均苯型聚酰亚胺保持架材料的成形工艺及性能研究

2016-07-30孙小波王子君

轴承 2016年11期

孙小波，王子君

（1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南洛阳471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南洛阳 471039）

目前，高温高速轴承保持架多由金属材料制成。随着合成工业的进步，特种工程塑料的耐热等级日益增高，如均苯型聚酰亚胺（PI）长期工作温度不低于350℃，聚苯并咪唑（PBI）可以耐受400℃的高温。Vespel®SP均苯型PI保持架已应用于直升机变速器轴承，该轴承在润滑失灵后还能继续运转24 h。Vespel®SCP5000新型均苯型PI材料尺寸稳定性极佳，热膨胀系数几乎与不锈钢相当，可在350℃高温下长期工作，由该材料制作的保持架已成功应用于航空发动机轴承中。

PI是一类主链上含有酰亚胺环的高分子材料的总称，结构种类繁多，常见的有联苯型、均苯型、酮酐型、醚酐型［1］等。PI的性能与其结构密切相关，从耐热性上看，一般地，联苯型＞均苯型＞酮酐型＞醚酐型［2］。PI保持架材料用于高温高速轴承的前提条件是耐热性能满足需求，长期使用温度应不低于260℃。目前，国内应用于轴承保持架材料的主要为单醚酐型PI，其长期使用温度不大于200℃，不能满足高温高速轴承使用要求。

采用热压工艺研究均苯型PI保持架材料的成形方法，重点分析温度对其拉伸强度、硬度和摩擦学的影响规律，并与单醚酐型PI保持架材料的性能进行了对比。在此基础上，通过装有均苯型聚酰亚胺保持架轴承的高温高速和抗贫油能力试验，验证均苯型PI保持架应用于高温高速轴承的可能性。

1 工艺试验

1.1 原料与设备

试验用均苯型PI模塑粉为淡黄色粉末，密度1.35 g/cm3；单醚酐型PI模塑粉为黄色粉末，密度1.40 g/cm3，压制烧结设备为热压机。

1.2 试样制备

均苯型PI保持架材料采用优化的成形工艺制得，单醚酐型PI保持架材料采用现有工艺制得。试样尺寸：保持架外径φ60 mm，内径φ48 mm，厚6 mm。

1.3 均苯型PI保持架材料成形工艺

均苯型PI分子链刚性强，无熔点，高黏无流变，加工成形困难，只能依靠分子链黏弹形变的运动特性，在加热到玻璃化转变温度之上并同步施压方可成形，即只能热压成形。热压成形温度、成形压力和保压时间是影响均苯型PI保持架材料拉伸强度的3个主要因素。

采用正交试验法，考察上述3个因素对保持架材料拉伸强度的影响，在前期单因素试验的基础上，确定的因素和水平见表1，正交试验方案见表2。将表2中各因素水平指标求和得到表3所示的分析结果。由表3可知，优化方案为A2B3C2。

表2 均苯型PI成形工艺L9（33）正交试验方案Tab.2 Orthogonal test table of Polypyromelliticimide’smolding process L9（33）

表3 均苯型PI成形工艺极差分析结果Tab.3 Orthogonal test result of Polypyromelliticimide’s molding process

均苯型PI模塑粉不熔，当成形温度大于玻璃化转变温度383℃时进入高弹态，温度适当升高时，高压下均苯型PI模塑粉充模完成，材料拉伸强度随之提高。由于均苯型PI成形温度窗口小，温度达到398℃时可能出现部分交联反应，模腔内外模塑粉的固化速度呈现差异性，最终致使材料拉伸强度下降。较高的成形压力使得高弹态物料充满模具型腔，增大材料密度，提高保持架材料的拉伸强度。保压时间的适当延长利于模腔中高弹态物料流动取向，高分子材料流动取向后，拉伸强度有所增加，但保压时间不能过长，均苯型PI长时间处于高温高压下会出现交联老化现象，从而使拉伸强度下降。

根据正交试验极差分析结果，均苯型PI保持架材料的最佳成形工艺参数为：成形温度393℃，成形压力1 200 kg/cm2，保压时间20 min/mm。为了检验正交试验得出的成形工艺参数，按照该工艺参数制得保持架材料的拉伸强度为110 MPa，证实了工艺参数的合理性。

2 性能试验

2.1 试验方法

依据Q/ZYS J063—2013《模压聚酰亚胺保持架坯料技术条件》，采用DNS20型电子微控万能试验机测试拉伸强度。依据GB/T 2411—2008《塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）》，采用V-SD型邵氏硬度计测试硬度。采用DSC法测定玻璃化转变温度。依据GB/T 1634.2—2004《塑料负荷变形温度的测定第2部分：塑料、硬橡胶和长纤维增强复合材料》，采用ZWK1302-B型微机控制热变形维卡软化点试验机测试热变形温度。依据GB/T 1036—2008《塑料 -30～30℃线膨胀系数的测定石英膨胀计法》，采用ZRPY型线膨胀系数仪测试线膨胀系数。采用CFT-1型表面综合性能测量仪测试摩擦学性能，摩擦副接触方式如图1所示。试样表面经800目金相砂纸打磨；试验条件：干摩擦，载荷30 N，频率20 Hz，滑动距离5 mm，φ4 mm对磨钢球，时间1 h。

图1 摩擦副接触方式示意图Fig.1 Schematic diagram of friction pair’s contacting scheme

2.2 均苯型PI保持架材料的性能

2种PI保持架材料部分性能见表4。由表可知，均苯型PI保持架材料的平均线膨胀系数相对较小，硬度相对较大，热学性能显著优于传统单醚酐型PI保持架材料，适用于高温工况。因此，有必要研究均苯型PI保持架材料拉伸强度、硬度、摩擦学性能等随温度的变化规律。

表4 2种PI保持架材料性能Tab.4 Performances of two types PI cagematerials

2.2.1 温度对PI保持架材料拉伸强度的影响

2种PI保持架材料的拉伸强度随温度变化曲线如图2所示，拉伸强度保持率见表5。由此可知，随着温度的升高，2种PI保持架材料的拉伸强度及拉伸强度保持率均呈下降趋势，尤其是单醚酐型PI下降幅度较大，而均苯型PI下降趋势较缓。均苯型PI保持架材料拉伸强度保持率在260℃时高达64.5%，单醚酐型PI为17.9%。这主要是由于2种PI结构差异大，单醚酐型PI结构含有醚键，玻璃化转变温度和热变形温度低，耐热性较差；均苯型PI结构刚性强，玻璃化转变温度和热变形温度较高，耐热性优异。

表5 不同温度下材料的拉伸强度保持率Tab.5 Materials tensile strength retention at different temperature

图2 材料拉伸强度随温度的变化曲线Fig.2 Curve ofmaterials tensile strength with temperature

2.2.2 温度对PI保持架材料硬度的影响

2种PI保持架材料硬度随温度的变化规律见表6。由表可知，随着温度的升高，单醚酐型PI的硬度逐渐下降，而均苯型PI的硬度几乎不变。虽然2种PI均属于无定型结构，但二者的耐热性能差距较大，当环境温度为260℃，已超过单醚酐型PI保持架材料热变形温度（249℃），材料变软，硬度大幅下降；均苯型PI热变形温度高于环境温度，加之不熔特性，因此硬度几乎无变化。

表6 不同温度下材料的硬度Tab.6 PI cagematerials′s hardness at different temperature

2.2.3 温度对PI保持架材料摩擦学性能的影响

2种PI试样在不同温度下的摩擦曲线和磨损情况分别如图3和图4所示。

图3 不同温度下2种试样的摩擦曲线Fig.3 Friction curve of samples at different temperature

图4 不同温度下2种试样的磨损情况Fig.4 Wear loss of samples under different temperature

对于单醚酐型PI，环境温度升高至100℃时，摩擦因数降低，磨损量增加；环境温度升高至150℃时，摩擦因数基本保持不变，磨损量继续加大。这是由于PI是热的不良导体，摩擦热不能快速向环境传导，在试样表层留下较高的温度梯度，相接触的表面微凸体表层进入高弹态，磨损变大；当环境温度升高到200℃时，无法快速传导出的摩擦热使接触区域温度可能超过其热变形温度，表面软化（图5），同时硬度降低，表面承载能力下降，摩擦副实际接触面积和体积增大，摩擦因数升高，磨损增大；当环境温度达到260℃时，材料本体进入高弹态，积聚的摩擦热使得实际接触区域温度大幅超过单醚酐型PI的玻璃化转变温度而进入黏流态，分子链段在摩擦力作用下发生沿滑动方向的运动，表面形成熔化转移润滑层（图6），摩擦因数大幅下降，同时，表面硬度进一步降低，承载性大幅下降，蠕变严重，磨损急剧增加。

图5 摩擦试验后2种试样的表面照片Fig.5 The surface photo of samples after friction test

图6 试样磨损表面的光学显微镜照片Fig.6 The opticalmicroscope photo of samplesworn surface

对于均苯型PI，环境温度不超过200℃时，随着环境温度的升高，材料分子链段活动空间稍大，摩擦因数有所下降且基本稳定在0.2；当环境温度达到260℃时，无法快速传导出的摩擦热使得摩擦副接触面的温度高于260℃，远低于材料的玻璃化转变温度（383℃），因而处于玻璃态，不会出现单醚酐型PI的软化现象，更不会形成熔化转移润滑层。摩擦因数增大到约0.3，均苯型PI保持架材料不熔，理论最高工作温度可达330～350℃。在试验温度范围内，均苯型PI物理状态未发生变化，更不会发生化学变化，磨损量基本保持不变。

3 应用

为了验证均苯型PI保持架应用于高温高速轴承的可行性，在某角接触球轴承中考察了其高温高速的适应性，并与分别装有单醚酐型PI和传统铜镀银金属保持架的轴承进行了抗贫油对比试验。

3.1 高温高速试验

在最大轴向载荷7 000 N，径向载荷4 000 N，最高转速50 000 r/min，轴承dm·n值1.75×106mm·r/min，供油量1 L/min工况下，轴承安全运转195 min，外圈最高温度216℃，保持架温度应大于240℃。试验结束后拆分轴承，保持架完好无磨损（图7），表明均苯型PI保持架高温高速适应性良好。

图7 高温高速试验后的均苯型PI保持架Fig.7 Polypyromelliticimide cage after high temperature and high speed test

3.2 抗贫油试验

在最大轴向载荷4 500 N，最大径向载荷2 000 N，转速24 000 r/min，10%的正常供油量（0.1 L/min）工况下，装有2种PI保持架的轴承均运转正常，而装有铜镀银保持架轴承的试验机报警停机，拆解轴承后发现保持架镀银层剥落，引导面磨损严重（图8c）。转速提高到28 000 r/min时，外圈温度达到190℃，装有PI保持架的2种轴承均报警停机，拆解后发现：装有均苯型PI的保持架无损伤，球和内圈出现均匀“蓝黑色［3］”（图8a）；装有单醚酐型PI保持架软化变形，球全部嵌入到保持架内（图8b），无法取出。结果表明，装有均苯型PI保持架轴承的抗贫油性能优。