PA46 經(jīng)退火處理，增加材料強度，降底吸水量，拓展齒輪設計應用范圍。
聚酰胺46(PA46)材料具有70%的結晶度，在高溫下展現(xiàn)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(jīng)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(yōu)點在于，經(jīng)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(shù)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(chǎn)品，由DSM工程塑料公司生產(chǎn)銷售)制成的產(chǎn)品，在成型后進行退火處理可以大大增強產(chǎn)品的各種性能。處理后，可以降低產(chǎn)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(jīng)發(fā)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(jīng)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(yōu)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1. PA46(Stanyl)的鏈結構與PA66 和PA6 的鏈結構比較 (圖中：聚酰胺的結構差別)
在PA46中，每個酰胺鍵都伴隨有4個CH2成分。這些有規(guī)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%，而聚鄰二甲酰胺[PPA]為30%)?？焖俳Y晶不僅縮短了PA46的生產(chǎn)周期時間，也導致該材料呈現(xiàn)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(tài)機械分析(DMA)圖
在過去幾十年中，聚酰胺(PA)樹脂——傳統(tǒng)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(huán)境溫度或扭矩/RPM產(chǎn)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(xiàn)固態(tài)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(tài)下發(fā)生。然而，盡管具有上述兩個優(yōu)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(tài)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(jīng)退火處理后，可建立一種緊湊的非晶相狀態(tài)，從而大幅降低材料的吸水量。
PA46材料經(jīng)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 相對濕度下暴露在水中，尺寸變化百分比
* 230℃ 下經(jīng)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(shù)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(tài)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(jīng)退火處理的PA46 與 PA66 和 POM 的DMA 曲線
經(jīng)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(jīng)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(xiàn)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(jīng)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(jīng)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(jù)扭矩減震器應用的ASTM D-3702標準，對經(jīng)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(jīng)聚四氟乙烯改良 (PTFE) # 與鋼相互摩擦
注意，經(jīng)退火處理后，磨損率降低了一半以上，而摩擦系數(shù)也有較大降低。
 
結論
在高溫下對強度要求較高的應用中，PA46材料均有好的表現(xiàn)。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(shù)及效果，為高標準應用下的部件設計制造提供支持。