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工程材料拓展齿轮设计应用范围

时间: 2011-07-07 09:00 来源: 作者: H.K. van Dijk, H.G.H 点击:
聚酰胺46(PA46)材料具有70%的结晶度,在高温下展现出良好的耐磨性和摩擦性能,并且很好地保持了其机械性能,适用于需在高扭矩和高温下工作的应用。PA46具有多种适于齿轮设计的性能,并可通过不可逆的高温退火处理进一步增强。PA46材料在玻璃转化温度以上的高温下经退火处理后,其硬度和强度性能可提高50%,并且改善了抗疲劳性、耐磨性和摩擦性能。另外,与其它聚酰胺材料相比,PA46的独特优点在于,经退火处理后可降低材料的吸水量。重要的是,在高温下退火处理的部件公差由其线性热膨胀(CLTE)系数决定,而不是由吸水引起的尺寸变化决定。这里讨论几种PA46齿轮应用:起动、自动开闭式车窗和动力转向齿轮。

PA46简介

聚酰胺46(PA46;PA46配方,Stanyl产品,由DSM工程塑料公司生产销售)制成的产品,在成型后进行退火处理可以大大增强产品的各种性能。处理后,可以降低产品的吸水量,改善其机械性能,硬度和强度性能可提高50%,增加分子量,并且有更好的抗疲劳性能。在PA46退火处理方面已经发展出了一系列有用的工程学知识,主要为日益广泛的PA46材料齿轮应用中提供技术支持。齿轮在应用中会受到各种不同应力,如切向力、径向力和(特别是在螺旋设计中)轴向力等等。

有许多应用中,热塑性塑料已经替代了金属用于齿轮制造。与金属齿轮相比,工程热塑性塑料具有电气、机械和化学性能方面的优势;对润滑的要求极低,甚至无需润滑;重量轻;可以成型为更多的几何形状,制造速度快。

PA46的结构

PA46 (熔点为 295 ℃; Tg为 80 ℃) ,由己二酸和二氨基丁烷对称分子链组成(图1)。


(图中:聚酰胺的结构差别)
图1. PA46(Stanyl)的链结构与PA66 和PA6 的链结构比较。

在PA46中,每个酰胺键都伴随有4个CH2成分。这些有规律的分子链保证了材料有70%左右的快速结晶度(PA66和PA6相比之下为50%,而聚邻苯二甲酰胺[PPA]为30%)。快速结晶不仅缩短了PA46的生产周期时间,也导致该材料呈现精细的球粒结构,并且有相对较高的冲击值——约10 kJ/m2,而PA6/66成型干燥(DAM)时为5~7 kJ/m2。更重要的是,PA46在高于玻璃转化温度时也保持了较好的硬度和强度(图2)。


图2. PA46与竞争性材料在高温下硬度比较 ,动态机械分析(DMA)图

在过去几十年中,聚酰胺 (PA)树脂——传统上是PA6和66(PA6/66)材料——广泛用于齿轮制造。问题在于,PA6/66材料无法承受较高的环境温度或扭矩/RPM产生的高温。与PA6/66相比,PA46的结晶度和玻璃转化温度(Tg)可提供更高的硬度和强度,因而PA46成为在这些应用中的理想材料。在成型后的退火处理进一步改善了这些工程性能。

通过退火处理改善高温性能并减少吸水量

退火处理可以改善PA46的材料性能。退火是在高于材料的Tg温度时对材料进行高温处理,但温度要低于其熔点。退火结果是不可逆的,因为退火时出现固态缩合使得分子量增加。

■ 退火和降低吸水量

聚酰胺的吸水量由材料的极性(亲水趋向)和结晶度决定。PA46为高极 >>性材料;另外,PA46的高结晶度也降低了吸水量,因为吸水过程只在材料的非晶相状态下发生。然而,尽管具有上述两个优点,PA46仍显示出较高的吸水程度 (表1)。

表 1. 在不同%的相对湿度下(RH), PA46, PA66和PA6 的吸水量

PA46材料的吸水量更高,原因在于其非晶相状态下有相对较低的密度。冷却导致结晶和相对较高自由体积的非晶相链构象,易于吸水。PA46经退火处理后,可建立一种紧凑的非晶相状态,从而大幅降低材料的吸水量。

PA46材料经退火处理后吸水量降低,从而减少了由于吸水引起的相关尺寸和机械变化(见表2)。

表 2. 退火处理前后,在100%相对湿度下暴露在水中,尺寸变化百分比

* 230℃ 下经24 小时退火
** 钢毂增加了径向膨胀

重要的是,在退火处理后,高温下工作的部件,其尺寸变化遵循线性热膨胀(CLTE)系数而不是吸水量,因此变化是可以预计的。


图 3. 在各种条件下退火后,与玻纤填充型(GF)PA66 和PPA 材料
相比,GFPA46 材料的吸水量降低

■ 退火和机械性能变化

除了降低吸水量以外,退火也增强了PA46在高于Tg温度时的机械性能。图4的动态机械分析(DMA)曲线比较了未填充型PA46(DAM及退火处理)与PA66和POM三种材料。


图 4.经退火处理的PA46 与 PA66 和 POM 的DMA 曲线

经退火处理的PA46在高于 Tg的温度时,模量增加高达50%。拉伸强度也同样增加(图5,在2%张力时的应力)。


图 5. 120 °C 时,未经退火处理和退火处理PA66 和PA46 (Stanyl) 材料在2% 张力时的应力。

另外, PA46在退火处理后,在140℃时呈现出更好的抗疲劳性(图6)。


图6.玻纤和碳纤维加强型PA46(TW200XX)材料在210°C下经过16 小时退火处理后,对其在140°C
时抗疲劳性的影响。(图中:上方:STANYL 在8Hz/140℃时的疲劳情况(在210℃下经过20 小时退火处
理,下方:疲劳周期)

初步研究表明,退火也可以改善PA46的磨损和摩擦性能(W&F)。根据扭矩减震器应用的ASTM D-3702标准,对经聚四氟乙烯改良的PA46材料,研究了在未润滑时的应用情况。(表3)

表 3-由PA46材料制造的扭矩减震器的磨损和摩擦性能

* 经聚四氟乙烯改良 (PTFE)
# 与钢相互摩擦

注意,经退火处理后,磨损率降低了一半以上,而摩擦系数也有较大降低。

结论

在高温下对强度要求较高的应用中,PA46材料均有最好的表现。退火处理进一步降低了PA46的吸水量,增加材料强度,从而帮助设计者有更多选择来设计更小型、更易于加工的机械部件。广泛的研究得出的可靠结果详细说明了PA46退火处理参数及效果,为高标准应用下的部件设计制造提供支持。

如有任何问题,请联系:
DSM工程塑料公司亚太公司 Joydeep Sen Chaudhuri,Joydeep.SenChaudhuri@dsm.com。

应用举例

■ 起动电动机环形齿轮

起动时机环齿轮需在较为苛刻的条件下工作,要求在130 ℃时能够承受50,000次起动,在30 ℃时通过停车试验并有效工作。在领先起动发动机制造商公司的所有测试中,只有DSM的PA46能够通过全部测试。

■ 开窗和齿轮组

设计人员用用小型、转速较快的马达代替大型、转速较低的马达。当较高的RPM产生的摩擦热量高于其260℃熔点时,PA66未能通过实验。而未加强型PA46在经退火处理后(熔点295℃)解决了这一问题,在高于260℃时仍保持了较好的强度。新设计降低了成本,并且节省了约20%的空间。

■ 电动动力转向齿轮

电动汽车动力转向系统,在采用PA46齿轮后,目前已经代替了系统,这样防止了来自转向轴和车轮的噪音传入汽车内部。标准非常严格——齿轮任何一个齿的损坏都可能导致导向系统失灵。在整个使用寿命期间,齿轮必须在120~130 ℃下工作(4,000小时)。采用了未增强型PA46材料。

原载《DESIGN NEWS China》(end)

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