玻璃纖維增強(qiáng)PA66注塑工程塑料軸承材料特性分析與研究

郭容，宋寧

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644000）

工程塑料具有優(yōu)良的自潤(rùn)滑性、耐磨、低摩擦系數(shù)和特殊的抗咬合性，即使在潤(rùn)滑條件不良的條件下也能正常工作，因此被廣泛用作軸承材料。其中POM塑料軸承是所有塑料軸承中應(yīng)用最為廣泛的一種。一般內(nèi)外圈材料采用POM或PA，滾珠為玻璃球，不銹鋼球或陶瓷球，保持架常采用玻璃纖維增強(qiáng)的尼龍材料制成，本文將對(duì)塑料軸承保持架的成型材料進(jìn)行分析，在采用注塑一次成型的加工時(shí)，比較其材料綜合特性表現(xiàn)情況，為精密塑料軸承制造生產(chǎn)的選材提供參考依據(jù)。

1 成型工程塑料軸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滾動(dòng)體，也可隔離滾動(dòng)體，并隨滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)，通常還引導(dǎo)滾動(dòng)體并將其保持在軸承內(nèi)。軸承工作要承受沖擊、震動(dòng)和速度多變的條件，會(huì)因滑動(dòng)摩擦而造成軸承發(fā)熱和磨損，因此，要求保持架的材料除了有一定強(qiáng)度外，要有良好的摩擦、磨損與導(dǎo)熱等材料性能，應(yīng)具備的性能如下：

（1）機(jī)械性能：足夠的強(qiáng)度、彈性模量及沖擊強(qiáng)度。（2）化學(xué)物理性能：耐摩擦、耐腐蝕、導(dǎo)熱和抗振動(dòng)的性能。

（3）加工性能：塑料保持架應(yīng)具備優(yōu)良的熔融流動(dòng)性，應(yīng)具備優(yōu)良的成型加工性。

（4）產(chǎn)品性能：有足夠的精度、尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的表面質(zhì)量，不易變形，產(chǎn)品穩(wěn)定性好。

鋁合金材質(zhì)的保持架壓鑄成型的模具設(shè)計(jì)與制造較復(fù)雜，壓鑄成型易使保持架兜孔拉傷。塑料材質(zhì)的保持架可一次注射成形，模具相對(duì)簡(jiǎn)單，成型能獲得精確的幾何形狀和尺寸精度及低表面粗糙度值，無(wú)需機(jī)械加工，生產(chǎn)效率較高。

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）加玻璃纖維（GF）。這是因?yàn)榫埘０肪哂休^好的機(jī)械性能、韌性、自潤(rùn)滑性、耐磨性、耐化學(xué)品性、氣體阻隔性、耐油性，而且還具有無(wú)毒、易著色等優(yōu)點(diǎn)。PA66復(fù)合樹(shù)脂保持架中是最常用的材料。由于玻璃纖維的比強(qiáng)度和楊氏模量遠(yuǎn)大于PA66，線膨脹系數(shù)約為PA66的1/20，吸水率幾乎為零，耐熱和耐化學(xué)腐蝕性好。應(yīng)用聚硅氧烷等偶聯(lián)劑，使得用玻璃纖維改性后的PA66，提升了材料的剛性、抗沖擊強(qiáng)度、耐磨和耐高溫等性能,可作為一種輕量化的金屬替代品，在塑料軸承的保持架，尤其是精密塑料軸承常采用的是玻纖改性的PA66。

3 玻璃纖維增強(qiáng)改性PA材料特性比較

德國(guó)的化工巨頭巴斯夫BASF生產(chǎn)的Ultramid塑料是以PA6、PA66和各種共聚物為基礎(chǔ)的聚酰胺成型化合物，是成型軸承支撐架的常用材料。以下將對(duì)以Ultramid的PA66為基體，以不同比例的玻璃纖維增強(qiáng)后的材料進(jìn)行注塑成型特性分析。

3.1 塑料粘度

塑料粘度是指注塑過(guò)程中熔體剪切流動(dòng)的阻力（流體分子間的相互作用力），隨著剪切率（相對(duì)移動(dòng)的速度）或溫度的增加而降低。熔膠流動(dòng)率(MFR)、材料注射壓力和鎖模力的影響，不同的材料需要不同的注射壓力和鎖模力，不同的材料的粘度范圍是不同的。通過(guò)比較德國(guó)巴斯夫企業(yè)生產(chǎn)的幾種比例玻纖增強(qiáng)PA66的粘度曲線，25%GF/PA66粘度隨著剪切速率的增加較為均勻的下降，15%、30%和50%的GF/PA66下降速度有一段平緩期，之后有一段快速下降期，粘度隨著剪切速率的增加下降的越快，流動(dòng)性越好，越易于成型。

3.2 塑料熱特性

比熱容參數(shù)對(duì)材料的傳導(dǎo)熱量的能力和材料對(duì)冷卻時(shí)間的影響有較大的影響。Ultramid系列材料的比熱容較高，不僅需要大功率的融化加熱設(shè)備，且凝固和冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，凝固和冷卻時(shí)間與壁厚或直徑的平方成正比。通過(guò)查詢BASF巴斯夫公司Ultramid尼龍66系列材料的物性參數(shù)得到一些參考數(shù)值，隨著玻纖含量的增加，比熱容有降低的趨勢(shì)，同時(shí)材料的線性膨脹系數(shù)整體有降低趨勢(shì)，低熱膨脹系數(shù)可有效減少制件收縮，線膨脹系數(shù)是隨溫度的升高而增大，但不是線性關(guān)系，因此，溫度會(huì)影響產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性。隨著玻纖含量的增加，比導(dǎo)熱系數(shù)有升高的趨勢(shì)，材料的導(dǎo)熱性和熱擴(kuò)散能力提升，冷卻時(shí)間較短，可縮短成型周期。幾種材料的熔點(diǎn)較高，達(dá)到了260℃。通常，BASF Ultramid PA66 A3HG5材料為注塑級(jí)25%玻纖增強(qiáng)的改性材料，因其高硬度、尺寸穩(wěn)定、抗熱老化、絕緣，常備選用為軸承保持器的專用料。

3.3 PVT 特性

PVT特性描述塑料如何隨著壓力和溫度的變化而收縮和膨脹，在充填和保壓過(guò)程中，因?yàn)閴毫υ龃蠖顾芰鲜湛s，在冷卻過(guò)程中，因?yàn)闇囟冉档投顾芰鲜湛s，當(dāng)塑料分子以規(guī)則的結(jié)構(gòu)構(gòu)成水晶樣式時(shí)結(jié)晶產(chǎn)生，結(jié)晶度（塑膠在結(jié)晶區(qū)域的時(shí)間）越高意味著收縮越大。經(jīng)研究表明，對(duì)于沒(méi)有玻纖改性的一般注塑級(jí)PA66的收縮率約在1.4%～1.8%，隨著加入玻璃纖維添加劑可以使收縮率降低到0.3%。比容隨著溫度的升高和壓力的降低而增大，隨著溫度的升高明顯出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)，該轉(zhuǎn)變區(qū)對(duì)應(yīng)其結(jié)晶態(tài)道熔融態(tài)的轉(zhuǎn)變，而幾種比例玻纖改性的PA66的轉(zhuǎn)變溫度較為相近，15%GF/PA66成型收縮率約0.6%～0.9%,25%GF/PA66成型收縮率約0.4%～0.7%,,30%GF/PA66成型收縮率約0.4%～0.7%,50%GF/PA66成型收縮率約0.1%～0.3%,隨著玻纖含量的增加，成型收縮率越低，產(chǎn)品的成型越穩(wěn)定。

3.4 機(jī)械特性

E1和E2分別代表流動(dòng)方向和垂直流動(dòng)方向的模數(shù)，通常來(lái)說(shuō)，兩個(gè)方向上的E值越高越均一，收縮越低，翹曲也會(huì)越小。對(duì)于半結(jié)晶材料，E1和E2有時(shí)會(huì)發(fā)生變化，混有纖維的塑料的E1和E2與純的塑料有很大的不同，翹曲可能會(huì)更大。從彈性模量E1、彈性模量E2和剪切模量G12來(lái)看，隨著玻璃纖維的含量增加，材料整體的機(jī)械性能會(huì)提高。

3.5 玻璃纖維增強(qiáng)PA66材料性能比較結(jié)論

通過(guò)對(duì)德國(guó)的巴斯夫BASF Ultramid的PA66玻纖增強(qiáng)的系列材料性能比較分析，PA66的粘性較低，因此流動(dòng)性較好，這個(gè)性質(zhì)可以用來(lái)加工薄的元件。PA66在聚酰胺材料中有較高的熔點(diǎn)，它是一種半晶體-晶體材料，玻璃纖維增強(qiáng)的PA66在較高溫度也能保持較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度。PA66/GF材料的吸濕性、粘度、熱特性、收縮率等特性對(duì)注塑成型效率和產(chǎn)品質(zhì)量有影響，成型時(shí)還應(yīng)綜合考慮材料的組成、壁厚以及溫度等環(huán)境條件。添加玻璃纖維改性增強(qiáng)的PA66工程塑料的機(jī)械性能有明顯的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，由于工程塑料軸承支撐架的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時(shí)在軸承工作狀況下，注塑成型材料除了要求流動(dòng)性好、收縮率低和產(chǎn)品變形小，同時(shí)也應(yīng)具備較好的機(jī)械性能，尤其是良好的抗沖擊強(qiáng)度、耐磨和耐高溫等性能，玻纖增強(qiáng)的PA66材料以其優(yōu)異的材料性能可作為工程塑料軸承支撐架的注塑生產(chǎn)材料。