффициент трения, характерный для фторопластовых композиций;
• улучшенная теплопроводность (за счёт бронзы);
• высокая твёрдость и жёсткость (за счёт углеволокна);
• сниженная ползучесть по сравнению с чистым Ф4;
• рабочий температурный диапазон от −60 до +250 °С (кратковременно допускается до +300 °С);
• работоспособность в узлах трения без смазки или с ограниченной смазкой.

Ограничения по химической стойкости

Полимерная матрица из ПТФЭ обеспечивает стойкость ко многим агрессивным средам. Однако бронзовый наполнитель вносит ограничения: бронза нестойка к воздействию ряда кислот, аммиачных сред и газообразного кислорода при повышенных давлениях. Поэтому при выборе Ф4УВ20Бр20 для работы в химически активных средах необходимо учитывать совместимость именно бронзового компонента с рабочей средой.

Материал не рекомендуется для эксплуатации:

• в средах газообразного или сжиженного кислорода;
• в растворах, содержащих аммиак и аммиачные соединения;
• в концентрированных минеральных кислотах (серная, соляная, азотная), которые могут воздействовать на бронзу.

В нейтральных и слабоагрессивных средах, углеводородных жидкостях, растворителях, маслах и гидравлических жидкостях материал работает без ограничений.

Температурный диапазон эксплуатации

Заготовки и детали из Ф4УВ20Бр20 работают в интервале температур от −60 до +250 °С. Этот диапазон определяется свойствами полимерной матрицы: при температурах выше +260 °С начинается термоокислительная деструкция ПТФЭ с выделением токсичных продуктов (фтористый водород, перфторизобутилен). Кратковременно — при пиковых нагрузках — допустим нагрев до +300 °С, но длительная эксплуатация при таких температурах не рекомендуется.

Нижняя граница рабочих температур (−60 °С) обусловлена тем, что ПТФЭ сохраняет эластичность и не становится хрупким вплоть до криогенных температур. Углеволокно и бронза при отрицательных температурах не вносят дополнительных ограничений.

Сравнение с другими фторопластовыми композициями

Для понимания места Ф4УВ20Бр20 среди наполненных фторопластов полезно сопоставить его с основными марками:

Как видно из таблицы, Ф4УВ20Бр20 занимает нишу между Ф4УВ20 и Ф4Бр40: углеволокно даёт механическую прочность и износостойкость, а бронза — теплопроводность. При этом за счёт пониженного содержания бронзы (20 % вместо 40 %) химическая стойкость выше, чем у Ф4Бр40.

Области применения композита Ф4УВ20Бр20

Материал предназначен для деталей антифрикционного и уплотнительного назначения, работающих в условиях повышенных скоростей скольжения и значительных тепловых нагрузок. Основные направления применения:

Подшипники скольжения

Подшипники из Ф4УВ20Бр20 работают без смазки или с ограниченной смазкой. Улучшенная теплопроводность позволяет отводить тепло из зоны контакта, предотвращая перегрев и связанное с ним размягчение полимерной матрицы. Материал применяется в подшипниковых узлах компрессоров, насосов и вращающихся механизмов.

Уплотнительные элементы

Из Ф4УВ20Бр20 изготавливаются уплотнительные кольца, манжеты и седла клапанов. Комбинация низкого коэффициента трения, сопротивления ползучести и термостойкости обеспечивает длительную герметичность соединений при динамических нагрузках.

Поршневые кольца

В поршневых группах компрессоров и гидроцилиндров материал обеспечивает стабильное уплотнение при знакопеременных нагрузках. Низкая ползучесть предотвращает потерю упругости колец при длительной эксплуатации.

Детали гидравлических и пневматических систем

Направляющие кольца, опорные элементы, фторопластовые вкладыши штоков и поршней — во всех этих применениях важен низкий коэффициент трения при одновременно высокой нагрузочной способности и теплоотводе.

Компоненты арматуры

Сёдла клапанов, прокладки и направляющие элементы трубопроводной арматуры, работающей с нейтральными и слабоагрессивными средами.

Формы поставки заготовок Ф4УВ20Бр20

Заготовки из Ф4УВ20Бр20 выпускаются в типовых формах, применяемых для фторопластовых композиций:

Стержни (прутки)

Цилиндрические заготовки различных диаметров. Используются для изготовления подшипников скольжения, втулок, поршневых колец и других деталей вращения методом токарной обработки.

Пластины (листы)

Плоские заготовки различной толщины. Предназначены для вырезки прокладок, уплотнительных элементов, направляющих и других плоских деталей.

Втулки (кольца)

Цилиндрические заготовки с осевым отверстием. Применяются как полуфабрикаты для подшипников скольжения и уплотнительных манжет, требующих минимальной механической обработки.

Детали из заготовок изготавливаются стандартными методами механической обработки: точением, фрезерованием, сверлением, шлифованием. Фторопластовые композиции хорошо поддаются резанию, однако при обработке рекомендуется использовать острый инструмент и контролировать нагрев в зоне резания.

Особенности выбора Ф4УВ20Бр20 для конкретных задач

При выборе материала для конкретного узла трения или уплотнительного элемента следует учитывать ряд факторов.

Скорость скольжения и тепловой режим

Если узел работает при высоких скоростях скольжения (более 1–2 м/с) и значительных контактных давлениях, повышенная теплопроводность Ф4УВ20Бр20 является критическим преимуществом перед углефторопластами без бронзы (например, Ф4УВ20). Бронзовый наполнитель обеспечивает эффективный отвод тепла, предотвращая достижение критической температуры на поверхности трения.

Агрессивность рабочей среды

В средах, содержащих кислоты, аммиак или газообразный кислород, необходимо учитывать ограниченную стойкость бронзового наполнителя. В таких условиях могут быть предпочтительны композиции со стекловолокном (Ф4С15) или чистым углеволокном (Ф4УВ20), где наполнители химически инертны.

Требования к стабильности размеров

Комбинированное наполнение снижает коэффициент линейного теплового расширения и ползучесть более эффективно, чем каждый наполнитель в отдельности. Для деталей с жёсткими допусками по размерам (прецизионные подшипники, направляющие) Ф4УВ20Бр20 может быть предпочтительнее моно-наполненных композиций.

Совместимость с контртелом

Материал контртела (вал, шток, гильза) влияет на интенсивность износа. Фторопластовые композиции с бронзой наиболее эффективно работают в паре с закалённой или хромированной сталью. При использовании контртел из мягких металлов (алюминиевые сплавы, латунь) следует учитывать возможность абразивного воздействия наполнителей на поверхность вала.

Условия эксплуатации и хранения

Заготовки из Ф4УВ20Бр20 негигроскопичны и устойчивы к атмосферным воздействиям. Водопоглощение материала практически равно нулю. Хранение производится в сухих помещениях при отсутствии прямого воздействия солнечного излучения и органических растворителей.

При нагреве заготовок выше +260 °С начинается термоокислительная деструкция полимерной матрицы с выделением токсичных газов: фтористого водорода, перфторизобутилена, оксида углерода. Механическая обработка заготовок должна выполняться без перегрева, с обязательным контролем температуры в зоне резания.

Материал относится к группе трудногорючих, невзрывоопасен при температурах до +260 °С.

Требования к нормативной документации

Сырьевой компонент — фторопласт-4 — выпускается по ГОСТ 10007-80. Заготовки из композиций на основе ПТФЭ с различными наполнителями регламентируются техническими условиями (ТУ) предприятий-изготовителей. При закупке заготовок из Ф4УВ20Бр20 рекомендуется запрашивать паспорт качества с указанием фактического состава, физико-механических показателей и соответствия нормативной документации.