Применение композиционных полимерных материалов на основе углерода в химическом машиностроении | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 28 декабря, печатный экземпляр отправим 1 января.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №24 (314) июнь 2020 г.

Дата публикации: 14.06.2020

Статья просмотрена: 163 раза

Библиографическое описание:

Лямин, А. В. Применение композиционных полимерных материалов на основе углерода в химическом машиностроении / А. В. Лямин, П. М. Бутовский. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 24 (314). — С. 112-115. — URL: https://moluch.ru/archive/314/71321/ (дата обращения: 16.12.2024).



В статье авторы исследования пытаются найти закономерность влияния химического состава антифрикционного материала на основе углерода на его износостойкость в паре со сталью.

Ключевые слова: износостойкость, химическая стойкость, углерод, графит, коэффициент трения, композиционные прессовочные материалы.

В настоящее время отмечается тенденция роста использования графитовых материалов в химическом машиностроении, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отрасли. Графитовые материалы оказались практически незаменимыми для изготовления элементов фрикционных и уплотнительных узлов благодаря своим уникальным свойствам: высокая химическая стойкость, работа в ограниченной смазке или без неё, работоспособность при высоких температурах (до 5000С в кислородсодержащих средах), способность выдерживать значительные термомеханические нагрузки, низкий коэффициент термического расширения (стабильность геометрических размеров в широком диапазоне температур), хорошей теплопроводностью. В общем машиностроении широко применяются графитовые подшипники, опоры для высокоскоростных валов, торцевые и осевые уплотнения и т. д. Также из графита и композиций на основе графита изготавливают лопатки вакуумных и перекачивающих насосов, поршневые кольца и другие подобные детали [1].

В машинах и аппаратах химических производств используется большое количество узлов и деталей, подвергающихся трению и, как следствие этого, износу в процессе эксплуатации. Многообразие видов узлов трения усугубляется широким диапазоном условий работы таких узлов, различающихся по скоростям скольжения, нагрузкам, температурам и средам, контактирующим с трущимися деталями. В связи с этим необходимо отметить, что не может быть универсального материала, обладающей высокой износостойкостью при всех возможных условиях эксплуатации. Всё указанное осложняет грамотный выбор материалов, обеспечивающих высокую работоспособность узлов трения и оборудования в целом [2].

При выборе материала для конкретного узла трения в первую очередь необходимо сформулировать требования, которым должен отвечать узел трения (трущаяся пара материалов). Основным требованиям к материалам пар трения является износостойкость в заданных условиях работы, однако каждый из материалов должен обладать достаточной механической прочностью, стойкостью в агрессивной среде, технологичностью изготовления; а пара трения должна обеспечить минимальный коэффициент трения (кроме фрикционных узлов), исключать возможность схватывания и заедания.

Износостойкость материалов при трении определяется рядом факторов: видом взаимодействия поверхностей при трении, нагрузкой в паре трения, температурой на поверхности, условиями смазки и охлаждения.

В связи с тем, что чистый углерод довольно неустойчив к механическим повреждениям, рациональнее всего применять в узлах трения не сам углерод, а композиционные полимерные материалы на его основе. Композиционные прессовочные материалы с полимерными связующими представляют собой материалы, получаемые прессованием или пресслитьём смеси углеродных наполнителей (нефтяной кокс, порошок нефтяных обожжённых электродов, графит и др.) с полимерными смолами [3,4].

К прессовочным полимерным материалам на основе графита с фенолформальдегидной смолой относятся графитопласты (антегмиты) марок АТМ-1, АТМ-1Г, АТМ-К (ТУ 48–20–13–72), которые из-за низких антифрикционных свойств не нашли применение в узлах трения химического оборудования.

Плотность композиционных прессовочных полимерных материалов служит показателем их механических свойств и износостойкости и является критерием качества изделий. Снижение плотности на 0,05–0,1 г/см3 резко снижает механические свойства материалов. Прочность при сжатии падает с ростом температуры от 20 до 2000С у АФ-3Т, АМС-3 и АМС-1 соответственно в 2, 3 и 4 раза. Ударная вязкость у этих материалов низкая, что не позволяет применять их при ударных и вибрационных нагрузках, кроме АФ-3ТС, наполненного стекловолокном. Коэффициент линейного расширения полимерных материалов на основе углерода практически постоянен во всём диапазоне рабочих температур, причём у АФ-3Т близок к его значению для бронз и нержавеющих сталей.

Углеродные наполнители обеспечивают композициям высокую износостойкость и низкий коэффициент трения при работе без смазки по сравнению с графитовыми материалами (рис.1). В условиях отсутствия смазки допускаемые давления составляют до 2 МПа, а скорости скольжения — до 1,5÷2 м/с. Возможна работа в запылённых средах (угольная пыль, цемент и др.). Износ материала АФ-3Т в вакууме на 1÷2 порядка выше, чем в воздухе, при одинаковых условиях трения. Со смазкой дистиллированной водой скорость изнашивания несколько увеличивается, а коэффициент трения падает (рис.2). Смазкой могут служить любые жидкости, в которых материалы химически стойки. Материал сопряженной детали должен быть также высокой химической стойкости, в том числе при работе без смазки во влажных газах.

К таким материалам относятся нержавеющие стали, коррозионностойкие чугуны твёрдостью HRC 40÷50, бронзы, силицированные графиты, минералокерамика, стеллиты. Применение полимерных композиционных материалов на основе углерода возможно в одноименных парах трения. Износ АФ-3Т по АФ-3Т не превышает износа при трении АФ-3Т по стали. Коэффициент трения НИГРАН без смазки на машине МИ-1М — 0,11…0,14.

а)б)

Рис. 1. Скорость изнашивания (а) и коэффициенты трения (б) при трении без смазки по стали 45 (HRC 43–45) со скоростью 1 м/с следующих материалов: 1 — АМС-1; 2 — АМС-3; 3 — АФ-3Т; 4 — АФ-3ТС; 5 — АГ-1500-СО5.

а)б)

Рис. 2. Скорость изнашивания (а) и коэффициенты трения (б) при трении со смазкой дистиллированной водой по стали Х18 со скоростью 1 м/с материалов: 1 — АМС-1; 2 — АМС-3; 3 — АФ-3Т; 4 — АГ-1500-СО5

Вследствие низкой прочности при растяжении и изгибе детали должны работать на сдвиг или сжатие. Низкая ударопрочность и хрупкость не позволяют выполнять в них (в подшипниковых втулках) различные пазы, производить сверление отверстий, которые могут способствовать образованию концентраторов напряжений. Для закрепления втулок в металлических обоймах используются посадки с натягом, обеспечивающие надёжную фиксацию. Зазоры в зависимости от температуры в подшипниках составляют: без смазки 0,3–0,5 %, со смазкой 0,1–0,3 % от номинального диаметра вала.

Детали из композиционных прессовочных материалов, работающие в условиях трения, экономически целесообразно изготовлять в многоместных пресс-формах без последующей механической обработки [3]. У таких деталей износостойкость превышает износостойкость деталей, обработанных механическим способом. Готовые детали обрабатываются точением острозаточенным твёрдосплавным инструментом, фрезерованием и шлифованием абразивными кругами средней зернистости.

Литература:

  1. http://carbon.com.ua/produkciya/vtulki/ (Графитовые и углеродные втулки, кольца, вкладыши для подшипников трения, торцевые и осевые уплотнения, опоры валов, лопатки насосов, фильеры).
  2. Износостойкие материалы в химическом машиностроении. Справочник. Под ред. д-ра техн. наук Ю. М. Виноградова. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отделение), 1977. — 256 с. ил.
  3. Мармер Э. Н. Углеграфитовые материалы. Справочник. М.: Металлургия, 1973. — 135 с.
  4. Фельдман Д. И., Штейнберг Л. А. Антифрикционный прессматериал АФ-3Т. — «Пластические массы», 1973, № 1, с. 32–33.
Основные термины (генерируются автоматически): коэффициент трения, материал, HRC, узел трения, основа углерода, скорость изнашивания, смазка, высокая химическая стойкость, основа графита, пар трения.


Ключевые слова

износостойкость, углерод, коэффициент трения, графит, химическая стойкость, композиционные прессовочные материалы

Похожие статьи

Свойства покрытий многоэлементных композиций, полученных магнетронным распылением

Повышение надежности и производительность рабочих машин за счет снижения скорости износа и коэффициента трения связанных площадей поверхностей — эта проблема решается с помощью покрытий из тонкослойных твердых тел, полученных методом вакуумного напыл...

Современная технология нанесения антифрикционных покрытий

Рассмотрен способ получения антифрикционных покрытий и упрочнения деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания. В результате предлагаемой технологии повышается работоспособность деталей, сокращается период приработки и уменьшается...

Стеклокерамические покрытия на основе карбосилицида титана для пленочных электронагревателей

Работа посвящена изучению процессов, протекающих в тонких слоях порошковой системы PbO2-B с добавлением порошка Ti3SiC2 в качестве наполнителя в режиме «теплового взрыва». Изучено влияние скорости нагрева образца, количества Ti3SiC2 в исходной смеси ...

Электропластический эффект в технологии электромагнитной штамповки

В данной исследовательской статье описано сравнение нагартованного алюминия при деформации на магнитно-импульсной установке и при механической гибке, а также последующее исследование структуры поверхности и свойств материала.

Модифицированный наполненный полимеркомпозит для ремонта бетонных и железобетонных конструкций

В статье представлены результаты исследования влияния углеродных модификаторов: технического углерода и 2D-графена на свойства наполненных эпоксидных полимеркомпозитов (полимербетонов).

Определение силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибропенобетона

В статье рассматривается методика проведения испытаний силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибробетона. Испытаниям подвергались образцы-балки, изготовленные из конструкционного пенобетона, армированные стальной проволочной фиброй ...

Повышение долговечности узлов трения пожарных машин

Проведенные исследования с применением плазменного легирования и поверхности и объёмного модифицирования стали позволили повысить долговечность деталей пожарных машин.

Фибробетон, устойчивый к воздействию высоких температур

В статье рассматриваются свойства разработанного состава фибробетона, не требующего тепловой обработки. Также отмечаются, что данный состав обладает высокой прочностью на растяжение и изгиб.

Вибрационная обработка сварных конструкций

Разработаны методы эффективной виброобработки сварных соединений, изготовленных из простых малоуглеродистых сталей. Приведено влияние вибро- и термообработки на критическую температуру хрупкости сварных соединений.

Особенности механической обработки титановых сплавов

Выявлены факторы, влияющие на эффективность обработки титановых сплавов. Рассмотрено влияние физико-механических свойств и условий резания на обработку и точность деталей из титановых сплавов.

Похожие статьи

Свойства покрытий многоэлементных композиций, полученных магнетронным распылением

Повышение надежности и производительность рабочих машин за счет снижения скорости износа и коэффициента трения связанных площадей поверхностей — эта проблема решается с помощью покрытий из тонкослойных твердых тел, полученных методом вакуумного напыл...

Современная технология нанесения антифрикционных покрытий

Рассмотрен способ получения антифрикционных покрытий и упрочнения деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания. В результате предлагаемой технологии повышается работоспособность деталей, сокращается период приработки и уменьшается...

Стеклокерамические покрытия на основе карбосилицида титана для пленочных электронагревателей

Работа посвящена изучению процессов, протекающих в тонких слоях порошковой системы PbO2-B с добавлением порошка Ti3SiC2 в качестве наполнителя в режиме «теплового взрыва». Изучено влияние скорости нагрева образца, количества Ti3SiC2 в исходной смеси ...

Электропластический эффект в технологии электромагнитной штамповки

В данной исследовательской статье описано сравнение нагартованного алюминия при деформации на магнитно-импульсной установке и при механической гибке, а также последующее исследование структуры поверхности и свойств материала.

Модифицированный наполненный полимеркомпозит для ремонта бетонных и железобетонных конструкций

В статье представлены результаты исследования влияния углеродных модификаторов: технического углерода и 2D-графена на свойства наполненных эпоксидных полимеркомпозитов (полимербетонов).

Определение силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибропенобетона

В статье рассматривается методика проведения испытаний силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибробетона. Испытаниям подвергались образцы-балки, изготовленные из конструкционного пенобетона, армированные стальной проволочной фиброй ...

Повышение долговечности узлов трения пожарных машин

Проведенные исследования с применением плазменного легирования и поверхности и объёмного модифицирования стали позволили повысить долговечность деталей пожарных машин.

Фибробетон, устойчивый к воздействию высоких температур

В статье рассматриваются свойства разработанного состава фибробетона, не требующего тепловой обработки. Также отмечаются, что данный состав обладает высокой прочностью на растяжение и изгиб.

Вибрационная обработка сварных конструкций

Разработаны методы эффективной виброобработки сварных соединений, изготовленных из простых малоуглеродистых сталей. Приведено влияние вибро- и термообработки на критическую температуру хрупкости сварных соединений.

Особенности механической обработки титановых сплавов

Выявлены факторы, влияющие на эффективность обработки титановых сплавов. Рассмотрено влияние физико-механических свойств и условий резания на обработку и точность деталей из титановых сплавов.

Задать вопрос