Композиционный материал КМ

Аббревиатура КМ в промышленной практике обозначает класс конструкционных и функциональных материалов, в которых один или несколько наполнителей диспергированы в матрице другого вещества. В отличие от металлических сплавов компоненты КМ сохраняют индивидуальную химическую природу и границу раздела фаз. Это позволяет целенаправленно объединять, например, химическую стойкость полимерной матрицы с антифрикционными и электропроводящими свойствами углеродного наполнителя.

В производстве уплотнительных и антифрикционных деталей наибольшее распространение получили три группы КМ: фторопластовые материалы с твёрдыми наполнителями, графитопласты и металлографиты.

Фторопластовые КМ для узлов трения

Матрица — фторопласт-4 (политетрафторэтилен, ПТФЭ). Основная проблема чистого ПТФЭ в узлах трения — хладотекучесть (ползучесть под постоянной нагрузкой) и высокий удельный износ при скольжении. Введение твёрдых наполнителей устраняет эти ограничения: повышаются твёрдость, износостойкость и прочность на сжатие, снижается коэффициент линейного расширения. Химическая стойкость матрицы при этом практически не изменяется.

Рабочий температурный диапазон без смазки — от −60 до +260 °C. Коэффициент трения по стали — 0,10–0,20 в зависимости от марки и условий нагружения.

Основные наполнители и их влияние на свойства

Наполнитель	Типичная марка	Главный эффект
Коксовая мука 20%	Ф4К20	Износостойкость, теплопроводность, снижение хладотекучести
Углеродное волокно 20%	Ф4УВ20	Жёсткость, прочность на сжатие, стойкость к знакопеременным нагрузкам
Стекловолокно 15%	Ф4С15	Сопротивление ползучести, повышенная прочность на сжатие
Стекловолокно 15% + MoS₂ 5%	Ф4С15М5	Сопротивление ползучести и дополнительное снижение коэффициента трения
Углеродное волокно 15% + MoS₂ 5%	Ф4УВ15М5	Износостойкость в сочетании со сниженным трением

Марку Ф4К20 применяют наиболее широко: она пригодна для уплотнений подвижных соединений, работающих без смазки, в том числе в труднодоступных узлах. Марки с углеродным волокном предпочтительны для поршневых колец и направляющих с повышенными механическими нагрузками. Стекловолоконные композиции выбирают в тех случаях, когда к рабочей среде предъявляются особые требования по химической стойкости наполнителя.

Стержни и плиты из фторопластовых КМ обрабатываются точением, фрезерованием, сверлением и шлифованием на стандартном металлорежущем оборудовании. Из-за низкого модуля упругости детали необходимо жёстко закреплять, а глубину резания делать минимальной — иначе заготовка будет упруго отжиматься от резца.

Графитопласты

Графитопласт — материал на основе мелкодисперсного искусственного графита или графитированного кокса, соединённого со связующим: феноло-формальдегидными, эпоксидными, фурановыми смолами, кремнийорганическими полимерами, фторопластом или полиимидом. Вид связующего определяет верхнюю температуру эксплуатации и поведение материала в сухих газах.

Основные физико-механические характеристики графитопластов (диапазоны охватывают различные составы):

Показатель	Значение
Плотность	1 150–2 100 кг/м³
Предел прочности при сжатии	80–150 МПа
Температура эксплуатации	до +300 °C
Коэффициент трения	не выше 0,10

По сравнению с монолитным антифрикционным графитом графитопласты выдерживают значительно более высокие ударные и статические нагрузки, пригодны для работы в условиях полужидкостного трения. Ограничение: максимальная температура эксплуатации определяется теплостойкостью связующего и ниже, чем у чистого графита.

Графитопласты с феноло-формальдегидным или эпоксидным связующим применяют в центробежных насосах для агрессивных сред и в уплотнительных кольцах паровых агрегатов. Материалы с фторопластовым связующим (тип АФГ) — в узлах трения без смазки при широком диапазоне рабочих сред. Для криогенных условий и сухих газов предпочтительны графитопласты на термопластичном связующем: в этих средах термореактивные составы не обеспечивают самосмазывающих свойств.

Металлографиты

Металлографит — пористый углеграфитовый материал, пропитанный металлами: как правило, оловом, свинцом или баббитом. Пропитка повышает механическую прочность, газоплотность и электропроводность заготовки, снижает пористость и расширяет допустимый диапазон нагрузок.

Промышленность выпускает два основных типа. Антифрикционный графитированный (АГ) проходит высокотемпературную графитизацию, что обеспечивает более высокую износостойкость и широкий сортамент применения. Антифрикционный обожжённый (АО) изготавливается без стадии графитизации. Из металлографита производят уплотнительные кольца, пластины, втулки и другие детали, работающие в парах сухого трения.

Механическая обработка КМ

Все три группы КМ допускают обработку резанием: точение, фрезерование, сверление, резку и шлифование. Для обработки графитопластов и металлографитов рекомендуются твердосплавные пластины — углеграфитовый наполнитель интенсивно изнашивает быстрорез. Фторопластовые КМ требуют жёсткого закрепления детали и малой глубины резания. Финишную размерную обработку выполняют до получения окончательных посадочных диаметров, торцовых плоскостей и рабочих поверхностей.

Области применения антифрикционных КМ

Детали из КМ применяют там, где требуется работа без смазки или с ограниченным смазыванием, а металлические материалы непригодны по химической стойкости или недопустимости загрязнения рабочей среды:

• уплотнительные кольца, манжеты и сальники компрессоров и насосов;
• поршневые кольца компрессоров без смазки цилиндров;
• подшипники скольжения в пищевом, химическом и текстильном оборудовании;
• торцовые уплотнения валов в агрессивных средах;
• направляющие втулки в станках и конвейерных системах.

Подробнее об изделиях из углеграфитовых материалов — в разделе графитовые подшипники. Нестандартные детали по чертежу заказчика — в разделе изготовление изделий из графита.

Формы поставки и условия заказа

Материал поставляется в виде заготовок для самостоятельной механообработки: стержней, плит и листов различного сечения. Готовые изделия — кольца, втулки, пластины — изготавливаются по чертежу или типовым размерам. Для уточнения сортамента, допустимых размеров и минимальной партии обращайтесь к менеджеру.