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聚酰亚胺在轴承中的应用

1、 性能特性概述:

    聚酰亚胺
是一种新型耐高温工程塑料,它具有独特的性能。在现代工业,尤其是高技术领域起着不可替代的作用。轴承作为基础部件,广泛应用于国民经济的各个领域,满足不同工况条件对轴承的性能要求。聚酰亚胺在滚动轴承中可作为保持架材料,也可作为滑动轴承材料,在应用中显示出优越的性能和良好的发展前景。

   
聚酰亚胺最早由美国杜邦公司于上世纪六十年代首先发明并投入工业化生产。它是利用四酸二酐与二胺的反映,然后亚胺化而成为高分子材料。由于分子链上有大量的苯环和双键,使分子的刚性增加,分子链热运动的能级较高,当它在较高温度下吸收较多能量的情况下仍能保持原来的形状不变,并且分子链不发生断裂,这是该种材料耐高温环境的内在原因。有些品种的聚酰亚胺耐热性非常好,使用温度可达300℃,可以在250℃高温环境中长期使用。然而这种分子结构增加了加工成型的难度,虽然聚酰亚胺是一种热塑性工程塑料,但它很难用注塑成型的加工方法进行成型。在酸酐分子链中引入活动性较强的醚键是改善其分子柔性和成型的有效途径。当然还有许多其他方法,也可以合成柔性聚酰亚胺,该材料可以注塑成型。聚酰亚胺的常用成型方法有压铸成型法和注塑成型法两种,压铸成型是在模腔内将材料加热加压,在保压状态下使材料冷却成型。用这种方法成型的材料其机械性能十分稳定可靠,工件尺寸可以较大,但效率很低,不利于大批量的工业化生产,有些品种的聚酰亚胺只能采用这种工艺方法。为了提高生产效率,对于小型制件或结构较复杂的制品可以采用注塑成型工艺,此时要求这种材料流动性好。还有一种方法,即利用类似于粉末冶金的方法制成微孔材料,使材料的机械性能和微孔性能达到某种特定指标,满足特殊工况条件需求。聚酰亚胺由于其独特的分子链结构,使它能在辐射环境中长期使用而机械性能没有明显降低,这是它与其它高分子材料相比的优越所在。大部分高分子材料在辐射状态下会导致分子链断裂,使其性能显著下降。甚至不再具有机械强度,所以在一些空间领域,聚酰亚胺材料的这一性能使它得到广泛应用。聚酰亚胺材料吸水性低,对于大多数化学介质都能表现出良好的稳定性,它可以长期在有腐蚀的的环境下使用,应用领域很广。它的机械性能优良,抗拉强度达90Mpa,刚性较好,能长期保持尺寸稳定性。可以通过通用的机械加工方式进行车、铣、钻等加工,得到尺寸精度和表面质量较好的制品。绝缘性优良,可作为高性能的电子零部件和机械零件。聚酰亚胺有自润滑性能,在相对运动的磨擦面之间它可以转移到对磨面上,形成固体润滑层。在干摩擦状态下若有相对滑动速度较高时,就会在摩擦面上产生大量热量,局部温度可达到聚酰亚胺的分解温度,在空气环境中氧化就不可避免,生成氧化物粉末,同时摩擦热使接触部件的聚酰亚胺软化粘附脱落,增大了磨损量,因此对于干摩擦状态,聚酰亚胺材料使用的PV值应有所控制,否则会使磨损增加,寿命缩短。试验表明,聚酰亚胺虽有一定自润滑性,但其摩擦系数并不稳定,随着连续运转时间的延长,有缓慢增加的趋势,这对于一些对摩擦力要求较高的应用部位应该注意。为了改善这种性能,有效的办法是对聚酰亚胺进行复合改性。把粉末状的润滑剂分散到材料中制成复合材料,在保持材料基本性能的基础上使摩擦系数降低,摩擦生成热减少。通常把二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯等润滑材料以不同比例进行配合,试验结果表明其润滑性能有明显改善。对于有润滑油脂存在的应用工况,可以在很高的速度状态下使用,表现出优越的性能,它表面吸附的润滑油可以在很高的速度状态下使用,表现出优越的性能,它表面吸附的润滑油可以形成稳定而且可靠的润滑油膜,极大地降低了摩擦系数和生成热。它的较高的机械性能使它能在高速状态下保持稳定的尺寸。由于聚酰亚胺是热塑性高分子材料,温度对它的作用明显,当超过一定温度范围之后,首先导致材料软化及氧化分解,使其机械性能丧失。摩擦部分的温度受环境温度和摩擦生热两个因素共同影响,当环境温度一定时温度升高主要来源于摩擦热。聚酰亚胺作为轴承及轴承部件时,运动部位升温由摩擦热引起。负荷和摩擦系数以及工作时间都会影响热量大小。塑料的导热系数低,致使热量容易在某些部位聚集,产生局部高温。降低摩擦系数是减少发热量的有效手段,增加散热速度也可以有效降低工作面温度,这些因素需要根据使用环境具体加以分析。温升后使热膨胀增大,减少了配合间隙,有的甚至出现紧配合,使摩擦热更大,导致恶性循环。因此聚酰亚胺轴承制品的设计及加工同样重要。综上所述,我们可以看出,虽然聚酰亚胺是一种耐温良好的工程塑料,但其使用过程中仍要采取各种可能的手段减少发热量,避免温度过高造成的损害。

2、在轴承中的应用情况

    聚酰亚胺及其复合材料可以作为耐磨材料广泛应用于高温,耐化学介质、耐辐射、自润滑等多种领域。在滚动轴承中它主要作为保持架材料。滚动轴承主要由内外圈、滚动体及保持架四部分构成。由于功能不同,内外圈及滚动体只能由硬度很高,刚性很大的轴承钢或不锈钢制造。滚道和滚动体表面的光洁度很高,对于其尺寸和公差均有着十分严格的技术要求。保持架的作用是把滚动体分开,使它们均匀承担轴承的负荷,减少滚动体运动所产生的摩擦力。对于聚酰亚胺或其复合材料制成的保持架还能向轴承提供固体润滑转移膜。

2.1 聚酰亚胺在高速轴承中的应用

    高速轴承一般都是角接触球轴承或深沟球轴承。钢球作为滚动体由于接触点小,滚动体相对较轻,可以实现高速性能,速度中径积可达100万以上,适合于高速牙钻和高速磨床主轴轴承。在这些领域内使用的轴承保持架用聚酰亚胺材料制成管料,然后通过机械加工方法得到所需要的形状和尺寸。现在常用的牙钻轴承尺寸较小,轴承尺寸为¢3×4,保持架也很小,内部有七粒¢1的钢球。转速必须达到35万转/分以上才能发挥其性能,它用在牙钻机的空气涡轮转轴支撑处,在高压空气带动下,涡轮高速旋转,头部的牙钻修复牙齿。该部位的轴承工作条件相当苛刻,首先是高速带来的一系列问题,由于速度很高,如果保持架的强度不够,极易产生断裂而导致轴承失效。轴承的润滑也较难解决,按照常规方法,如此高转速的轴承应使用油气润滑装置,通过压缩空气将雾化的润滑油带到轴承的润滑部位,但由于它用于口腔治疗,这种方法是不允许的,只能在工作间隙采用滴油的方式加入微量润滑油,在轴承起动阶段这部分润滑油绝大部分被甩出工作面,因此轴承润滑状况十分恶劣。所幸的是轴承连续工作时间不长,压缩空气带走了热量。这种轴承还应承受130℃左右连续四个小时的高温消毒处理,一般的工程塑料都会很快老化,因此选用了综合性能都很好的聚酰亚胺,这是聚酰亚胺在我国轴承工业中应用的开始。从1978年开始试制工作,当时是利用模压成型的方法将聚酰亚胺制成管状物,然后机械加工为所需要的尺寸和精度的保持架。它的应用十分成功,可以使轴承转速稳定在35万转/分以上。噪音及寿命达到国外同种轴承的水平。由于工序较多,效率低,这种工艺制成的保持架成本高,不适合现代社会大批量生产的需求,现在也正在利用注塑成型的工艺方法一次性注塑保持架,注塑工艺和技术,注塑原料性能都在研究之中。

    除此之外的高速轴承保持架也同样可以由聚酰亚胺材料制成。现在聚酰亚胺的价格较高,成型工艺较复杂是限制其大量推广的重要原因。随着合成技术的日益完善以及产量的增加,降低聚酰亚胺的价格,开发适于注塑成型的新型材料和工艺方法是该种材料能在轴承行业得到推广应用的必要条件。它可以代替目前广泛使用的胶木材料用于高速轴承,提高轴承的生产效率和使用性能

2.2在固体自润滑轴承中的使用

    在空间领域,许多轴承的润滑只能靠固体润滑方式解决。它是在轴承的滚动面上利用各种方法形成固体润滑膜,减少摩擦力。固体润滑膜是不能再生的一次性膜,该种工况的轴承如果不能补充润滑,就有可能导致失效。自润滑保持架可以补充润滑膜层。由于太空中辐射较强,其它塑料的应用受到限制,现在主要采用聚酰亚胺复合材料保持架,利用聚酰亚胺作为机体材料,内部加入二硫化钼等固体润滑剂制成。在轴承转动过程中,轴承的滚动体与保持架兜孔面接触,相对运动使保持架内的固体润滑剂和聚酰亚胺转移到滚动体表面,进而转移到沟道中,补充固体润滑膜,达到长寿命的目的。这种类型的轴承在航天等高科技领域中已得到多次应用,效果十分理想,圆满的完成了工作任务。

2.3 在多孔含油保持架中的应用

    在陀螺马达轴承中利用多空含油聚酰亚胺保持架,已解决其长寿命、高精度和高可靠性问题,该项技术的核心即是多孔保持架材料的制备。陀螺马达是一种高精度的电机马达,利用高速旋转产生的惯量确定空间飞行器的基准方向,对于现代航天、航空及航海等领域是十分关键的部件。随着技术的进步和要求的不断提高,要求陀螺马达的寿命都很长,国际上的陀螺马达寿命达8万小时。陀螺马达的寿命主要有轴承寿命决定,当轴承运转失败时马达的寿命即终止。而运转过程中该部位的润滑无法进行补充,只能采取一次性润滑技术。刚开始利用润滑脂作为润滑剂,但润滑脂稠度较大,导致转动力矩增加,润滑脂的质量偏移会损伤陀螺精度,同时寿命要求,脂润滑无法实现。多孔聚酰亚胺材料则是利用聚酰亚胺粉料采取独特的工艺制成的特殊材料。它具有一定的机械强度,可用机械加工的方法成型保持架,内部之间相互贯通,在微孔之内贮存润滑油,当轴承运转时由于离心力和热运动使保持架表面转移,形成完整油膜,实现轴承润滑。同时微孔把它接触到多余的润滑油重新吸附到保持架内,实现内部油,达到长寿命之目的。聚酰亚胺的综合性能优良,是制作微孔保持架的理想材料。现在我国绝大多数长寿命陀螺马达轴承都是采用多孔聚酰亚胺保持架,使陀螺寿命达五万小时以上,精度及可靠性都满足了主机要求。聚酰亚胺作为一种性能优异的特种高分子材料,肯定有其更加广阔的使用范围,在耐磨结构件、绝缘材料、耐腐蚀等方面应用会不断拓展。发前该材料应用局限于高科技领域,产量较小,人们对它的熟知度不够,研究生产单位有限,许多技术还未达到工业化水平,限制了它的应用范围。许多工程塑料的发展历史均表明,只有走工业化和产业化的道路,才能降低生产成本,提高产品一致性,完善制造技术,为该类材料的拓展应用提供条件。我们相信,聚酰亚胺的广泛应用已为时不远了,在实践中不断改善其性能,以批量化生产降低成本,以专业化设计满足各种特殊的和需求,形成系列化产品,为我国的经济建设作出应有的贡献。

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