Твёрдость и прочность капролона: цифры для расчёта втулки и ролика

Твёрдость капролона чаще всего спрашивают, чтобы понять, выдержит ли деталь нагрузку. Число по Шору или по шарику на этот вопрос отвечает плохо: оно показывает, насколько поверхность сопротивляется вдавливанию острия, а не то, как поведёт себя втулка под постоянным давлением месяцами. Для расчёта нужны другие строки паспорта, и их легко найти рядом с твёрдостью.

Шор D и шарик описывают поверхность капролона

Капролон относится к твёрдым пластикам, и его меряют шкалой D, а не A. В паспорте литого ПА6 TECAST T от Ensinger твёрдость по Шору D равна 83 по DIN EN ISO 868. Для марки с дисульфидом молибдена в техническом листе той же линейки (TECAST T MO) приведена твёрдость при вдавливании шарика 170 МПа по ISO 2039-1.

Отечественные паспорта иногда дают твёрдость по Бринеллю в кгс/мм², это тот же метод вдавливания шарика в старых единицах: 1 кгс/мм² равен примерно 9,8 МПа. Пересчитывать Шор D в шарик или в Бринелль формулой нельзя, у методов разная глубина и время вдавливания; сравнивают только значения, полученные одним методом. Для отечественной приёмки метод шарика задаёт ГОСТ 4670 на твёрдость пластмасс.

Нагрузку на деталь берут из напряжения при сжатии

Для деталей, которые давят, а не царапают, важна строка «напряжение при сжатии» с указанием деформации. В том же паспорте TECAST T по EN ISO 604: 19 МПа при 1 % деформации, 36 МПа при 2 %, 83 МПа при 5 %. Американская версия листа для чёрной марки (TECAST T black) по ASTM D695 даёт 3 300 psi при 1 %, около 23 МПа, и 14 000 psi при 10 %, около 96,5 МПа.

Цифры относятся к конкретным маркам и служат ориентиром для литого ПА6 общего назначения; марка капролона и её паспорт фиксируются в КП. Отечественный производитель Метафракс нормирует для капролона изгибающее напряжение не менее 90 МПа для ПА 6 сорта А, 95 МПа для ПА 6-МГ с графитом и 85 МПа для ПА 6-МДМ с дисульфидом молибдена.

Схема повторяет значения из таблицы: 19 МПа при деформации 1 %, 36 МПа при 2 %, 83 МПа при 5 % и около 96 МПа при 10 %. Последнее значение взято из американского листа на чёрную марку и показывает, что дальше 5 % напряжение растёт уже медленно.

Пример: опорная плита направляющей считается по 1 %

Пример: ползун направляющей из капролона размером 80 × 60 мм несёт постоянную нагрузку 15 кН. Давление 15 000 / 4 800 ≈ 3,1 МПа. Если брать напряжение при 1 % деформации 19 МПа, запас по осадке около шести, и при толщине ползуна 20 мм кратковременная осадка будет порядка 0,03 мм.

Под постоянной нагрузкой капролон ползёт, и через месяцы осадка вырастет в несколько раз, поэтому для неподвижной нагрузки разумный предел давления берут в несколько раз ниже 1-процентного напряжения. При движении плиты добавляется проверка по произведению давления на скорость, та же, что для втулок из капролона. Если давление получилось выше 8–10 МПа, капролон без проверки на пробной детали не ставят.

Какая твёрдость у капролона?

Твёрдость литого капролона, полиамида ПА6, по шкале Шора D около 83 единиц, а при вдавливании шарика около 170 МПа по паспортам распространённых марок. Капролон измеряют шкалой D или шариком, шкала Шора A для него не подходит. Влага из воздуха немного снижает твёрдость и заметнее снижает жёсткость, поэтому образцы для сравнения меряют в одинаковом состоянии.

Какую нагрузку на сжатие выдерживает капролон?

Капролон при сжатии на 1 % держит около 19–23 МПа, при 2 % около 36 МПа, при 5 % около 83 МПа по паспортам литого ПА6. Для детали, которая должна сохранить размер под постоянной нагрузкой, рабочее давление берут в несколько раз ниже 1-процентного напряжения из-за ползучести. Кратковременные удары капролон переносит при напряжениях заметно выше, но с остаточной осадкой.

Влага делает капролон мягче и податливее

Полиамид впитывает воду из воздуха. В паспорте TECAST T водопоглощение за 24 и 96 часов при +23 °C указано 0,2–0,4 %, а до насыщения в воде капролон набирает несколько процентов. Вода работает как пластификатор: материал становится вязче к удару, но мягче и податливее под нагрузкой.

Паспортные цифры твёрдости и прочности обычно сняты на сухих или кондиционированных образцах. Деталь в мокром цеху или на улице после нескольких месяцев работает с меньшей жёсткостью, поэтому запас по нагрузке для неё закладывают больше. Тот же эффект меняет размеры: втулка набухает, и зазор считают с учётом влаги.

Нагрев снижает несущую способность раньше, чем твёрдость

Твёрдость при нагреве падает плавно, а несущая способность резко. По данным того же американского листа, температура изгиба под нагрузкой 264 psi, около 1,8 МПа, равна 200 °F, около 93 °C. Выше этой температуры деталь под нагрузкой заметно прогибается, хотя на ощупь остаётся твёрдой. Длительная температура капролона без нагрузки выше, но для нагруженной детали считают по этой цифре.

Наполнитель меняет трение, а твёрдость почти не трогает

Графит, дисульфид молибдена и масло добавляют в капролон ради трения и износа. Твёрдость и прочность при сжатии у таких марок близки к обычному ПА6, а изгибная прочность по паспорту Метафракс отличается на 5–10 МПа в обе стороны. Выбор между обычным и графитонаполненным капролоном делают по режиму трения, а не по твёрдости.

Светофор показывает, когда твёрдость и прочность фиксируют в заявке

Классификация Сивиза по тому, насколько паспортные цифры капролона важны для детали:

• зелёный: направляющие, накладки, шайбы с давлением до 2–3 МПа в сухом цеху. Достаточно марки капролона;
• жёлтый: втулки, ролики, плиты с давлением 3–10 МПа, удар, влажный цех, нагрев выше +60 °C. Нужен расчёт по сжатию и проверка по паспорту марки, основание выбора записывают в КП;
• красный: давление выше 10 МПа, постоянная нагрузка при нагреве, детали, от которых зависит безопасность механизма. Без пробной детали и расчёта изготовитель ресурс не обещает.

Твёрдость партии проверяют твердомером Шора D

Твёрдость удобна для приёмки: она быстро показывает, что заготовка та, что заказана. Твердомер Шора D на капролоне покажет 80–85 единиц, на фторопласте 50–60, на полиуретане 95 Shore A и выше. Если на детали, заказанной из капролона, твердомер даёт около 55 Shore D, это повод проверить материал, а не принимать партию.

Замер ведут на плоском участке толщиной не меньше 4 мм при комнатной температуре, деталь перед этим выдерживают в цеху. Результат записывают в карточку изделия вместе с маркой и номером партии заготовки, чтобы следующая партия сравнивалась с ней.

Данные для расчёта детали из капролона по нагрузке

Чтобы марку и размеры проверили по прочности с первого раза, в заявке указывают нагрузку и площадь опоры или диаметр и длину втулки, характер нагрузки, скорость скольжения, температуру, влажность или воду в узле и допустимую осадку. Если есть чертёж, на нём отмечают поверхности под нагрузкой.

Детали из капролона и других инженерных пластиков делают мехобработкой по чертежу или образцу. Обработку ведут из литых стержней, труб и плит; для серий из литой заготовки, близкой к форме детали, изготовитель предложит способ в КП вместе с маркой.