玻璃纤维增强PA66注塑工程塑料轴承材料特性分析与研究

2023-01-02郭容宋宁

中国设备工程 2022年6期

郭容，宋宁

（宜宾职业技术学院，四川宜宾 644000）

工程塑料具有优良的自润滑性、耐磨、低摩擦系数和特殊的抗咬合性，即使在润滑条件不良的条件下也能正常工作，因此被广泛用作轴承材料。其中POM塑料轴承是所有塑料轴承中应用最为广泛的一种。一般内外圈材料采用POM或PA，滚珠为玻璃球，不锈钢球或陶瓷球，保持架常采用玻璃纤维增强的尼龙材料制成，本文将对塑料轴承保持架的成型材料进行分析，在采用注塑一次成型的加工时，比较其材料综合特性表现情况，为精密塑料轴承制造生产的选材提供参考依据。

1 成型工程塑料轴承保持架的材料特性要求

保持架是部分地包裹全部或部分滚动体，也可隔离滚动体，并随滚动体运动，通常还引导滚动体并将其保持在轴承内。轴承工作要承受冲击、震动和速度多变的条件，会因滑动摩擦而造成轴承发热和磨损，因此，要求保持架的材料除了有一定强度外，要有良好的摩擦、磨损与导热等材料性能，应具备的性能如下：

（1）机械性能：足够的强度、弹性模量及冲击强度。（2）化学物理性能：耐摩擦、耐腐蚀、导热和抗振动的性能。

（3）加工性能：塑料保持架应具备优良的熔融流动性，应具备优良的成型加工性。

（4）产品性能：有足够的精度、尺寸稳定性，优良的表面质量，不易变形，产品稳定性好。

铝合金材质的保持架压铸成型的模具设计与制造较复杂，压铸成型易使保持架兜孔拉伤。塑料材质的保持架可一次注射成形，模具相对简单，成型能获得精确的几何形状和尺寸精度及低表面粗糙度值，无需机械加工，生产效率较高。

2 塑料保持架常用材料性能

目前塑料保持架的材料主要使用聚酰胺（PA）加玻璃纤维（GF）。这是因为聚酰胺具有较好的机械性能、韧性、自润滑性、耐磨性、耐化学品性、气体阻隔性、耐油性，而且还具有无毒、易着色等优点。PA66复合树脂保持架中是最常用的材料。由于玻璃纤维的比强度和杨氏模量远大于PA66，线膨胀系数约为PA66的1/20，吸水率几乎为零，耐热和耐化学腐蚀性好。应用聚硅氧烷等偶联剂，使得用玻璃纤维改性后的PA66，提升了材料的刚性、抗冲击强度、耐磨和耐高温等性能,可作为一种轻量化的金属替代品，在塑料轴承的保持架，尤其是精密塑料轴承常采用的是玻纤改性的PA66。

3 玻璃纤维增强改性PA材料特性比较

德国的化工巨头巴斯夫BASF生产的Ultramid塑料是以PA6、PA66和各种共聚物为基础的聚酰胺成型化合物，是成型轴承支撑架的常用材料。以下将对以Ultramid的PA66为基体，以不同比例的玻璃纤维增强后的材料进行注塑成型特性分析。

3.1 塑料粘度

塑料粘度是指注塑过程中熔体剪切流动的阻力（流体分子间的相互作用力），随着剪切率（相对移动的速度）或温度的增加而降低。熔胶流动率(MFR)、材料注射压力和锁模力的影响，不同的材料需要不同的注射压力和锁模力，不同的材料的粘度范围是不同的。通过比较德国巴斯夫企业生产的几种比例玻纤增强PA66的粘度曲线，25%GF/PA66粘度随着剪切速率的增加较为均匀的下降，15%、30%和50%的GF/PA66下降速度有一段平缓期，之后有一段快速下降期，粘度随着剪切速率的增加下降的越快，流动性越好，越易于成型。

3.2 塑料热特性

比热容参数对材料的传导热量的能力和材料对冷却时间的影响有较大的影响。Ultramid系列材料的比热容较高，不仅需要大功率的融化加热设备，且凝固和冷却时间较长，凝固和冷却时间与壁厚或直径的平方成正比。通过查询BASF巴斯夫公司Ultramid尼龙66系列材料的物性参数得到一些参考数值，随着玻纤含量的增加，比热容有降低的趋势，同时材料的线性膨胀系数整体有降低趋势，低热膨胀系数可有效减少制件收缩，线膨胀系数是随温度的升高而增大，但不是线性关系，因此，温度会影响产品尺寸的稳定性。随着玻纤含量的增加，比导热系数有升高的趋势，材料的导热性和热扩散能力提升，冷却时间较短，可缩短成型周期。几种材料的熔点较高，达到了260℃。通常，BASF Ultramid PA66 A3HG5材料为注塑级25%玻纤增强的改性材料，因其高硬度、尺寸稳定、抗热老化、绝缘，常备选用为轴承保持器的专用料。

3.3 PVT 特性

PVT特性描述塑料如何随着压力和温度的变化而收缩和膨胀，在充填和保压过程中，因为压力增大而使塑料收缩，在冷却过程中，因为温度降低而使塑料收缩，当塑料分子以规则的结构构成水晶样式时结晶产生，结晶度（塑胶在结晶区域的时间）越高意味着收缩越大。经研究表明，对于没有玻纤改性的一般注塑级PA66的收缩率约在1.4%～1.8%，随着加入玻璃纤维添加剂可以使收缩率降低到0.3%。比容随着温度的升高和压力的降低而增大，随着温度的升高明显出现一个转变区，该转变区对应其结晶态道熔融态的转变，而几种比例玻纤改性的PA66的转变温度较为相近，15%GF/PA66成型收缩率约0.6%～0.9%,25%GF/PA66成型收缩率约0.4%～0.7%,,30%GF/PA66成型收缩率约0.4%～0.7%,50%GF/PA66成型收缩率约0.1%～0.3%,随着玻纤含量的增加，成型收缩率越低，产品的成型越稳定。

3.4 机械特性

E1和E2分别代表流动方向和垂直流动方向的模数，通常来说，两个方向上的E值越高越均一，收缩越低，翘曲也会越小。对于半结晶材料，E1和E2有时会发生变化，混有纤维的塑料的E1和E2与纯的塑料有很大的不同，翘曲可能会更大。从弹性模量E1、弹性模量E2和剪切模量G12来看，随着玻璃纤维的含量增加，材料整体的机械性能会提高。

3.5 玻璃纤维增强PA66材料性能比较结论

通过对德国的巴斯夫BASF Ultramid的PA66玻纤增强的系列材料性能比较分析，PA66的粘性较低，因此流动性较好，这个性质可以用来加工薄的元件。PA66在聚酰胺材料中有较高的熔点，它是一种半晶体-晶体材料，玻璃纤维增强的PA66在较高温度也能保持较强的强度和刚度。PA66/GF材料的吸湿性、粘度、热特性、收缩率等特性对注塑成型效率和产品质量有影响，成型时还应综合考虑材料的组成、壁厚以及温度等环境条件。添加玻璃纤维改性增强的PA66工程塑料的机械性能有明显的提高。