Температура плавления фторопласта и рабочий диапазон Ф-4 в уплотнениях

Путаница с температурой фторопласта возникает, когда одно число из справочника переносят на все режимы детали. Точек на самом деле шесть, все они есть в справочном приложении ГОСТ 10007-80:

• −269 °C, минимальная рабочая температура;
• около −120 °C, стеклование аморфных участков;
• +260 °C, максимальная рабочая температура при эксплуатации;
• 310–315 °C, наибольшая скорость кристаллизации при остывании;
• 327 °C, плавление кристаллитов;
• выше 415 °C, разложение.

Для кольца или втулки в узле решают три из них: 260, 327 и 415.

Три точки на шкале нагрева задают разные границы

Плюс 260 °C означает, что деталь из Ф-4 работает при этой температуре длительно и не меняет форму без нагрузки. Плюс 327 °C означает, что исчезает кристаллическая фаза: материал становится прозрачным, мягким, а при остывании кристаллизуется снова, и размер детали уже не совпадает с исходным. Выше 415 °C полимер начинает разлагаться с выделением газов, и речь идёт уже о безопасности людей, а не о ресурсе кольца.

На практике это даёт простое правило для заявки. Если в узле ни при каком режиме, включая пуск, пропарку и аварийный останов, температура у детали не поднимается выше 260 °C, фторопласт по температуре проходит. Если пиковая температура лежит между 260 и 327 °C, деталь не расплавится, но ресурс и герметичность никто не подтвердит без испытаний. Если возможен нагрев выше 327 °C, фторопласт в этом месте не ставят.

На шкале три полосы от одной нижней границы −269 °C: рабочий диапазон до +260 °C, сохранение формы без нагрузки до 327 °C и отсутствие разложения до 415 °C. Всё, что лежит правее первой полосы, для уплотнения уже зона испытаний, а не справочных данных.

Расплав PTFE не течёт, и это определяет технологию

У большинства термопластов выше точки плавления вязкость падает так, что материал заливают в форму. У фторопласта-4 вязкость расплава остаётся настолько высокой, что гель сохраняет форму заготовки. Поэтому заготовки получают иначе: порошок прессуют в холодной форме, затем спекают в печи выше 327 °C и медленно охлаждают, проходя зону 310–315 °C, где кристаллизация идёт быстрее всего.

От скорости охлаждения зависит доля кристаллической фазы, а от неё плотность и жёсткость заготовки. Для заказчика из этого следует одно: деталь из Ф-4 всегда точат или режут из готового стержня, трубы или листа на участке механической обработки, и её свойства задаёт качество спекания заготовки. Литьевые фторполимеры существуют, это FEP и PFA, но у фторопласта FEP температура плавления ниже, чем у PTFE.

Между +260 и +327 °C деталь цела, но не держит нагрузку

Самая частая ошибка с температурой фторопласта касается нагрузки при нагреве. Прочность при сжатии Ф-4 по справочному приложению стандарта 11,8 МПа при комнатной температуре, и это уже немного. С нагревом модуль упругости и прочность падают, а скорость ползучести растёт. Прокладка, которая при +20 °C медленно оседает под затянутыми шпильками, при +200 °C оседает в разы быстрее. Механизм тот же, что у хладотекучести фторопласта, нагрев только ускоряет его.

Отсюда практический вывод. Температура 260 °C допустима для детали, которая почти не нагружена: оболочка, футеровка, кольцо в закрытой канавке, шайба с металлическим упором. Для плоской прокладки на гладком фланце при длительном нагреве выше +150…+200 °C чистый Ф-4 обычно меняют на наполненную марку, конверт или другой материал, иначе фланец приходится подтягивать после каждого прогрева.

Наполнитель не поднимает предел полимера

Иногда в заявке просят «фторопласт с коксом, чтобы держал 300 градусов». Такого эффекта нет: в Ф4К20, Ф4С15 или Ф4Г матрицей остаётся тот же PTFE, и его кристаллиты плавятся при тех же 327 °C. Кокс, стекловолокно, графит и бронза работают как каркас: деталь при +200 °C оседает под шпилькой меньше и лучше отводит тепло трения, а потолок 260 °C остаётся прежним. По износу и трению кокс, графит и стекло различаются сильнее, чем по температуре, и марку наполненного фторопласта выбирают по узлу.

Мороз делает фторопласт жёстче в три раза

Нижняя граница −269 °C означает, что Ф-4 не становится хрупким даже в жидком гелии. Но жёсткость на холоде растёт сильно. По справочному приложению ГОСТ 10007-80 модуль упругости при статическом изгибе при +20 °C равен 460,9–833,6 МПа, а при −60 °C уже 1294,5–2726,5 МПа.

Пример расчёта: отношение модулей при −60 и +20 °C составляет от 2,8 до 3,3. Если кольцо из Ф-4 на криогенной или уличной линии собирали тёплым, при охлаждении до −60 °C усилие, нужное для того же обжатия, вырастает примерно втрое, а сам материал ещё и сжимается при охлаждении. В холодных узлах это значит, что прижим держат пружиной, тарельчатыми шайбами или запасом по затяжке, а не рассчитывать на упругость фторопласта.

Температура среды и температура детали расходятся

В заявке обычно пишут температуру продукта. Фторопластовая деталь живёт при другой температуре: у паровой рубашки она выше среды, у фланца на улице ниже, у подшипника скольжения добавляется нагрев от трения. Втулка из Ф-4 с сухим трением греется в зоне контакта, и при большой скорости скольжения именно этот нагрев, а не температура среды, выводит её за предел.

Данные для расчёта детали из фторопласта по температуре

Размер по чертежу отвечает на вопрос, какую деталь точить. На вопрос, из какой марки и с каким прижимом, отвечают сведения о нагреве:

1. Постоянная температура у детали, а не в аппарате.
2. Максимум и его длительность в минутах или часах.
3. Минимум, включая хранение и зимний пуск.
4. Нагрузка в момент максимума: давление среды, затяжка, контактное давление.
5. Сколько циклов «нагрев и охлаждение» в сутки или неделю.
6. Среда у детали.

Пример заявки: «кольцо Ф-4 под крышку реактора, среда кислота, 180 °C». По ней понятно, что химия и постоянная температура в пределах Ф-4. Неизвестно, что происходит при пропарке, какой прижим даёт крышка и сколько раз в сутки её открывают. Пока эти данные не получены, технолог записывает чистый Ф-4 в КП как предложение и ставит вопрос о нагрузке отдельной строкой, а не как подтверждённый выбор.

До какой температуры работает фторопласт в уплотнении?

Кольцо или прокладка из фторопласта Ф-4 выдерживает длительно +260 °C, когда прижим мал или металл ограничивает сжатие: закрытая канавка, оболочка, шайба с упором. Плоская прокладка на гладком фланце при той же температуре оседает за несколько прогревов, поэтому для неё ориентир +150…+200 °C. Выше этого ставят Ф4К20 или конверт и закладывают подтяжку шпилек после первого цикла.

При какой температуре плавится фторопласт?

Белый фторопласт Ф-4 при 327 °C становится прозрачным: это плавятся кристаллиты, и на этом переход заканчивается, жидкости не образуется. Деталь, нагретая выше этой точки, после остывания меняет размер и плотность, поэтому для уплотнения 327 °C означает брак, а не рабочий режим. Запас до плавления от рабочего потолка +260 °C составляет 67 градусов.

Что меняется в КП, когда температура у границы

Если в заявке температура близка к 260 °C или есть пики, КП на фторопластовую деталь отличается от обычного. В нём отдельно указано, при какой температуре и нагрузке материал предложен; какая марка, чистая или наполненная, и почему; что ресурс при пиковых температурах не подтверждён испытаниями. Такую деталь разумно сначала поставить в один узел и снять после первого цикла пропарки или первого месяца работы, замерив толщину и посадку. Фторопластовые прокладки и кольца по чертежу считают по тем же данным; если вместо чертежа есть только снятая деталь, по ней видно, как материал вёл себя при реальной температуре: оплывшие кромки и потеря толщины говорят о нагрузке и нагреве, а не о плохой марке.