聚酰胺46(PA46)材料具有70%的結晶度，在高溫下展現出良好的耐磨性和摩擦性能，并且很好地保持了其機械性能，適用于需在高扭矩和高溫下工作的齒輪應用。PA46具有多種適于齒輪設計的性能，并可通過不可逆的高溫退火處理進一步增強。PA46材料在玻璃轉化溫度以上的高溫下經退火處理后，其硬度和強度性能可提高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的獨特優點在于，經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齒輪應用：起動電動機、自動開閉式車窗和動力轉向齒輪。
PA46簡介
聚酰胺46(PA46；PA46配方，Stanyl產品，由DSM工程塑料公司生產銷售)制成的產品，在成型后進行退火處理可以大大增強產品的各種性能。處理后，可以降低產品的吸水量，改善其機械性能，硬度和強度性能可提高50%，增加分子量，并且有更好的抗疲勞性能。在PA46退火處理方面已經發展出了一系列有用的工程學知識，主要為日益廣泛的PA46材料齒輪應用中提供技術支持。齒輪在應用中會受到各種不同應力，如切向力、徑向力和(特別是在螺旋設計中)軸向力等等。
有許多應用中，熱塑性塑料已經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、機械和化學性能方面的優勢；對潤滑的要求極低，甚至無需潤滑；重量輕；可以成型為更多的幾何形狀，制造速度快。
PA46的結構
PA46 (熔點為 295 ℃； Tg為 80 ℃) ，由己二酸和二氨基丁烷對稱分子鏈組成(圖1)。
(圖中：聚酰胺的結構差別)
圖1. PA46(Stanyl)的鏈結構與PA66 和PA6 的鏈結構比較。
在PA46中，每個酰胺鍵都伴隨有4個CH2成分。這些有規律的分子鏈保證了材料有70%左右的快速結晶度(PA66和PA6相比之下為50%，而聚鄰苯二甲酰胺[PPA]為30%)。快速結晶不僅縮短了PA46的生產周期時間，也導致該材料呈現精細的球粒結構，并且有相對較高的沖擊值——約10 kJ/m2，而PA6/66成型干燥(DAM)時為5～7 kJ/m2。更重要的是，PA46在高于玻璃轉化溫度時也保持了較好的硬度和強度(圖2)。
圖2. PA46與競爭性材料在高溫下硬度比較 ，動態機械分析(DMA)圖
在過去幾十年中，聚酰胺 (PA)樹脂——傳統上是PA6和66(PA6/66)材料——廣泛用于齒輪制造。問題在于，PA6/66材料無法承受較高的環境溫度或扭矩/RPM產生的高溫。與PA6/66相比，PA46的結晶度和玻璃轉化溫度(Tg)可提供更高的硬度和強度，因而PA46成為在這些應用中的理想材料。在成型后的退火處理進一步改善了這些工程性能。
通過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溫度時對材料進行高溫處理，但溫度要低于其熔點。退火結果是不可逆的，因為退火時出現固態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)和結晶度決定。PA46為高極 >>性材料；另外，PA46的高結晶度也降低了吸水量，因為吸水過程只在材料的非晶相狀態下發生。然而，盡管具有上述兩個優點，PA46仍顯示出較高的吸水程度 (表1)。
表 1. 在不同%的相對濕度下(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下有相對較低的密度。冷卻導致結晶和相對較高自由體積的非晶相鏈構象，易于吸水。PA46經退火處理后，可建立一種緊湊的非晶相狀態，從而大幅降低材料的吸水量。
PA46材料經退火處理后吸水量降低，從而減少了由于吸水引起的相關尺寸和機械變化(見表2)。
表 2. 退火處理前后，在100%相對濕度下暴露在水中，尺寸變化百分比
* 230℃ 下經24 小時退火
** 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)系數而不是吸水量，因此變化是可以預計的。
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
■ 退火和機械性能變化
除了降低吸水量以外，退火也增強了PA46在高于Tg溫度時的機械性能。圖4的動態機械分析(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.經退火處理的PA46 與 PA66 和 POM 的DMA 曲線
經退火處理的PA46在高于 Tg的溫度時，模量增加高達50%。拉伸強度也同樣增加(圖5，在2%張力時的應力)。
圖 5. 120 °C 時，未經退火處理和退火處理PA66 和PA46 (Stanyl) 材料在2% 張力時的應力。
另外， PA46在退火處理后，在140℃時呈現出更好的抗疲勞性(圖6)。
圖6.玻纖和碳纖維加強型PA46(TW200XX)材料在210°C下經過16 小時退火處理后，對其在140°C
時抗疲勞性的影響。(圖中：上方：STANYL 在8Hz/140℃時的疲勞情況(在210℃下經過20 小時退火處
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)。根據扭矩減震器應用的ASTM D-3702標準，對經聚四氟乙烯改良的PA46材料，研究了在未潤滑時的應用情況。(表3)
表 3－由PA46材料制造的扭矩減震器的磨損和摩擦性能
* 經聚四氟乙烯改良 (PTFE)
# 與鋼相互摩擦
注意，經退火處理后，磨損率降低了一半以上，而摩擦系數也有較大降低。
結論
在高溫下對強度要求較高的應用中，PA46材料均有最好的表現。退火處理進一步降低了PA46的吸水量，增加材料強度，從而幫助設計者有更多選擇來設計更小型、更易于加工的機械部件。廣泛的研究得出的可靠結果詳細說明了PA46退火處理參數及效果，為高標準應用下的部件設計制造提供支持。
如有任何問題，請聯系：
DSM工程塑料公司亞太公司 Joydeep Sen Chaudhuri，[email protected]。
應用舉例
■ 起動電動機環形齒輪
起動時機環齒輪需在較為苛刻的條件下工作，要求在130 ℃時能夠承受50,000次起動，在30 ℃時通過停車試驗并有效工作。在領先起動發動機制造商公司的所有測試中，只有DSM的PA46能夠通過全部測試。
■ 開窗馬達和齒輪組
設計人員用用小型、轉速較快的馬達代替大型、轉速較低的馬達。當較高的RPM產生的摩擦熱量高于其260℃熔點時，PA66未能通過實驗。而未加強型PA46在經退火處理后(熔點295℃)解決了這一問題，在高于260℃時仍保持了較好的強度。新設計降低了成本，并且節省了約20%的空間。
■ 電動動力轉向齒輪
電動汽車動力轉向系統，在采用PA46齒輪后，目前已經代替了液壓系統，這樣防止了來自轉向軸和車輪的噪音傳入汽車內部。標準非常嚴格——齒輪任何一個齒的損壞都可能導致導向系統失靈。在整個使用壽命期間，齒輪必須在120～130 ℃下工作(4,000小時)。采用了未增強型PA46材料。
原載《DESIGN NEWS China》(end)
