均苯型聚酰亞胺保持架材料的成形工藝及性能研究

孫小波，王子君

（1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039）

目前，高溫高速軸承保持架多由金屬材料制成。隨著合成工業(yè)的進(jìn)步，特種工程塑料的耐熱等級(jí)日益增高，如均苯型聚酰亞胺（PI）長(zhǎng)期工作溫度不低于350℃，聚苯并咪唑（PBI）可以耐受400℃的高溫。Vespel?SP均苯型PI保持架已應(yīng)用于直升機(jī)變速器軸承，該軸承在潤(rùn)滑失靈后還能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)24 h。Vespel?SCP5000新型均苯型PI材料尺寸穩(wěn)定性極佳，熱膨脹系數(shù)幾乎與不銹鋼相當(dāng)，可在350℃高溫下長(zhǎng)期工作，由該材料制作的保持架已成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承中。

PI是一類主鏈上含有酰亞胺環(huán)的高分子材料的總稱，結(jié)構(gòu)種類繁多，常見(jiàn)的有聯(lián)苯型、均苯型、酮酐型、醚酐型［1］等。PI的性能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，從耐熱性上看，一般地，聯(lián)苯型＞均苯型＞酮酐型＞醚酐型［2］。PI保持架材料用于高溫高速軸承的前提條件是耐熱性能滿足需求，長(zhǎng)期使用溫度應(yīng)不低于260℃。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于軸承保持架材料的主要為單醚酐型PI，其長(zhǎng)期使用溫度不大于200℃，不能滿足高溫高速軸承使用要求。

采用熱壓工藝研究均苯型PI保持架材料的成形方法，重點(diǎn)分析溫度對(duì)其拉伸強(qiáng)度、硬度和摩擦學(xué)的影響規(guī)律，并與單醚酐型PI保持架材料的性能進(jìn)行了對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)裝有均苯型聚酰亞胺保持架軸承的高溫高速和抗貧油能力試驗(yàn)，驗(yàn)證均苯型PI保持架應(yīng)用于高溫高速軸承的可能性。

1 工藝試驗(yàn)

1.1 原料與設(shè)備

試驗(yàn)用均苯型PI模塑粉為淡黃色粉末，密度1.35 g/cm3；單醚酐型PI模塑粉為黃色粉末，密度1.40 g/cm3，壓制燒結(jié)設(shè)備為熱壓機(jī)。

1.2 試樣制備

均苯型PI保持架材料采用優(yōu)化的成形工藝制得，單醚酐型PI保持架材料采用現(xiàn)有工藝制得。試樣尺寸：保持架外徑φ60 mm，內(nèi)徑φ48 mm，厚6 mm。

1.3 均苯型PI保持架材料成形工藝

均苯型PI分子鏈剛性強(qiáng)，無(wú)熔點(diǎn)，高黏無(wú)流變，加工成形困難，只能依靠分子鏈黏彈形變的運(yùn)動(dòng)特性，在加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上并同步施壓方可成形，即只能熱壓成形。熱壓成形溫度、成形壓力和保壓時(shí)間是影響均苯型PI保持架材料拉伸強(qiáng)度的3個(gè)主要因素。

采用正交試驗(yàn)法，考察上述3個(gè)因素對(duì)保持架材料拉伸強(qiáng)度的影響，在前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定的因素和水平見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。將表2中各因素水平指標(biāo)求和得到表3所示的分析結(jié)果。由表3可知，優(yōu)化方案為A2B3C2。

表2 均苯型PI成形工藝L9（33）正交試驗(yàn)方案Tab.2 Orthogonal test table of Polypyromelliticimide’smolding process L9（33）

表3 均苯型PI成形工藝極差分析結(jié)果Tab.3 Orthogonal test result of Polypyromelliticimide’s molding process

均苯型PI模塑粉不熔，當(dāng)成形溫度大于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度383℃時(shí)進(jìn)入高彈態(tài)，溫度適當(dāng)升高時(shí)，高壓下均苯型PI模塑粉充模完成，材料拉伸強(qiáng)度隨之提高。由于均苯型PI成形溫度窗口小，溫度達(dá)到398℃時(shí)可能出現(xiàn)部分交聯(lián)反應(yīng)，模腔內(nèi)外模塑粉的固化速度呈現(xiàn)差異性，最終致使材料拉伸強(qiáng)度下降。較高的成形壓力使得高彈態(tài)物料充滿模具型腔，增大材料密度，提高保持架材料的拉伸強(qiáng)度。保壓時(shí)間的適當(dāng)延長(zhǎng)利于模腔中高彈態(tài)物料流動(dòng)取向，高分子材料流動(dòng)取向后，拉伸強(qiáng)度有所增加，但保壓時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，均苯型PI長(zhǎng)時(shí)間處于高溫高壓下會(huì)出現(xiàn)交聯(lián)老化現(xiàn)象，從而使拉伸強(qiáng)度下降。

根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果，均苯型PI保持架材料的最佳成形工藝參數(shù)為：成形溫度393℃，成形壓力1 200 kg/cm2，保壓時(shí)間20 min/mm。為了檢驗(yàn)正交試驗(yàn)得出的成形工藝參數(shù)，按照該工藝參數(shù)制得保持架材料的拉伸強(qiáng)度為110 MPa，證實(shí)了工藝參數(shù)的合理性。

2 性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

依據(jù)Q/ZYS J063—2013《模壓聚酰亞胺保持架坯料 技術(shù)條件》，采用DNS20型電子微控萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度。依據(jù)GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度（邵氏硬度）》，采用V-SD型邵氏硬度計(jì)測(cè)試硬度。采用DSC法測(cè)定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。依據(jù)GB/T 1634.2—2004《塑料 負(fù)荷變形溫度的測(cè)定 第2部分：塑料、硬橡膠和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料》，采用ZWK1302-B型微機(jī)控制熱變形維卡軟化點(diǎn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試熱變形溫度。依據(jù)GB/T 1036—2008《塑料 -30～30℃線膨脹系數(shù)的測(cè)定 石英膨脹計(jì)法》，采用ZRPY型線膨脹系數(shù)儀測(cè)試線膨脹系數(shù)。采用CFT-1型表面綜合性能測(cè)量?jī)x測(cè)試摩擦學(xué)性能，摩擦副接觸方式如圖1所示。試樣表面經(jīng)800目金相砂紙打磨；試驗(yàn)條件：干摩擦，載荷30 N，頻率20 Hz，滑動(dòng)距離5 mm，φ4 mm對(duì)磨鋼球，時(shí)間1 h。

圖1 摩擦副接觸方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction pair’s contacting scheme

2.2 均苯型PI保持架材料的性能

2種PI保持架材料部分性能見(jiàn)表4。由表可知，均苯型PI保持架材料的平均線膨脹系數(shù)相對(duì)較小，硬度相對(duì)較大，熱學(xué)性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單醚酐型PI保持架材料，適用于高溫工況。因此，有必要研究均苯型PI保持架材料拉伸強(qiáng)度、硬度、摩擦學(xué)性能等隨溫度的變化規(guī)律。

表4 2種PI保持架材料性能Tab.4 Performances of two types PI cagematerials

2.2.1 溫度對(duì)PI保持架材料拉伸強(qiáng)度的影響

2種PI保持架材料的拉伸強(qiáng)度隨溫度變化曲線如圖2所示，拉伸強(qiáng)度保持率見(jiàn)表5。由此可知，隨著溫度的升高，2種PI保持架材料的拉伸強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度保持率均呈下降趨勢(shì)，尤其是單醚酐型PI下降幅度較大，而均苯型PI下降趨勢(shì)較緩。均苯型PI保持架材料拉伸強(qiáng)度保持率在260℃時(shí)高達(dá)64.5%，單醚酐型PI為17.9%。這主要是由于2種PI結(jié)構(gòu)差異大，單醚酐型PI結(jié)構(gòu)含有醚鍵，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱變形溫度低，耐熱性較差；均苯型PI結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱變形溫度較高，耐熱性優(yōu)異。

表5 不同溫度下材料的拉伸強(qiáng)度保持率Tab.5 Materials tensile strength retention at different temperature

圖2 材料拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化曲線Fig.2 Curve ofmaterials tensile strength with temperature

2.2.2 溫度對(duì)PI保持架材料硬度的影響

2種PI保持架材料硬度隨溫度的變化規(guī)律見(jiàn)表6。由表可知，隨著溫度的升高，單醚酐型PI的硬度逐漸下降，而均苯型PI的硬度幾乎不變。雖然2種PI均屬于無(wú)定型結(jié)構(gòu)，但二者的耐熱性能差距較大，當(dāng)環(huán)境溫度為260℃，已超過(guò)單醚酐型PI保持架材料熱變形溫度（249℃），材料變軟，硬度大幅下降；均苯型PI熱變形溫度高于環(huán)境溫度，加之不熔特性，因此硬度幾乎無(wú)變化。

表6 不同溫度下材料的硬度Tab.6 PI cagematerials′s hardness at different temperature

2.2.3 溫度對(duì)PI保持架材料摩擦學(xué)性能的影響

2種PI試樣在不同溫度下的摩擦曲線和磨損情況分別如圖3和圖4所示。

圖3 不同溫度下2種試樣的摩擦曲線Fig.3 Friction curve of samples at different temperature

圖4 不同溫度下2種試樣的磨損情況Fig.4 Wear loss of samples under different temperature

對(duì)于單醚酐型PI，環(huán)境溫度升高至100℃時(shí)，摩擦因數(shù)降低，磨損量增加；環(huán)境溫度升高至150℃時(shí)，摩擦因數(shù)基本保持不變，磨損量繼續(xù)加大。這是由于PI是熱的不良導(dǎo)體，摩擦熱不能快速向環(huán)境傳導(dǎo)，在試樣表層留下較高的溫度梯度，相接觸的表面微凸體表層進(jìn)入高彈態(tài)，磨損變大；當(dāng)環(huán)境溫度升高到200℃時(shí)，無(wú)法快速傳導(dǎo)出的摩擦熱使接觸區(qū)域溫度可能超過(guò)其熱變形溫度，表面軟化（圖5），同時(shí)硬度降低，表面承載能力下降，摩擦副實(shí)際接觸面積和體積增大，摩擦因數(shù)升高，磨損增大；當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到260℃時(shí)，材料本體進(jìn)入高彈態(tài)，積聚的摩擦熱使得實(shí)際接觸區(qū)域溫度大幅超過(guò)單醚酐型PI的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而進(jìn)入黏流態(tài)，分子鏈段在摩擦力作用下發(fā)生沿滑動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)，表面形成熔化轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑層（圖6），摩擦因數(shù)大幅下降，同時(shí)，表面硬度進(jìn)一步降低，承載性大幅下降，蠕變嚴(yán)重，磨損急劇增加。

圖5 摩擦試驗(yàn)后2種試樣的表面照片F(xiàn)ig.5 The surface photo of samples after friction test

圖6 試樣磨損表面的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.6 The opticalmicroscope photo of samplesworn surface

對(duì)于均苯型PI，環(huán)境溫度不超過(guò)200℃時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，材料分子鏈段活動(dòng)空間稍大，摩擦因數(shù)有所下降且基本穩(wěn)定在0.2；當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到260℃時(shí)，無(wú)法快速傳導(dǎo)出的摩擦熱使得摩擦副接觸面的溫度高于260℃，遠(yuǎn)低于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（383℃），因而處于玻璃態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)單醚酐型PI的軟化現(xiàn)象，更不會(huì)形成熔化轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑層。摩擦因數(shù)增大到約0.3，均苯型PI保持架材料不熔，理論最高工作溫度可達(dá)330～350℃。在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，均苯型PI物理狀態(tài)未發(fā)生變化，更不會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，磨損量基本保持不變。

3 應(yīng)用

為了驗(yàn)證均苯型PI保持架應(yīng)用于高溫高速軸承的可行性，在某角接觸球軸承中考察了其高溫高速的適應(yīng)性，并與分別裝有單醚酐型PI和傳統(tǒng)銅鍍銀金屬保持架的軸承進(jìn)行了抗貧油對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 高溫高速試驗(yàn)

在最大軸向載荷7 000 N，徑向載荷4 000 N，最高轉(zhuǎn)速50 000 r/min，軸承dm·n值1.75×106mm·r/min，供油量1 L/min工況下，軸承安全運(yùn)轉(zhuǎn)195 min，外圈最高溫度216℃，保持架溫度應(yīng)大于240℃。試驗(yàn)結(jié)束后拆分軸承，保持架完好無(wú)磨損（圖7），表明均苯型PI保持架高溫高速適應(yīng)性良好。

圖7 高溫高速試驗(yàn)后的均苯型PI保持架Fig.7 Polypyromelliticimide cage after high temperature and high speed test

3.2 抗貧油試驗(yàn)

在最大軸向載荷4 500 N，最大徑向載荷2 000 N，轉(zhuǎn)速24 000 r/min，10%的正常供油量（0.1 L/min）工況下，裝有2種PI保持架的軸承均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，而裝有銅鍍銀保持架軸承的試驗(yàn)機(jī)報(bào)警停機(jī)，拆解軸承后發(fā)現(xiàn)保持架鍍銀層剝落，引導(dǎo)面磨損嚴(yán)重（圖8c）。轉(zhuǎn)速提高到28 000 r/min時(shí)，外圈溫度達(dá)到190℃，裝有PI保持架的2種軸承均報(bào)警停機(jī)，拆解后發(fā)現(xiàn)：裝有均苯型PI的保持架無(wú)損傷，球和內(nèi)圈出現(xiàn)均勻“藍(lán)黑色［3］”（圖8a）；裝有單醚酐型PI保持架軟化變形，球全部嵌入到保持架內(nèi)（圖8b），無(wú)法取出。結(jié)果表明，裝有均苯型PI保持架軸承的抗貧油性能優(yōu)。

圖8 試驗(yàn)后軸承零件Fig.8 Bearings after test

4 結(jié)論

1）采用熱壓工藝，利用正交試驗(yàn)方法，以拉伸強(qiáng)度為判據(jù)，確定了均苯型PI保持架材料的成形工藝參數(shù)：成形溫度393℃，成形壓力1 200 kg/cm，保壓時(shí)間20 min/mm。

2）均苯型PI保持架材料260℃時(shí)拉伸強(qiáng)度保持率高達(dá)64.5%，邵氏硬度和磨損量幾乎不變，具有優(yōu)異的高溫綜合性能。

3）均苯型PI保持架高溫高速工況和抗貧油工況的適應(yīng)性良好，可推廣應(yīng)用于高溫高速軸承領(lǐng)域。