Метод неразрушающего контроля металлофторопластовых материалов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Автоматика. Информатика. Управление. Приборы

УДК 536.212.2

МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОФТОРОПЛАСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ* А.Н. Банников, Т.И. Чернышова

Кафедра «Радиоэлектронные средства бытового назначения», ГОУ ВПО «ТГТУ» Представлена членом редколлегии профессором Н.Ц. Гатаповой

Ключевые слова и фразы: металлофторопластовый материал; прирабо-точный слой; теплопроводность материала.

Аннотация: Описан метод контроля толщины приработочного слоя, а также концентрации входящих в него компонент металлофторопластового ленточного материала.

Современный уровень развития различных отраслей производства непрерывно требует разработки конструкционных материалов со специальными свойствами. Использование многослойных композиций позволяет при сочетании различных металлов и неметаллов получить в производимых из них изделиях высокие эксплуатационные характеристики. Указанное обстоятельство объясняет актуальность и целесообразность в настоящее время производства подшипников скольжения из металлофторопластовых материалов. Непрерывный технологический контроль параметров таких материалов является важным условием повышения качества производимых из них изделий.

На рис. 1 показан разрез металлофторопластового ленточного материала, из которого изготавливаются подшипники скольжения. Основа материала - стальная лента, на которую нанесен тем или иным способом тонкий пористый металлический слой антифрикционного сплава (бронзовый каркас), сообщающиеся поры которого заполнены фторопластом, образующим на поверхности материала приработочный тонкий слой. Рабочая поверхность антифрикционного слоя не допускает механической обработки резанием, что является причиной повышенных требований к допускам как на общую толщину, так и на толщины слоев производимой ленты и к точности операций штамповки.

* Принято к печати 1S. 12.2006 г.

Рис. 1. Структура металлофторопластового ленточного материала:

1 - сталь; 2 - медь;

3 - бронзовый каркас;

4 - приработочный слой

Методы контроля толщины стальной ленты, толщины и пористости бронзового каркаса достаточно описаны в [1].

Назначение приработочного слоя - сглаживание технологических погрешностей производства, поэтому к нему предъявляются повышенные требования по уровню технологических характеристик, из которых основными являются: равномерность, толщина и концентрации входящих в него компонент.

В данной статье описан метод контроля толщины приработочного фторопластового слоя, а также концентрации входящих в него компонент.

Термическое сопротивление последовательно соединенных составных стенок, ориентированных перпендикулярно тепловому потоку, определяется по формуле

Rn=Ё Ri = Ё^/ ( Vs )],

(1)

i=1

i=1

где Кг , кг , Х/ - соответственно термическое сопротивление, толщина и теплопроводность /'-ой стенки; п - количество слоев; £ = 1Ь - площадь изотермической поверхности; I, Ь - соответственно длина и ширина сфокусированного источника тепла.

Поскольку разность установившихся избыточных температур, обусловленная сопротивлением различных слоев при тепловом воздействии источником постоянной мощности, определяется в соответствии с зависимостью вида АТ = дК , то для четырехслойной системы, состоящей из стального основания, слоя меди, слоя пористого бронзового каркаса, поры которого заполнены фто-ропластом с наполнителем дисульфида молибдена, разность установившихся избыточных температур выглядит следующим образом

Ґ

T1 - T3 = DT2 = qR2 = q

h3 h

\

+ ==^ +

4

^1 ^2 ^4

ф

(2)

где Т1 и Т3 - новые значения установившихся избыточных температур в точках контроля; д - мощность источника тепла; к3 - толщина бронзового каркаса, заполненного фторопластом с наполнителем; Х4 - среднеинтегральная теплопроводность двухкомпонентной системы, состоящей из бронзового пористого каркаса и фторопласта с наполнителем; к4 - толщина приработочного фторопластового слоя; Хф - теплопроводность материала прирабо-

1 ~>

точного слоя. Метод контроля температур описан

в [2].

Для определения теплопроводности материала приработочного слоя осуществляют тепловое воздействие точечным источником тепловой энергии 1 (рис. 2), измеряют термоприемником 2 избыточную температуру нагреваемой поверхности в точке, расположенной за источником на заданном расстоянии х по линии движения источника.

Известно, что избыточная температура по-

Рис. 2. Схема метода контроля

верхности в точке, перемещающейся вслед за ис-

г г технологических параметров

точником по линии его движения со ск°р°стью, приработочного слоя:

равной скорости перемещения источника, опреде- 1 - источник тепла-

ляется формулой [3, с. 23] 2 - приемник тепла

Т (x) = -\-, (3)

2%kx

где Т(x) - избыточная температура нагреваемой поверхности полубесконечного изделия в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения, К; q - мощность источника, Вт; 1 - среднеинтегральная теплопроводность материала, Вт/(м • К) ; x - расстояние между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева поверхности исследуемого изделия сосредоточенным источником энергии.

Тогда из формулы (3) среднеинтегральная теплопроводность материала определяется как

I =----q----. (4)

2пТ (x) x

Затем изменяют мощность источника тепла в соответствии с зависимостью

Чг = q, i = 1,2,-,20, (5)

и измеряют термоприемником новые значения температур при каждой мощности источника энергии. Далее по формуле (4) определяют новые значения среднеинтегральной теплопроводности материала верхнего слоя. Изменение значения теплопроводности материала верхнего слоя возможно до тех пор, пока глубина прогрева превышает толщину материала верхнего слоя.

Общий вид зависимости значений теплопроводности от мощности источника показан на рис. 3. Эта зависимость является ключевой при определении толщины приработочного слоя. В графике хорошо видна точка перехода от параболической формы к постоянному значению теплопроводности qk . На участке 1 = const глубина прогрева не превышает толщину /пс приработочного слоя, при повышении мощности глубина прогрева увеличивается, и значение теплопроводности увеличивается из-за металлического каркаса. Таким образом, по зависимости 1 = f (h) (рис. 3) может быть определена точка qk и рассчитана теплопроводность материала приработочного слоя по формуле (4).

Поскольку приработочный слой представляет собой композиционный материал (фторопласт с наполнителем дисульфид молибдена), то, определив по графической зависимости (см. рис. 3) теплопроводность этого материала, можно определить концентрации входящих компонент по зависимости [4]

_ i

m2 =~------------V 1 У , (6)

(2 + V)

— (V _1) _ 2v _ 1

^2

где V = —- ; 1 - теплопроводность фторопласта; 12 - теплопроводность ди-^1

сульфида молибдена; ^ = 1_ т1; т1, т2 - объемные концентрации компонент верхнего слоя (соответственно фторопласта и дисульфида молибдена).

Рис. 3. Зависимость средней теплопроводности от глубины прогрева приработочного слоя

Структура пористого бронзового каркаса, поры которого заполнены фторопластом с наполнителем дисульфид молибдена, представляет собой структуры в виде двух взаимопроникающих решеток. Тогда теплопроводность пористого бронзового каркаса определяется по формуле

—

—

откуда

= с2 + (l - Ск )2 ^ + 2^ Ск (l - Ск ^к Ск +1 - Ск ),

^4 = (ск + (1 ск) + 2^кск(1 ск)(Укск +1 ск))^к = *^к, (7)

где ск = 0,5 + ,4созу, 270° <ф< 360° при 0<П<0,5 А = -1 и ф= агсо8 (1 -2П),

1ф

П - пористость бронзового каркаса; Ук =----, 1ф - теплопроводность фторопла-

ста с наполнителем дисульфид молибдена; Хк = Х3 - теплопроводность пористого каркаса; і = ^ + (1 - ск )2 Ук + 2укск (1 - ск)/(Укск +1 - ск) .

Подставив выражение (7) в (2), получаем формулу для определения толщины приработочного слоя

‘4 = [ ^ 1V (8)

q —1 —2 s—

Описанный выше метод контроля толщины приработочного слоя и концентрации входящих в него компонент возможно использовать в системах непрерывного неразрушающего контроля технологических параметров металлофторопластовых материалов.

Список литературы

1. Пудовкин, А.П. Метод неразрушающего контроля качества металлофторопластовых материалов / А.П. Пудовкин, В.Н. Чернышов // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2004. - Т. 10, № 3. - С. 675-682.

2. Пудовкин, А.П. Метод и измерительная система контроля характеристик качества многослойных материалов / А.П. Пудовкин, В.Н. Чернышов, А.В. Челноков // Измерительная техника. - 2005. - № 7. - С. 37-40.

3. Чернышова, Т.И. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов / Т.И. Чернышова, В.Н. Чернышов. - М. : Машиностроение-1, 2000. - 240 с.

4. Дульнев, Г.Н. Процессы переноса в неоднородых средах / Г.Н. Дульнев, В.В. Новиков. - Л. : Энергоатомиздат, 1991. - 247 с.

Method of Non-Destructive Control of Metalfluoroplastic Materials A.N. Bannikov, T.I. Chernyshova

Department «Radioelectronic Home Appliences», TSTU

Key words and phrases: material heat conduction; metalfluoroplastic material; running-in layer.

Abstract: Method of control over running-in layer thickness of metalfluoroplastic banded material as well as concentrations of its components are described.

Methode der nichtzerstorenden Kontrolle der Metallfluoroplaststoffe

Zusammenfassung: Es ist die Methode der Kontrolle der Dicke der Schicht der Konzentration in ihn eintretenden Komponente des Metallfluoroplaststoffes beschrie-ben.

Methode du controle non-destructif des materiaux de metal et de resiner fluorocarbonee

Resume: Est decrite la methode du controle de l’epaisseur de la couche de rabotage, ainsi que de la concentration de ses composants le materiel de metal et de resiner fluorocarbonee a ruban.