聚酰胺46(PA46)材料具有70%的結(jié)晶度，在高溫下展現(xiàn)出良好的耐磨性和摩擦性能，并且很好地保持了其機(jī)械性能，適用于需在高扭矩和高溫下工作的齒輪應(yīng)用。PA46具有多種適于齒輪設(shè)計(jì)的性能，并可通過(guò)不可逆的高溫退火處理進(jìn)一步增強(qiáng)。PA46材料在玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上的高溫下經(jīng)退火處理后，其硬度和強(qiáng)度性能可提高50%，并且改善了抗疲勞性、耐磨性和摩擦性能。另外，與其它聚酰胺材料相比，PA46的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)在于，經(jīng)退火處理后可降低材料的吸水量。重要的是，在高溫下退火處理的部件公差由其線性熱膨脹(CLTE)系數(shù)決定，而不是由吸水引起的尺寸變化決定。這里討論幾種PA46齒輪應(yīng)用：起動(dòng)電動(dòng)機(jī)、自動(dòng)開閉式車窗和動(dòng)力轉(zhuǎn)向齒輪。
PA46簡(jiǎn)介
聚酰胺46(PA46；PA46配方，Stanyl產(chǎn)品，由DSM工程塑料公司生產(chǎn)銷售)制成的產(chǎn)品，在成型后進(jìn)行退火處理可以大大增強(qiáng)產(chǎn)品的各種性能。處理后，可以降低產(chǎn)品的吸水量，改善其機(jī)械性能，硬度和強(qiáng)度性能可提高50%，增加分子量，并且有更好的抗疲勞性能。在PA46退火處理方面已經(jīng)發(fā)展出了一系列有用的工程學(xué)知識(shí)，主要為日益廣泛的PA46材料齒輪應(yīng)用中提供技術(shù)支持。齒輪在應(yīng)用中會(huì)受到各種不同應(yīng)力，如切向力、徑向力和(特別是在螺旋設(shè)計(jì)中)軸向力等等。
有許多應(yīng)用中，熱塑性塑料已經(jīng)替代了金屬用于齒輪制造。與金屬齒輪相比，工程熱塑性塑料具有電氣、機(jī)械和化學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)；對(duì)潤(rùn)滑的要求極低，甚至無(wú)需潤(rùn)滑；重量輕；可以成型為更多的幾何形狀，制造速度快。
PA46的結(jié)構(gòu)
PA46 (熔點(diǎn)為 295 ℃； Tg為 80 ℃) ，由己二酸和二氨基丁烷對(duì)稱分子鏈組成(圖1)。
(圖中：聚酰胺的結(jié)構(gòu)差別)
圖1. PA46(Stanyl)的鏈結(jié)構(gòu)與PA66 和PA6 的鏈結(jié)構(gòu)比較。
在PA46中，每個(gè)酰胺鍵都伴隨有4個(gè)CH2成分。這些有規(guī)律的分子鏈保證了材料有70%左右的快速結(jié)晶度(PA66和PA6相比之下為50%，而聚鄰苯二甲酰胺[PPA]為30%)。快速結(jié)晶不僅縮短了PA46的生產(chǎn)周期時(shí)間，也導(dǎo)致該材料呈現(xiàn)精細(xì)的球粒結(jié)構(gòu)，并且有相對(duì)較高的沖擊值——約10 kJ/m2，而PA6/66成型干燥(DAM)時(shí)為5～7 kJ/m2。更重要的是，PA46在高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)也保持了較好的硬度和強(qiáng)度(圖2)。
圖2. PA46與競(jìng)爭(zhēng)性材料在高溫下硬度比較 ，動(dòng)態(tài)機(jī)械分析(DMA)圖
在過(guò)去幾十年中，聚酰胺 (PA)樹脂——傳統(tǒng)上是PA6和66(PA6/66)材料——廣泛用于齒輪制造。問(wèn)題在于，PA6/66材料無(wú)法承受較高的環(huán)境溫度或扭矩/RPM產(chǎn)生的高溫。與PA6/66相比，PA46的結(jié)晶度和玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)可提供更高的硬度和強(qiáng)度，因而PA46成為在這些應(yīng)用中的理想材料。在成型后的退火處理進(jìn)一步改善了這些工程性能。
通過(guò)退火處理改善高溫性能并減少吸水量
退火處理可以改善PA46的材料性能。退火是在高于材料的Tg溫度時(shí)對(duì)材料進(jìn)行高溫處理，但溫度要低于其熔點(diǎn)。退火結(jié)果是不可逆的，因?yàn)橥嘶饡r(shí)出現(xiàn)固態(tài)縮合使得分子量增加。
■ 退火和降低吸水量
聚酰胺的吸水量由材料的極性(親水趨向)和結(jié)晶度決定。PA46為高極 >>性材料；另外，PA46的高結(jié)晶度也降低了吸水量，因?yàn)槲^(guò)程只在材料的非晶相狀態(tài)下發(fā)生。然而，盡管具有上述兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，PA46仍顯示出較高的吸水程度 (表1)。
表 1. 在不同%的相對(duì)濕度下(RH)， PA46， PA66和PA6 的吸水量
PA46材料的吸水量更高，原因在于其非晶相狀態(tài)下有相對(duì)較低的密度。冷卻導(dǎo)致結(jié)晶和相對(duì)較高自由體積的非晶相鏈構(gòu)象，易于吸水。PA46經(jīng)退火處理后，可建立一種緊湊的非晶相狀態(tài)，從而大幅降低材料的吸水量。
PA46材料經(jīng)退火處理后吸水量降低，從而減少了由于吸水引起的相關(guān)尺寸和機(jī)械變化(見(jiàn)表2)。
表 2. 退火處理前后，在100%相對(duì)濕度下暴露在水中，尺寸變化百分比
* 230℃ 下經(jīng)24 小時(shí)退火
** 鋼轂增加了徑向膨脹
重要的是，在退火處理后，高溫下工作的部件，其尺寸變化遵循線性熱膨脹(CLTE)系數(shù)而不是吸水量，因此變化是可以預(yù)計(jì)的。
圖 3. 在各種條件下退火后，與玻纖填充型(GF)PA66 和PPA 材料
相比，GFPA46 材料的吸水量降低
■ 退火和機(jī)械性能變化
除了降低吸水量以外，退火也增強(qiáng)了PA46在高于Tg溫度時(shí)的機(jī)械性能。圖4的動(dòng)態(tài)機(jī)械分析(DMA)曲線比較了未填充型PA46(DAM及退火處理)與PA66和POM三種材料。
圖 4.經(jīng)退火處理的PA46 與 PA66 和 POM 的DMA 曲線
經(jīng)退火處理的PA46在高于 Tg的溫度時(shí)，模量增加高達(dá)50%。拉伸強(qiáng)度也同樣增加(圖5，在2%張力時(shí)的應(yīng)力)。
圖 5. 120 °C 時(shí)，未經(jīng)退火處理和退火處理PA66 和PA46 (Stanyl) 材料在2% 張力時(shí)的應(yīng)力。
另外， PA46在退火處理后，在140℃時(shí)呈現(xiàn)出更好的抗疲勞性(圖6)。
圖6.玻纖和碳纖維加強(qiáng)型PA46(TW200XX)材料在210°C下經(jīng)過(guò)16 小時(shí)退火處理后，對(duì)其在140°C
時(shí)抗疲勞性的影響。(圖中：上方：STANYL 在8Hz/140℃時(shí)的疲勞情況(在210℃下經(jīng)過(guò)20 小時(shí)退火處
理，下方：疲勞周期)
初步研究表明，退火也可以改善PA46的磨損和摩擦性能(W&F)。根據(jù)扭矩減震器應(yīng)用的ASTM D-3702標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)經(jīng)聚四氟乙烯改良的PA46材料，研究了在未潤(rùn)滑時(shí)的應(yīng)用情況。(表3)
表 3－由PA46材料制造的扭矩減震器的磨損和摩擦性能
* 經(jīng)聚四氟乙烯改良 (PTFE)
# 與鋼相互摩擦
注意，經(jīng)退火處理后，磨損率降低了一半以上，而摩擦系數(shù)也有較大降低。
結(jié)論
在高溫下對(duì)強(qiáng)度要求較高的應(yīng)用中，PA46材料均有最好的表現(xiàn)。退火處理進(jìn)一步降低了PA46的吸水量，增加材料強(qiáng)度，從而幫助設(shè)計(jì)者有更多選擇來(lái)設(shè)計(jì)更小型、更易于加工的機(jī)械部件。廣泛的研究得出的可靠結(jié)果詳細(xì)說(shuō)明了PA46退火處理參數(shù)及效果，為高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用下的部件設(shè)計(jì)制造提供支持。
如有任何問(wèn)題，請(qǐng)聯(lián)系：
DSM工程塑料公司亞太公司 Joydeep Sen Chaudhuri，Joydeep.SenChaudhuri@dsm.com。
應(yīng)用舉例
■ 起動(dòng)電動(dòng)機(jī)環(huán)形齒輪
起動(dòng)時(shí)機(jī)環(huán)齒輪需在較為苛刻的條件下工作，要求在130 ℃時(shí)能夠承受50,000次起動(dòng)，在30 ℃時(shí)通過(guò)停車試驗(yàn)并有效工作。在領(lǐng)先起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商公司的所有測(cè)試中，只有DSM的PA46能夠通過(guò)全部測(cè)試。
■ 開窗馬達(dá)和齒輪組
設(shè)計(jì)人員用用小型、轉(zhuǎn)速較快的馬達(dá)代替大型、轉(zhuǎn)速較低的馬達(dá)。當(dāng)較高的RPM產(chǎn)生的摩擦熱量高于其260℃熔點(diǎn)時(shí)，PA66未能通過(guò)實(shí)驗(yàn)。而未加強(qiáng)型PA46在經(jīng)退火處理后(熔點(diǎn)295℃)解決了這一問(wèn)題，在高于260℃時(shí)仍保持了較好的強(qiáng)度。新設(shè)計(jì)降低了成本，并且節(jié)省了約20%的空間。
■ 電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向齒輪
電動(dòng)汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在采用PA46齒輪后，目前已經(jīng)代替了液壓系統(tǒng)，這樣防止了來(lái)自轉(zhuǎn)向軸和車輪的噪音傳入汽車內(nèi)部。標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格——齒輪任何一個(gè)齒的損壞都可能導(dǎo)致導(dǎo)向系統(tǒng)失靈。在整個(gè)使用壽命期間，齒輪必須在120～130 ℃下工作(4,000小時(shí))。采用了未增強(qiáng)型PA46材料。
原載《DESIGN NEWS China》(end)
