Теплопроводность фторопласта: почему 0,25 Вт/(м·К) важна для втулок и колец

Фторопласт выбирают за химическую стойкость, скольжение и нагрев до +260 °C, а теплопроводность в заявке почти никто не пишет. Она вспоминается после отказа: втулка подклинила вал, кольцо поплыло по кромке, направляющая потемнела в зоне трения. Причина у всех трёх одна. Материал с проводимостью 0,25 Вт/(м·К) не отводит тепло трения, и температура в тонком слое у контакта растёт быстрее, чем в соседнем металле.

Чистый Ф-4 проводит тепло хуже большинства материалов узла

Значение 0,25 Вт/(м·К) для политетрафторэтилена приводят и справочные таблицы, например таблица теплопроводности Engineering ToolBox, и паспорта заготовок. Рядом с фторопластом в узле обычно стоят материалы другого порядка: углеродистая сталь около 45–50 Вт/(м·К), нержавеющая сталь около 15, бронза десятки единиц. Капролон и полиацеталь близки к фторопласту, их проводимость тоже около 0,2–0,3.

Значения ориентировочные для марок общего назначения. Отсюда понятно, почему в паре «стальной вал и фторопластовая втулка» почти всё тепло трения уходит в вал. Втулка работает как одеяло: она не греется сама по себе, но и не помогает валу остыть.

Наполнители поднимают проводимость в полтора-три раза

Кокс, углерод, графит, стекловолокно и бронза добавляют в PTFE ради износостойкости и жёсткости. Проводимость растёт попутно. В техническом листе компаундов одного переработчика, Pragati Plastics (таблица свойств компаундов PTFE, метод ASTM D2214), приведены такие ориентиры: 25 % стекловолокна 0,36 Вт/(м·К), 15 % графита 0,44, 25 % углерода 0,53, 60 % бронзы 0,76.

Бронза даёт рост втрое, но и в лучшем случае композиция остаётся пластиком: углеродистая сталь проводит тепло примерно в шестьдесят раз лучше. Поэтому наполнитель облегчает тепловой режим втулки, но не снимает вопрос о толщине стенки. Марку наполненного фторопласта выбирают по износу и среде, а для теплового расчёта из этого выбора берут одно число проводимости.

На схеме пять значений из текста: чистый Ф-4 0,25 Вт/(м·К), стекловолокно 25 % 0,36, графит 15 % 0,44, углерод 25 % 0,53, бронза 60 % 0,76. Значения взяты из одного технического листа, у других изготовителей композиций они могут отличаться на десятки процентов.

Перепад температуры через стенку считают за минуту

Простая оценка показывает, почему толщина стенки важнее марки. Тепло трения на единицу площади равно произведению коэффициента трения, давления и скорости скольжения. Перепад температуры через плоский слой равен этому потоку, умноженному на толщину и делённому на теплопроводность.

Пример: втулка работает при давлении 0,5 МПа и скорости 0,2 м/с, коэффициент трения 0,1. Поток тепла в зоне контакта 0,1 × 0,5 МПа × 0,2 м/с = 10 000 Вт/м². Если бы всё это тепло уходило через стенку из чистого Ф-4 толщиной 5 мм, перепад составил бы 10 000 × 0,005 / 0,25 = 200 °C. При стенке 1 мм получается 40 °C, при слое 0,03 мм на металлической основе около 1 °C.

В реальном узле большую часть тепла забирает стальной вал, поэтому таких перепадов на стенке нет. Но из расчёта видно: через толстый фторопласт тепло наружу почти не уходит, и вся нагрузка по охлаждению ложится на вал. Если вал тонкий, полый или сам горячий, зона трения перегревается, а фторопласт у контакта размягчается и течёт.

Какая теплопроводность у фторопласта Ф-4?

Теплопроводность фторопласта Ф-4 (PTFE) около 0,25 Вт/(м·К) при комнатной температуре, это ориентир для марок общего назначения. Наполненные композиции проводят тепло лучше: со стекловолокном 25 % около 0,36, с углеродом 25 % около 0,53, с бронзой 60 % около 0,76 Вт/(м·К). Даже бронзовый фторопласт проводит тепло примерно в шестьдесят раз хуже углеродистой стали.

Почему втулка из фторопласта греется сильнее бронзовой?

Втулка из фторопласта греется сильнее бронзовой, потому что её материал проводит тепло примерно в двести раз хуже металла. Тепло трения не уходит через стенку в корпус, а остаётся в зоне контакта и в валу. При толстой стенке и высокой скорости температура у поверхности трения растёт, фторопласт размягчается и изнашивается быстрее. Тонкий слой фторопласта на металле этот недостаток почти снимает.

Толстая стенка и тонкий слой работают по-разному

Из расчёта следует деление деталей на две группы. Толстостенные втулки, фторопластовые кольца и направляющие из чистого или наполненного фторопласта годятся для малых скоростей, прерывистой работы и узлов, где тепло трения невелико: задвижки, поворотные опоры, медленные штоки. Там низкая теплопроводность не мешает.

Для быстрого вращения и больших нагрузок используют тонкий слой фторопласта на металле: металлофторопластовую ленту, втулки с напылённым или вкатанным слоем, кольца с металлическим корпусом. Слой в десятые и сотые доли миллиметра передаёт тепло металлу почти без перепада. Для толстостенных втулок из фторопласта остаётся другой путь: увеличенный зазор, наполненная марка и смазка.

Нагрев меняет размер детали быстрее, чем кажется

Плохая теплопроводность связана с ещё одной особенностью. Фторопласт расширяется при нагреве в разы сильнее стали, и тёплый слой у контакта прибавляет в размере раньше, чем прогреется вся деталь. Втулка, рассчитанная по средней температуре корпуса, на старте узла может закусить вал, потому что её внутренняя поверхность горячее наружной.

Запас по зазору считают через коэффициент линейного расширения фторопласта, который у Ф-4 примерно на порядок выше, чем у стали. Для теплового расчёта важно другое: в заявке указывают не только температуру среды, но и скорость, давление и режим работы, потому что именно они задают нагрев у поверхности трения.

Светофор показывает, когда теплопроводность становится вопросом заявки

Классификация Сивиза для деталей из фторопласта по тепловому режиму:

• зелёный: неподвижные прокладки, изолирующие шайбы и опоры, медленные поворотные узлы. Теплопроводность не влияет на выбор, марку задаёт среда;
• жёлтый: втулки и кольца при скорости скольжения от десятых долей метра в секунду, сухой ход, узлы с перерывами в смазке. Нужна оценка нагрева, наполненная марка или тонкая стенка, а в КП фиксируют основание выбора;
• красный: быстрое вращение без смазки, толстостенная втулка на полом или горячем валу, уплотнение рядом с источником тепла. Без расчёта и пробной детали изготовитель ресурс не обещает.

Жёлтая зона самая частая. Обычно её закрывают одной из трёх мер: уменьшают толщину стенки, переходят на композицию с углеродом или бронзой, добавляют подвод смазки или жидкости.

Тепловую изоляцию из фторопласта рассчитывают по толщине

Обратная задача встречается реже: фторопласт ставят как изолятор между горячей и холодной деталью. Здесь низкая проводимость работает на пользу, и считать нужно наоборот. Пример: шайба из Ф-4 толщиной 5 мм между корпусом +150 °C и рамой. Тепловое сопротивление шайбы на квадратный метр равно 0,005 / 0,25 = 0,02 м²·К/Вт, у стальной шайбы той же толщины в двести раз меньше.

Изолирующая шайба из Ф-4 переносит масло, моющие растворы и нагрев до +260 °C, но под постоянным усилием болта медленно тоньшает. Поэтому после первого прогрева корпуса затяжку проверяют, а для тяжёлых опор берут наполненную марку или стальную втулку внутри шайбы, которая ограничивает сжатие.

Что указать в заявке на деталь из фторопласта с нагревом

Марку и толщину под тепловой режим изготовитель предложит сразу, если в описании узла есть семь строк:

• деталь и узел: втулка, кольцо, направляющая, шайба, прокладка;
• скорость скольжения или частоту вращения и диаметр вала;
• давление на поверхность или нагрузку на деталь;
• смазка, вода или сухой ход;
• температура среды и корпуса, есть ли рядом источник тепла;
• материал и сечение вала: сплошной, полый, нержавеющий;
• марка фторопласта, если она уже задана чертежом.

Втулки, кольца и другие детали из PTFE точат и фрезеруют по чертежу или образцу. Если марка не задана, изготовитель предложит её по тепловому режиму и отметит в КП, что выбор сделан по описанию узла, а не по данным чертежа. Для узла из жёлтой зоны разумно начать с одной пробной детали и замерить её износ на первой остановке.