Ф4ГР20 композиционный материал

Ф4ГР20 — графитонаполненный фторопласт: состав и общие сведения

Ф4ГР20 — антифрикционный композиционный материал на основе политетрафторэтилена (фторопласта-4, ПТФЭ) с добавлением 20 % графита. Обозначение расшифровывается как: Ф4 — фторопласт-4, ГР — графит, 20 — массовая доля наполнителя в процентах. Материал также известен под альтернативным обозначением АФГ-80ВС (аббревиатура означает «антифрикционный фторопласт с графитом, 80 % связующего, высокосортный»).

В качестве полимерной матрицы используется порошок фторопласта-4 по ГОСТ 10007-80, а в качестве наполнителя — искусственный графит марок АРВ-1 или АРВ-2. Выбор этих марок графита обусловлен сочетанием высокой механической прочности частиц и низкого абразивного воздействия на контрповерхность. Материал не содержит посторонних примесей.

Графитовый наполнитель решает главную проблему чистого фторопласта-4 — крайне низкую износостойкость. За счёт введения графита улучшаются антифрикционные характеристики, возрастает теплопроводность (по сравнению с ненаполненным ПТФЭ), повышается жёсткость и механическая прочность при сжатии. При этом сохраняется основное достоинство фторопласта — химическая инертность практически ко всем агрессивным средам. Ф4ГР20 относится к категории самосмазывающихся материалов: изделия из него способны работать в узлах трения без дополнительной смазки.

Физико-механические свойства Ф4ГР20

Ниже приведены основные физико-механические характеристики Ф4ГР20 (АФГ-80ВС). Значения соответствуют данным на заготовки, изготовленные методом прессования и последующего спекания.

Параметр	Значение
Плотность, кг/м³	2000–2100
Прочность при растяжении (разрыв), МПа	6–7
Относительное удлинение при разрыве, %	40–60
Прочность при сжатии, МПа	10–19
Модуль упругости при сжатии, МПа	60–90
Твёрдость по Бринеллю, МПа	59–93
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)	0,7–1,1
Коэффициент линейного теплового расширения (⊥ оси прессования), ×10⁻⁵ °С⁻¹	7–10
Коэффициент трения по стали (без смазки)	0,08–0,15
Коэффициент трения по стали (со смазкой)	не более 0,03
Износ за 100 ч работы, мкм	20–50
Диапазон рабочих температур, °С	от −186 до +200

Разброс значений прочности при сжатии (10–19 МПа) и твёрдости (59–93 МПа) обусловлен анизотропией свойств прессованных заготовок: показатели существенно зависят от направления вырезки образца относительно оси прессования. Поперёк оси прессования прочностные показатели выше, вдоль — ниже.

Теплопроводность и температурный режим

Теплопроводность Ф4ГР20 составляет 0,7–1,1 Вт/(м·К), что в 3–4 раза превышает теплопроводность ненаполненного фторопласта-4 (около 0,25 Вт/(м·К)). Это существенно для деталей узлов трения, где важен отвод тепла из зоны контакта. Увеличенная теплопроводность позволяет снизить локальный перегрев и продлить ресурс работы уплотнений и подшипников.

Верхний предел рабочей температуры при длительной эксплуатации — +200 °С. Кратковременно допускается работа при повышенных температурах, однако следует учитывать, что при температурах выше +260 °С начинается постепенная термодеструкция полимерной матрицы (фторопласта-4), сопровождающаяся выделением токсичных продуктов разложения. Нижний предел рабочей температуры — −186 °С: материал сохраняет работоспособность при криогенных условиях.

Антифрикционные характеристики

Низкий коэффициент трения — ключевое свойство Ф4ГР20. Значение 0,08–0,15 по стали без смазки обеспечивается совместным действием полимерной матрицы (ПТФЭ сам по себе обладает минимальным среди полимеров коэффициентом трения) и графитового наполнителя, который выступает твёрдой смазкой. При наличии дополнительной смазки коэффициент трения снижается до 0,03 и ниже.

Износ не более 50 мкм за 100 ч работы — показатель, характерный для самосмазывающихся антифрикционных материалов. Для сравнения, ненаполненный фторопласт-4 в аналогичных условиях показывает износ в десятки и сотни раз больший.

Допустимые эксплуатационные параметры в узлах трения:

Параметр	Значение
Предельно допустимое удельное давление, МПа	1,0–1,5
Предельно допустимая линейная скорость, м/с	до 5

Рекомендуемые материалы контртела: конструкционные и подшипниковые стали, чугун, хромовое покрытие.

Химическая стойкость Ф4ГР20

Ф4ГР20 наследует химическую инертность фторопласта-4. Материал устойчив к воздействию минеральных и органических кислот (включая концентрированные серную и азотную), щелочей всех концентраций, органических растворителей, нефтепродуктов и масел. Композит не подвержен гидролизу, не поглощает влагу, устойчив к водяному пару.

Ограничения по химической стойкости связаны с агрессивными средами, которые способны разрушить и чистый фторопласт-4: элементарный фтор, трёхфтористый хлор, расплавы и растворы щелочных металлов (натрия, калия). При повышенных температурах и давлениях следует проявлять осторожность в среде сильных окислителей.

Благодаря высокой химической инертности фторопластовой матрицы, материал АФГ-80ВС допускается к применению в контакте с пищевыми продуктами и в оборудовании медицинского назначения.

Сравнение Ф4ГР20 с АФГМ и чистым фторопластом-4

Для выбора оптимальной композиции важно понимать различия между марками графитофторопластов. Ниже приведено сравнение Ф4ГР20 (АФГ-80ВС) с близким по назначению АФГМ и ненаполненным фторопластом-4.

Параметр	Фторопласт-4 (Ф-4)	Ф4ГР20 (АФГ-80ВС)	АФГМ
Состав наполнителя	Без наполнителя	20 % графита АРВ-1/АРВ-2	45 % графита АРВ-1/АРВ-2 + дисульфид молибдена
Плотность, кг/м³	2150–2200	2000–2100	2100–2300
Прочность при растяжении, МПа	16–25	6–7	8–9
Относительное удлинение, %	250–500	40–60	10
Модуль упругости при сжатии, МПа	≈700	60–90	70–100
Коэффициент трения по стали	0,04–0,05	0,08–0,15	0,08–0,15
Теплопроводность, Вт/(м·К)	≈0,25	0,7–1,1	2,3
Рабочая температура, °С	от −269 до +260	от −186 до +200	от −186 до +180
Рабочая среда	Универсальный	Влажные газы, жидкие среды, вакуум	Осушенные газы, вакуум

Область применения Ф4ГР20

Сочетание антифрикционных свойств, химической инертности, работоспособности при криогенных и повышенных температурах определяет основные области применения материала.

Компрессорное и насосное оборудование

Основное назначение Ф4ГР20 — изготовление поршневых и уплотнительных колец для компрессоров, работающих на влажных газах (с точкой росы выше 0 °С и влагосодержанием более 4 г/м³). Материал применяется в компрессорах, сжимающих азот, углекислый газ, аммиак и другие промышленные газы при давлении до 10 МПа. Самосмазывающиеся свойства позволяют эксплуатировать уплотнения без масляной смазки, что критично для бессмазочных компрессоров.

Подшипники скольжения и направляющие

Из Ф4ГР20 изготавливают втулки и вкладыши подшипников скольжения, работающих в жидких средах (вода, нефтепродукты, водные растворы химических реагентов), а также сепараторы подшипников качения. Низкий коэффициент трения и отсутствие абразивного воздействия на контрповерхность обеспечивают длительный ресурс узла трения.

Уплотнительные элементы

Прокладки, манжеты, шайбы, сальниковые кольца из Ф4ГР20 применяются для герметизации подвижных и неподвижных соединений в насосах, компрессорах, запорной арматуре. Материал работоспособен в вакууме (до 1,3·10⁻² Па), что позволяет использовать его в вакуумном оборудовании.

Нефтегазовая и химическая промышленность

Химическая стойкость к агрессивным средам делает Ф4ГР20 востребованным в нефтегазовом и химическом машиностроении. Детали из этого материала устанавливаются в запорную арматуру, работающую с кислотами, щелочами, растворителями, нефтепродуктами. Отсутствие гигроскопичности и биологическая инертность допускают применение в оборудовании пищевой промышленности.

Формы поставки заготовок Ф4ГР20

Заготовки Ф4ГР20 (АФГ-80ВС) изготавливаются методом компрессионного прессования порошковой смеси с последующим свободным спеканием. Стандартные формы поставки:

Форма заготовки	Типичные размеры
Стержни (прутки) цилиндрические	диаметр от 30 до 422 мм
Пластины, плиты	толщина и габариты по согласованию
Втулки (кольца)	диаметр и высота по согласованию

Заготовки поддаются всем видам механической обработки: точению, фрезерованию, сверлению, шлифовке. Конкретные размеры полуфабрикатов согласовываются с заказчиком. Изделия поставляются с паспортами качества.

Для задач, где Ф4ГР20 не обеспечивает требуемых характеристик (например, при работе исключительно в сухих газах или в условиях глубокого вакуума), стоит рассмотреть композиции графитонаполненного фторопласта с иным содержанием наполнителя и дополнительными добавками (дисульфид молибдена, углеродное волокно и др.).