Модуль упругости фторопласта и почему кольцо из Ф-4 проседает со временем

Модуль упругости открывают, когда нужно посчитать натяг кольца, прогиб опоры или усилие, с которым седло прижмётся к шару. Для стали и капролона такой расчёт работает. Для фторопласта он работает только в первые минуты после сборки, и это свойство материала, а не ошибка формулы.

ГОСТ 10007-80 даёт модуль Ф-4 в справочном приложении

Нормы ГОСТ 10007-80 на фторопласт-4 модуль упругости не нормируют, он приведён в справочном приложении 1 «Дополнительные показатели» (текст на meganorm.ru). Значения справочные, в паспорте партии их нет, и требовать их при приёмке заготовки нельзя.

Разброс изгибного модуля почти вдвое связан с технологией: плотность и кристалличность спечённой заготовки зависят от давления прессования, режима спекания и скорости охлаждения. Поэтому две заготовки Ф-4 разных партий при одинаковой марке могут отличаться по жёсткости заметнее, чем по твёрдости.

Фторопласт в 5–9 раз мягче капролона и в десятки раз жёстче резины

Для ориентира полезно поставить модуль Ф-4 рядом с соседями по узлу. Литой капролон по паспорту MCAM имеет модуль при растяжении около 3 600 МПа, то есть в восемь-девять раз выше 410 МПа у Ф-4. Сталь около 200 000 МПа. Резина для уплотнений лежит в пределах 1–10 МПа. Фторопласт стоит между резиной и конструкционными пластиками, ближе к пластикам, и это объясняет его поведение в уплотнениях: он держит форму лучше резины, но прилегает к поверхности хуже неё.

На схеме те же числа: 410 МПа при растяжении, 687 МПа при сжатии, верхняя граница изгибного модуля 834 МПа при +20 °C и нижняя 1 295 МПа при −60 °C. Последний столбец, около 80 МПа, это кажущийся модуль после суток под нагрузкой по данным технического листа PTFE.

Кажущийся модуль под постоянной нагрузкой падает за сутки

Модуль из приложения описывает деформацию в первые секунды. Под постоянной нагрузкой фторопласт продолжает течь при комнатной температуре: это хладотекучесть, и как она съедает затяжку фланца, видно по хладотекучести фторопласта. Для расчёта детали удобно перевести ползучесть в кажущийся модуль: напряжение, делённое на полную деформацию к заданному моменту.

Пример расчёта с данными технического листа Freudenberg PT00A209: напряжение сжатия при деформации 1 % у чистого PTFE 4–5 МПа, то есть секущий модуль 400–500 МПа. Деформация под нагрузкой 13,7 МПа за сутки при 23 °C до 17 %. Кажущийся модуль через сутки 13,7 / 0,17 ≈ 80 МПа, в пять-шесть раз ниже начального. Остаточная деформация после снятия нагрузки до 8 %, то есть почти половина просадки не возвращается.

Цифры относятся к конкретной марке и условиям испытания и служат примером порядка величин; для другой заготовки их берут из документа её поставщика.

Натяг втулки из Ф-4 со временем ослабевает

Модуль нужен не только для прокладок. Пример: втулку из Ф-4 запрессовывают в корпус с натягом 0,1 мм на диаметре 40 мм. Относительная деформация 0,1 / 40 = 0,25 %, и при модуле 500 МПа контактное давление по грубой оценке около 1,25 МПа, без учёта толщины стенки. Через несколько недель материал релаксирует, давление падает, и втулка начинает проворачиваться в корпусе вместе с валом.

Поэтому втулки и кольца из фторопласта редко держат только натягом. Их фиксируют буртом, штифтом, стопорным кольцом или устанавливают в обойму, а натяг рассчитывают с учётом того, что часть его уйдёт в первые дни. Насколько твёрдость фторопласта помогает или не помогает в этой задаче, видно по данным о твёрдости фторопласта: вдавливание иглы тоже кратковременное испытание.

Температура меняет модуль в обе стороны

На холоде фторопласт жёстче: изгибный модуль при −60 °C в 2,8–3,3 раза выше, чем при +20 °C. Кольцо, которое при сборке в тёплом цехе прилегало к поверхности, на морозе становится жёстким и хуже следит за неровностями, поэтому в холодных узлах фторопласт работает с пружиной или резиновым поджатием.

Около комнатной температуры у Ф-4 есть фазовый переход кристаллической решётки, и его видно в том же приложении: коэффициент линейного расширения от −10 до +20 °C меняется от 8·10⁻⁵ до 25·10⁻⁵ 1/°C. Деталь, размер которой проверяли при +15 °C, при +25 °C немного больше, и для точных колец температуру замера записывают в протокол. С ростом температуры выше +20 °C модуль снижается, а ползучесть ускоряется, поэтому горячее седло под нагрузкой проседает быстрее холодного.

Какой модуль упругости у фторопласта Ф-4?

Модуль упругости фторопласта Ф-4 по справочному приложению 1 ГОСТ 10007-80 равен 410 МПа при растяжении, 686,5 МПа при сжатии и 460,9–833,6 МПа при статическом изгибе при +20 °C, а при −60 °C изгибный модуль 1 294,5–2 726,5 МПа. В ГПа это 0,4–0,8, примерно в восемь раз меньше, чем у капролона. Модуль в ГОСТ не нормируется, в паспорте партии его нет, и для расчёта натяга или прогиба берут значение того же вида нагружения.

Почему кольцо из фторопласта проседает со временем?

Кольцо из фторопласта проседает со временем, потому что Ф-4 ползёт под постоянной нагрузкой даже при комнатной температуре: по данным производителей чистый PTFE под 13,7 МПа за сутки деформируется до 17 %, а до 8 % остаётся после разгрузки. Модуль упругости 400–800 МПа описывает только первую, обратимую часть. Наполнитель, тонкое сечение, ограничение растекания и пружина уменьшают просадку.

Наполнитель повышает жёсткость при малой деформации

Наполненные марки жёстче чистого Ф-4, и разница видна уже при деформации 1 %. Ниже пересчёт напряжения сжатия при 1 % из таблицы свойств компаундов PTFE в секущий модуль, ориентир для марок общего назначения.

Бронза удваивает начальную жёсткость, графит почти не меняет. Какой наполнитель выбрать под среду и ответную поверхность, решают по наполненным маркам фторопласта.

Светофор показывает, когда жёсткость фторопласта считают отдельно

Данные для расчёта детали из фторопласта под нагрузку

Для расчёта кольца, седла или втулки из Ф-4 справочного модуля мало, нужен режим нагружения: постоянное давление на деталь и пики, температура, срок до первой подтяжки, есть ли пружина или ограничитель. Для втулки с натягом добавьте посадку и материал корпуса. С этими сведениями решают, хватит ли чистого Ф-4 или нужна бронза, стекло, другая конструкция. Фторопластовые кольца и детали из фторопласта наша компания изготавливает по чертежу, эскизу, фото или образцу, а основание выбора марки записываем в КП.