Твёрдость фторопласта по Шору D и почему он продавливается под нагрузкой

На твердомере Шора D фторопласт показывает цифру, сопоставимую с жёсткими пластиками, и это сбивает с толку. Шкала D рассчитана на твёрдые материалы, а 55 единиц на ней означают материал куда твёрже любой резины. Но игла твердомера давит на фторопласт секунды. Деталь в узле давят сутки и годы, и за это время PTFE ведёт себя как очень вязкая жидкость, которая медленно течёт из-под нагрузки.

Шкала D даёт фторопласту 50–60 единиц

Нижнюю границу задают паспорта заготовок: у листа и стержня Freudenberg PTFE PT00A209 стоит «не меньше 50 Shore D» по ASTM D2240, а типичные замеры на чистом Ф-4 попадают в 50–60. Полиуретан 95 Shore A при переводе на шкалу D даёт около 45–50, так что по игле фторопласт чуть твёрже самого жёсткого литого эластомера. До капролона с его 83 Shore D ему не хватает четверти шкалы.

Шкалу D выбирают потому, что на шкале A фторопласт упирается в верх и показывает около 100. Граница перехода между шкалами одна для всех материалов, и твёрдость по Шору D для пластиков читается так же, как для жёсткой резины. Для фторопласта важна оговорка о времени отсчёта: игла продолжает уходить в материал, и показание через 15 секунд ниже, чем через 1 секунду.

Наполнитель поднимает твёрдость на 5–15 единиц

Стекло, углерод, графит и бронза, введённые в PTFE, поднимают показание иглы. Переработчик Pragati Plastics в таблице свойств компаундов приводит такие ориентиры по Шору D: при 25 % стекловолокна 60–62 Shore D, при 25 % углерода 60–63, при 60 % бронзы 65–70, при 15 % графита 55–60. В той же таблице есть сопротивление сжатию на 1 %: 80–90 кгс/см² для стекла, 55–65 для углерода, 110–120 для бронзы, 50–60 для графита. В привычных единицах это от 5 до 12 МПа.

Цифры таблицы ориентировочные: другой изготовитель композиции даст другие. Марку наполненного фторопласта чаще выбирают по износу и среде, а таблица нужна, чтобы оценить, сколько давления выдержит выбранная буква в марке.

Схема повторяет таблицу: чистый Ф-4 50–60 Shore D, графит 55–60, стекловолокно 60–62, углерод 60–63, бронза 65–70. Полосы перекрываются, и по одному замеру твердомером марку с наполнителем от чистой не всегда отличить.

Под нагрузкой фторопласт продавливается за сутки

Для расчёта детали в паспорте ищут строку «деформация под нагрузкой» по ASTM D621. В том же паспорте Freudenberg: при давлении 13,7 МПа, +23 °C и выдержке 24 часа деформация не больше 17 %, остаточная после снятия нагрузки не больше 8 %. Напряжение при сжатии на 1 % деформации у этой заготовки всего 4–5 МПа по ASTM D695.

Эти две цифры объясняют поведение детали. Пока давление ниже 4–5 МПа, мгновенная осадка мала, но под постоянной нагрузкой она растёт со временем. При давлении 10–15 МПа деталь за сутки теряет заметную долю толщины, и часть этой потери не вернётся. На фланце та же хладотекучесть фторопласта снимает затяжку шпилек, а у мелких деталей она проявляется ещё быстрее, потому что давление на них выше.

Пример: изолирующая шайба под болтом

Пример: шайба из чистого Ф-4 с наружным диаметром 30 мм, внутренним 20 мм и толщиной 3 мм стоит под болтом с усилием затяжки 5 кН. Площадь шайбы π / 4 × (30² − 20²) ≈ 393 мм², давление 5 000 / 393 ≈ 12,7 МПа. Это почти условие испытания по ASTM D621.

Паспортные 17 % от 3 мм дают до 0,5 мм потери толщины в первые сутки, после разгрузки вернётся не всё: 8 %, около 0,24 мм, шайба потеряет насовсем. Усилие болта падает вместе с толщиной. Выходов три: шайба вдвое большей площади, где давление около 6 МПа; марка с бронзой или стеклом; стальная втулка-ограничитель внутри шайбы, которая берёт на себя усилие болта, оставляя фторопласту роль изолятора.

Какая твёрдость у фторопласта?

Фторопласт Ф-4 на твердомере Шора D показывает около 50–60 единиц, а паспорта заготовок гарантируют не меньше 50. С наполнителем цифра выше: стекловолокно и углерод дают 60–63 Shore D, бронза 65–70. Цифра на фторопласте зависит от выдержки перед отсчётом: игла продолжает погружаться, и через 15 секунд прибор покажет меньше, чем через секунду.

Почему фторопласт продавливается под нагрузкой?

Фторопласт продавливается под нагрузкой из-за хладотекучести: его цепи медленно скользят друг относительно друга даже при комнатной температуре. Напряжение при сжатии на 1 % у чистого Ф-4 всего 4–5 МПа, а при 13,7 МПа за сутки деформация доходит до 17 %. Твёрдость по Шору этого не показывает, потому что замер длится секунды. Наполнители и металлические ограничители уменьшают продавливание.

Сёдла кранов и опоры считают по давлению, а не по Шору

Шар крана прижат к седлу перепадом давления постоянно, опорное кольцо несёт вес, направляющая держит боковую силу. Во всех трёх случаях смотрят строку деформации под нагрузкой. Седло из чистого Ф-4 при высоком перепаде шар продавливает, на седле появляется кольцевая вмятина, и кран перестаёт держать.

Если деталь из фторопласта нужно поставить под нагрузку, порядок такой: посчитать давление на опорную площадь, сравнить его с напряжением при 1 % деформации выбранной марки, а для постоянной нагрузки взять запас в несколько раз. Если запас не набирается, меняют площадь, марку или конструкцию.

Светофор нагрузки на деталь из фторопласта

Классификация Сивиза по давлению на фторопласт:

• зелёный: давление до 2–3 МПа, детали без постоянной нагрузки, прокладки с ограничением сжатия. Чистый Ф-4 подходит;
• жёлтый: 3–10 МПа постоянной нагрузки, нагрев выше +100 °C, циклы. Нужна наполненная марка или ограничитель, основание выбора записывают в КП;
• красный: выше 10 МПа постоянно, сёдла кранов на большой перепад, детали, от которых зависит герметичность опасной среды. Без расчёта и пробной детали ресурс не обещают.

Нагрев переводит деталь на ступень выше: жёсткость фторопласта падает с температурой, и при +150 °C та же нагрузка даёт заметно большую осадку.

Твердомер помогает при приёмке, но не отличает марку

Твёрдость удобно проверять при приёмке: заготовка с 40 Shore D вместо 50–60 указывает на пористость или недоспекание. Отличить чистый Ф-4 от наполненного по твёрдости надёжно нельзя, полосы перекрываются. Наполненную марку узнают по цвету, плотности и паспорту партии, а не по твердомеру.

Для сравнения партий фторопласт меряют одинаково: комнатная температура, образец не тоньше 4 мм, одно и то же время отсчёта, например 15 секунд. Цифру, марку заготовки и номер партии сохраняют вместе с чертежом детали, и повторный заказ сверяют по ним.

Данные для расчёта детали из фторопласта под нагрузку

Для шайбы, опоры, седла или втулки из фторопласта в заявке указывают: нагрузку и опорную площадь, постоянная она или кратковременная, температуру, среду, допустимую осадку за срок службы и марку, если она задана. Если нужна химическая стойкость чистого Ф-4, а давление высокое, об этом пишут прямо: изготовитель предложит конструкцию с ограничителем.

Изготовитель режет фторопластовые прокладки и точит детали из PTFE по чертежу или образцу. Когда расчётное давление превышает 1-процентное напряжение марки, это пишут в КП отдельной строкой и предлагают сначала пробную партию.