聚酰亞胺在軸承中的應(yīng)用

1、聚酰亞胺在軸承中的應(yīng)用1、性能特性概述：聚酰亞胺是一種新型耐高溫工程塑料，它具有獨(dú)特的性能。在現(xiàn)代工業(yè)，尤其是 高技術(shù)領(lǐng)域起著不可替代的作用。軸承作為基礎(chǔ)部件，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各 個(gè)領(lǐng)域，滿足不同工況條件對(duì)軸承的性能要求。聚酰亞胺在滾動(dòng)軸承中可作為保 持架材料，也可作為滑動(dòng)軸承材料，在應(yīng)用中顯示出優(yōu)越的性能和良好的發(fā)展前 景。聚酰亞胺最早由美國(guó)杜邦公司于上世紀(jì)六十年代首先發(fā)明并投入工業(yè)化生產(chǎn)。它 是利用四酸二酐與二胺的反映，然后亞胺化而成為高分子材料。由于分子鏈上有 大量的苯環(huán)和雙鍵，使分子的剛性增加，分子鏈熱運(yùn)動(dòng)的能級(jí)較高，當(dāng)它在較高 溫度下吸收較多能量的情況下仍能保持原來(lái)的形狀不變，并

2、且分子鏈不發(fā)生斷裂， 這是該種材料耐高溫環(huán)境的內(nèi)在原因。有些品種的聚酰亞胺耐熱性非常好，使用 溫度可達(dá)300C，可以在250C高溫環(huán)境中長(zhǎng)期使用。然而這種分子結(jié)構(gòu)增加了 加工成型的難度，雖然聚酰亞胺是一種熱塑性工程塑料，但它很難用注塑成型的 加工方法進(jìn)行成型。在酸酐分子鏈中引入活動(dòng)性較強(qiáng)的醚鍵是改善其分子柔性和 成型的有效途徑。當(dāng)然還有許多其他方法，也可以合成柔性聚酰亞胺，該材料可 以注塑成型。聚酰亞胺的常用成型方法有壓鑄成型法和注塑成型法兩種，壓鑄成 型是在模腔內(nèi)將材料加熱加壓，在保壓狀態(tài)下使材料冷卻成型。用這種方法成型 的材料其機(jī)械性能十分穩(wěn)定可靠，工件尺寸可以較大，但效率很低，不利于大批

3、 量的工業(yè)化生產(chǎn)，有些品種的聚酰亞胺只能采用這種工藝方法。為了提高生產(chǎn)效 率，對(duì)于小型制件或結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的制品可以采用注塑成型工藝，此時(shí)要求這種材 料流動(dòng)性好。還有一種方法，即利用類似于粉末冶金的方法制成微孔材料，使材 料的機(jī)械性能和微孔性能達(dá)到某種特定指標(biāo)，滿足特殊工況條件需求。聚酰亞胺 由于其獨(dú)特的分子鏈結(jié)構(gòu)，使它能在輻射環(huán)境中長(zhǎng)期使用而機(jī)械性能沒(méi)有明顯降 低，這是它與其它高分子材料相比的優(yōu)越所在。大部分高分子材料在輻射狀態(tài)下 會(huì)導(dǎo)致分子鏈斷裂，使其性能顯著下降。甚至不再具有機(jī)械強(qiáng)度，所以在一些空 間領(lǐng)域，聚酰亞胺材料的這一性能使它得到廣泛應(yīng)用。聚酰亞胺材料吸水性低， 對(duì)于大多數(shù)化學(xué)介質(zhì)都能

4、表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，它可以長(zhǎng)期在有腐蝕的的環(huán)境下 使用，應(yīng)用領(lǐng)域很廣。它的機(jī)械性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度達(dá)90Mpa，剛性較好，能長(zhǎng) 期保持尺寸穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^(guò)通用的機(jī)械加工方式進(jìn)行車、銑、鉆等加工，得到 尺寸精度和表面質(zhì)量較好的制品。絕緣性優(yōu)良，可作為高性能的電子零部件和機(jī) 械零件。聚酰亞胺有自潤(rùn)滑性能，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨擦面之間它可以轉(zhuǎn)移到對(duì)磨面 上，形成固體潤(rùn)滑層。在干摩擦狀態(tài)下若有相對(duì)滑動(dòng)速度較高時(shí)，就會(huì)在摩擦面 上產(chǎn)生大量熱量，局部溫度可達(dá)到聚酰亞胺的分解溫度，在空氣環(huán)境中氧化就不 可避免，生成氧化物粉末，同時(shí)摩擦熱使接觸部件的聚酰亞胺軟化粘附脫落，增 大了磨損量，因此對(duì)于干摩擦狀態(tài)，聚酰亞胺材

5、料使用的PV值應(yīng)有所控制，否 則會(huì)使磨損增加，壽命縮短。試驗(yàn)表明，聚酰亞胺雖有一定自潤(rùn)滑性，但其摩擦 系數(shù)并不穩(wěn)定，隨著連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，有緩慢增加的趨勢(shì)，這對(duì)于一些對(duì)摩 擦力要求較高的應(yīng)用部位應(yīng)該注意。為了改善這種性能，有效的辦法是對(duì)聚酰亞 胺進(jìn)行復(fù)合改性。把粉末狀的潤(rùn)滑劑分散到材料中制成復(fù)合材料，在保持材料基 本性能的基礎(chǔ)上使摩擦系數(shù)降低，摩擦生成熱減少。通常把二硫化鉬、石墨、聚 四氟乙烯等潤(rùn)滑材料以不同比例進(jìn)行配合，試驗(yàn)結(jié)果表明其潤(rùn)滑性能有明顯改善。 對(duì)于有潤(rùn)滑油脂存在的應(yīng)用工況，可以在很高的速度狀態(tài)下使用，表現(xiàn)出優(yōu)越的 性能，它表面吸附的潤(rùn)滑油可以在很高的速度狀態(tài)下使用，表現(xiàn)出優(yōu)越的

6、性能， 它表面吸附的潤(rùn)滑油可以形成穩(wěn)定而且可靠的潤(rùn)滑油膜，極大地降低了摩擦系數(shù) 和生成熱。它的較高的機(jī)械性能使它能在高速狀態(tài)下保持穩(wěn)定的尺寸。由于聚酰 亞胺是熱塑性高分子材料，溫度對(duì)它的作用明顯，當(dāng)超過(guò)一定溫度范圍之后，首 先導(dǎo)致材料軟化及氧化分解，使其機(jī)械性能喪失。摩擦部分的溫度受環(huán)境溫度和 摩擦生熱兩個(gè)因素共同影響，當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)溫度升高主要來(lái)源于摩擦熱。聚 酰亞胺作為軸承及軸承部件時(shí)，運(yùn)動(dòng)部位升溫由摩擦熱引起。負(fù)荷和摩擦系數(shù)以 及工作時(shí)間都會(huì)影響熱量大小。塑料的導(dǎo)熱系數(shù)低，致使熱量容易在某些部位聚 集，產(chǎn)生局部高溫。降低摩擦系數(shù)是減少發(fā)熱量的有效手段，增加散熱速度也可 以有效降低工作面

7、溫度，這些因素需要根據(jù)使用環(huán)境具體加以分析。溫升后使熱 膨脹增大，減少了配合間隙，有的甚至出現(xiàn)緊配合，使摩擦熱更大，導(dǎo)致惡性循 環(huán)。因此聚酰亞胺軸承制品的設(shè)計(jì)及加工同樣重要。綜上所述，我們可以看出， 雖然聚酰亞胺是一種耐溫良好的工程塑料，但其使用過(guò)程中仍要采取各種可能的 手段減少發(fā)熱量，避免溫度過(guò)高造成的損害。2、在軸承中的應(yīng)用情況聚酰亞胺及其復(fù)合材料可以作為耐磨材料廣泛應(yīng)用于高溫，耐化學(xué)介質(zhì)、耐輻射、 自潤(rùn)滑等多種領(lǐng)域。在滾動(dòng)軸承中它主要作為保持架材料。滾動(dòng)軸承主要由內(nèi)外 圈、滾動(dòng)體及保持架四部分構(gòu)成。由于功能不同，內(nèi)外圈及滾動(dòng)體只能由硬度很 高，剛性很大的軸承鋼或不銹鋼制造。滾道和滾動(dòng)體表

8、面的光潔度很高，對(duì)于其 尺寸和公差均有著十分嚴(yán)格的技術(shù)要求。保持架的作用是把滾動(dòng)體分開(kāi)，使它們 均勻承擔(dān)軸承的負(fù)荷，減少滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力。對(duì)于聚酰亞胺或其復(fù)合 材料制成的保持架還能向軸承提供固體潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜。2.1聚酰亞胺在高速軸承中的應(yīng)用高速軸承一般都是角接觸球軸承或深溝球軸承。鋼球作為滾動(dòng)體由于接觸點(diǎn)小， 滾動(dòng)體相對(duì)較輕，可以實(shí)現(xiàn)高速性能，速度中徑積可達(dá)100萬(wàn)以上，適合于高速 牙鉆和高速磨床主軸軸承。在這些領(lǐng)域內(nèi)使用的軸承保持架用聚酰亞胺材料制成 管料，然后通過(guò)機(jī)械加工方法得到所需要的形狀和尺寸?，F(xiàn)在常用的牙鉆軸承尺 寸較小，軸承尺寸為C8xC3x4，保持架也很小，內(nèi)部有七粒C1的

9、鋼球。轉(zhuǎn)速 必須達(dá)到35萬(wàn)轉(zhuǎn)/分以上才能發(fā)揮其性能，它用在牙鉆機(jī)的空氣渦輪轉(zhuǎn)軸支撐處， 在高壓空氣帶動(dòng)下，渦輪高速旋轉(zhuǎn)，頭部的牙鉆修復(fù)牙齒。該部位的軸承工作條 件相當(dāng)苛刻，首先是高速帶來(lái)的一系列問(wèn)題，由于速度很高，如果保持架的強(qiáng)度 不夠，極易產(chǎn)生斷裂而導(dǎo)致軸承失效。軸承的潤(rùn)滑也較難解決，按照常規(guī)方法， 如此高轉(zhuǎn)速的軸承應(yīng)使用油氣潤(rùn)滑裝置，通過(guò)壓縮空氣將霧化的潤(rùn)滑油帶到軸承 的潤(rùn)滑部位，但由于它用于口腔治療，這種方法是不允許的，只能在工作間隙采 用滴油的方式加入微量潤(rùn)滑油，在軸承起動(dòng)階段這部分潤(rùn)滑油絕大部分被甩出工 作面，因此軸承潤(rùn)滑狀況十分惡劣。所幸的是軸承連續(xù)工作時(shí)間不長(zhǎng)，壓縮空氣 帶走了熱

10、量。這種軸承還應(yīng)承受130C左右連續(xù)四個(gè)小時(shí)的高溫消毒處理，一般 的工程塑料都會(huì)很快老化，因此選用了綜合性能都很好的聚酰亞胺，這是聚酰亞 胺在我國(guó)軸承工業(yè)中應(yīng)用的開(kāi)始。從1978年開(kāi)始試制工作，當(dāng)時(shí)是利用模壓成 型的方法將聚酰亞胺制成管狀物，然后機(jī)械加工為所需要的尺寸和精度的保持架。 它的應(yīng)用十分成功，可以使軸承轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在35萬(wàn)轉(zhuǎn)/分以上。噪音及壽命達(dá)到國(guó) 外同種軸承的水平。由于工序較多，效率低，這種工藝制成的保持架成本高，不 適合現(xiàn)代社會(huì)大批量生產(chǎn)的需求，現(xiàn)在也正在利用注塑成型的工藝方法一次性注 塑保持架，注塑工藝和技術(shù)，注塑原料性能都在研究之中。除此之外的高速軸承保持架也同樣可以由聚酰亞胺

11、材料制成?，F(xiàn)在聚酰亞胺的價(jià) 格較高，成型工藝較復(fù)雜是限制其大量推廣的重要原因。隨著合成技術(shù)的日益完 善以及產(chǎn)量的增加，降低聚酰亞胺的價(jià)格，開(kāi)發(fā)適于注塑成型的新型材料和工藝 方法是該種材料能在軸承行業(yè)得到推廣應(yīng)用的必要條件。它可以代替目前廣泛使 用的膠木材料用于高速軸承，提高軸承的生產(chǎn)效率和使用性能2.2在固體自潤(rùn)滑軸承中的使用在空間領(lǐng)域，許多軸承的潤(rùn)滑只能靠固體潤(rùn)滑方式解決。它是在軸承的滾動(dòng)面上 利用各種方法形成固體潤(rùn)滑膜，減少摩擦力。固體潤(rùn)滑膜是不能再生的一次性膜， 該種工況的軸承如果不能補(bǔ)充潤(rùn)滑，就有可能導(dǎo)致失效。自潤(rùn)滑保持架可以補(bǔ)充 潤(rùn)滑膜層。由于太空中輻射較強(qiáng)，其它塑料的應(yīng)用受到限制，

12、現(xiàn)在主要采用聚酰 亞胺復(fù)合材料保持架，利用聚酰亞胺作為機(jī)體材料，內(nèi)部加入二硫化鉬等固體潤(rùn) 滑劑制成。在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，軸承的滾動(dòng)體與保持架兜孔面接觸，相對(duì)運(yùn)動(dòng)使 保持架內(nèi)的固體潤(rùn)滑劑和聚酰亞胺轉(zhuǎn)移到滾動(dòng)體表面，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到溝道中，補(bǔ)充 固體潤(rùn)滑膜，達(dá)到長(zhǎng)壽命的目的。這種類型的軸承在航天等高科技領(lǐng)域中已得到 多次應(yīng)用，效果十分理想，圓滿的完成了工作任務(wù)。2.3在多孔含油保持架中的應(yīng)用 在陀螺馬達(dá)軸承中利用多空含油聚酰亞胺保持架，已解決其長(zhǎng)壽命、高精度和高 可靠性問(wèn)題，該項(xiàng)技術(shù)的核心即是多孔保持架材料的制備。陀螺馬達(dá)是一種高精 度的電機(jī)馬達(dá)，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣量確定空間飛行器的基準(zhǔn)方向，對(duì)于現(xiàn)代

13、航天、航空及航海等領(lǐng)域是十分關(guān)鍵的部件。隨著技術(shù)的進(jìn)步和要求的不斷提高， 要求陀螺馬達(dá)的壽命都很長(zhǎng)，國(guó)際上的陀螺馬達(dá)壽命達(dá)8萬(wàn)小時(shí)。陀螺馬達(dá)的壽 命主要有軸承壽命決定，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)失敗時(shí)馬達(dá)的壽命即終止。而運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中該 部位的潤(rùn)滑無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)充，只能采取一次性潤(rùn)滑技術(shù)。剛開(kāi)始利用潤(rùn)滑脂作為潤(rùn) 滑劑，但潤(rùn)滑脂稠度較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增加，潤(rùn)滑脂的質(zhì)量偏移會(huì)損傷陀螺精 度，同時(shí)壽命要求，脂潤(rùn)滑無(wú)法實(shí)現(xiàn)。多孔聚酰亞胺材料則是利用聚酰亞胺粉料 采取獨(dú)特的工藝制成的特殊材料。它具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，可用機(jī)械加工的方法 成型保持架，內(nèi)部之間相互貫通，在微孔之內(nèi)貯存潤(rùn)滑油，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于離 心力和熱運(yùn)動(dòng)使保持架表面轉(zhuǎn)移，形成完整油膜，實(shí)現(xiàn)軸承潤(rùn)滑。同時(shí)微孔把它 接觸到多余的潤(rùn)滑油重新吸附到保持架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部油，達(dá)到長(zhǎng)壽命之目的。聚 酰亞胺的綜合性能優(yōu)良，是制作微孔保持架的理想材料?，F(xiàn)在我國(guó)絕大多數(shù)長(zhǎng)壽 命陀螺馬達(dá)軸承都是采用多孔聚酰亞胺保持架，使陀螺壽命達(dá)五萬(wàn)小時(shí)以上，精 度及可靠性都滿足了主機(jī)要求。聚酰亞胺作為一種性能優(yōu)異的特種高分子材料， 肯定有其更加廣闊的使用范圍，在耐磨結(jié)構(gòu)件、絕緣材料、耐腐蝕等方面應(yīng)用會(huì) 不斷拓展。發(fā)前該材料應(yīng)用局