Температура эксплуатации полиамида: ПА6, ПА66 и ПА12 в деталях машин

В справочниках для одного и того же полиамида встречаются температуры от +70 до +260 °C, и все они правильные. Это разные показатели: плавление, прогиб под нагрузкой, длительная работа и кратковременный нагрев. Для детали машины нужен один из них, длительный предел, но и он верен только при условиях, в которых его определили.

Паспорт полиамида даёт четыре температуры

Изготовители полуфабрикатов указывают для полиамидов одинаковый набор: температуру плавления, температуру изгиба под нагрузкой 1,8 МПа (HDT), допустимую температуру длительной работы на воздухе и минимальную рабочую температуру. Ниже числа из паспортов MCAM для литого и экструзионного ПА6 и ПА66 и данные по ПА12.

У ПА12 данные по длительной работе взяты из характеристики трубки по DIN 73378: от −60 до +100 °C. Для стержней и плит ПА12 предел смотрят в паспорте заготовки, он зависит от марки и стабилизации.

ПА66 плавится выше, но стареет почти так же

Таблица показывает главное противоречие. У ПА66 плавление на 40 градусов выше, чем у ПА6, а длительный предел на воздухе у экструзионных марок отличается всего на 10 градусов. Высокая точка плавления даёт ПА66 запас при кратковременном нагреве и жёсткость под нагрузкой, но не делает его материалом для постоянных +150 °C.

Длительный предел означает 20 000 часов и половину прочности

Сноска к паспортам MCAM объясняет, что значит «длительно»: материал выдерживает указанную температуру на воздухе не меньше 20 000 часов, после чего прочность при растяжении, измеренная при 23 °C, снижается примерно на 50 % от исходной. Предел задан по термоокислительному старению. Там же оговорено, что реальный предел детали часто определяют длительность и величина механической нагрузки.

Пример расчёта: 20 000 часов непрерывной работы составляют около 2,3 года. При работе в две смены по 8 часов 250 дней в году деталь наберёт 4 000 часов в год, и 20 000 часов растянутся на 5 лет. В одну смену это 10 лет. Значит, для втулки конвейера, который работает днём, паспортные +90 °C у литого ПА6 дают запас по старению на годы, а для детали печи непрерывного цикла те же +90 °C означают, что через два с небольшим года деталь станет вдвое слабее.

Нагрузка снимает температурный запас раньше старения

Для шестерни, звёздочки или кулачка из полиамида срок старения редко бывает главным. Зуб нагружен изгибом, и на нагреве он сначала теряет форму: шестерня начинает шуметь и проскальзывать задолго до того, как материал постареет. По паспортам испытание изгибом под нагрузкой 1,8 МПа даёт для этих марок 70–85 °C, то есть рядом с длительным пределом. Как это число переводят в прогиб конкретной планки, показано на примере температуры капролона.

ПА66 здесь выигрывает у экструзионного ПА6: при близком длительном пределе его HDT выше на 15 градусов. Поэтому для нагруженных деталей при +60…+80 °C из двух экструзионных марок разумнее брать ПА66, а литой ПА6 в крупных деталях сравнивают с ПА66 по наличию нужной заготовки.

Вода и масло сдвигают границы в разные стороны

Паспортные числа получены на воздухе. Полиамид впитывает воду, насыщение при 23 °C у литого ПА6 6,5 %, у экструзионного 9 %, у ПА66 8 %. Вода размягчает материал: деталь становится вязче и лучше держит удар, но теряет жёсткость при нагреве и меняет размер. Горячая вода ускоряет впитывание, поэтому мокрый узел при +60…+80 °C для ПА6 и ПА66 уже пограничный. У ПА12 влагопоглощение в несколько раз ниже, и в мокрых узлах с допуском на размер его предпочитают.

Минеральное масло полиамиду не вредит и часто работает как смазка. Предел в масле по-прежнему задают старение и нагрузка, а масло в корпусе горячего редуктора заметно горячее воздуха в цехе. Для детали в масляной ванне берут температуру масла, а не цеха.

Мороз ограничивает полиамид ударом

Минимальная температура в паспортах полиамидов определена по ударной вязкости в неблагоприятных условиях удара, и изготовитель прямо пишет, что это не абсолютный практический предел. Неподвижная шайба или направляющая без ударов работает и ниже паспортных −30 °C. Ролик, звёздочка или буфер, которые получают удар на морозе, ниже этого числа колются.

ПА12 на холоде лучше всех полиамидов: трубки из него рассчитаны на −60 °C. Литой ПА6 по паспорту ограничен −30 °C, экструзионный −40 °C. Для уличных механизмов с ударами при −40 °C и ниже выбирают ПА12, полиуретан или сверхвысокомолекулярный полиэтилен.

На схеме длительные диапазоны из таблицы: литой ПА6 от −30 до +90 °C, экструзионный ПА6 от −40 до +70 °C, ПА66 от −30 до +80 °C, ПА12 в трубках от −60 до +100 °C.

Сценарии выбора марки по условиям узла

• Сухой узел, до +60 °C, нагрузка умеренная: подходит любой ПА6 или ПА66, выбирают по наличию заготовки и цене.
• Сухой узел +70…+90 °C, крупная деталь: литой ПА6, нагрузку проверяют по HDT; если деталь мелкая и нагруженная, ПА66.
• Горячее масло +90…+110 °C: ненаполненные полиамиды на пределе, нужна техоценка и, как правило, термостабилизированная марка или другой материал.
• Вода, мойка, жёсткий допуск на размер: ПА12 или другой пластик с малым влагопоглощением.
• Улица, удары при −40 °C и ниже: ПА12 или материалы с лучшей ударной вязкостью на холоде.

Если узел попадает в два сценария сразу, например горячая мойка и нагрузка, выбор делают по самому жёсткому, а полиамид сравнивают с полиацеталем POM, у которого влагопоглощение намного меньше.

До какой температуры работает полиамид ПА12?

Полиамид ПА12 в трубках по DIN 73378 рассчитан на диапазон от −60 до +100 °C и плавится около 178 °C. По морозу это лучший из массовых полиамидов, по нагреву он близок к ПА6 и ПА66. Главное преимущество ПА12 в малом влагопоглощении: размер детали во влажной среде меняется в несколько раз меньше, поэтому его выбирают для точных деталей в воде и на улице.

Что выдерживает больше нагрева, ПА6 или ПА66?

Между ПА66 и ПА6 по нагреву выигрывает ПА66, но только в двух показателях из трёх: он плавится при 260 °C и прогибается под нагрузкой на 85 °C. По сроку старения на воздухе литой капролон с его +90 °C держит дольше экструзионного ПА66 с +80 °C. Шестерню или ролик, которые греются под нагрузкой, разумнее делать из ПА66, крупную деталь без нагрузки из капролона.

Данные о нагреве для выбора марки полиамида

Изготовителю детали из полиамида кроме чертежа нужны пять сведений: температура у детали длительно и в пиках, сколько часов в год работает узел, нагрузка на деталь при максимальной температуре, вода, масло или мойка в узле, минимальная температура и есть ли удары на холоде. По ним подбор материала выбирает между ПА6, ПА66, ПА12 и другими пластиками, а в КП записывают, при какой температуре и нагрузке марка предложена. Заготовки капролона и инженерных пластиков берут под этот выбор, а готовые детали из инженерных пластиков точат по чертежу или образцу; если материал образца неизвестен, его класс помогает определить плотность полиамида.