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1、塑胶齿轮材料推荐Stanyl von DSM als ausgezeichnetes Zahnrad Material fr anspruchsvolle AnwendungenDr. H.K. van Dijk, DSM Engineering Plastics, P.O. Box 604, NL-6160 AP Geleen, NiederlandeDr. Ing. H.G.H. van Melick, DSM Research, Material Science Centre, P.O. Box 18, NL-6160 MD Geleen, NiederlandeJ. Koenen, D

2、SM Engineering Plastics, P.O. Box 604, NL-6160 AP Geleen, NiederlandeZusammenfassungStanyl von DSM ist ein ausgezeichnetes Material fr Getriebe in anspruchsvollen Anwendungen bezglich der zu bertragenden Drehmomente und der Betriebstemperaturen.Stanyl, ein Polyamid 46 (PA46), hat eine Kristallinitt

3、von 70%, was sehr gute tribologische Eigenschaften (Verschlei- und Abriebbestndigkeit) und einen ausgezeichneten Erhalt der mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit) bei erhhten Temperaturen erschliet. Das Material ermglicht sehr kurze Zykluszeiten mit wassergekhlten Werkzeugen.Der besser

4、e Erhalt der mechanischen Eigenschaften bei erhhten Temperaturen (100C) erlaubt die Konstruktion kleinerer Zahnrder als mit PA66 oder PPA fr gleiche zu bertragende Drehmomente.Die berlegenen mechanischen Eigenschaften von Stanyl gegenber PA66 und PPA bei erhhten Temperaturen lassen sich durch Temper

5、n der Spritzteile weiter verbessern. Tempern ist eine Wrmebehandlung der Spritzteile bei hohen Temperaturen. Als Resultat erhht es die Steifigkeit und Festigkeit von Stanyl bei Temperaturen oberhalb der Glasbergangstemperatur um jeweils 50%. Als vorteilhafter Nebeneffekt lsst sich die Wasseraufnahme

6、 dabei auf das Niveau von PPA reduzieren. Dies ist ein herausragendes Merkmal von Stanyl. Die Temperwirkung ist irreversibel und von einem Anstieg der Molmasse begleitet. Weitere Vorteile des Temperns sind erhhte Ermdungsbestndigkeit und noch bessere tribologische Eigenschaften.DSM hat das Tempern v

7、on Stanyl ausfhrlich erprobt. Die erforderlichen Zeiten und Temperaturen fr erwnschte Effekte und die Auswirkung auf die Schwindung der Teile sind berechenbar. Ein Kostenmodell steht ebenfalls zur Verfgung.Eine wichtige Folge des Temperns besteht darin, dass die Abmessungstoleranzen bei erhhten Temp

8、eraturen vom Koeffizienten der linearen Wrmeausdehnung und nicht mehr von den durch die Wasseraufnahme bedingten Manderungen abhngen.Um zustzliche Nachweisdaten fr unsere Kunden zu erhalten, werden an der Technischen Universitt von Berlin derzeit Tests mit mehreren reprsentativen, voll geschmierten

9、Stanyl-Typen und bei DSM in Geleen Trockenlaufmessungen mit mehreren Stanyl-Typen auf Stahl durchgefhrt.Zu den bereits kommerzialisierten Stanyl-Getriebeanwendungen zhlen Zahnrder fr Elektromotorische Stellantrieb Drosselklappen (Hitachi, Denso) und Elektrische Lenksysteme (Honda Civic, Honda Insigh

10、t) sowie Getriebeteile fr Anlasser (uerer Zahnring), elektrische Fensterheber und Sitzverstellungen.1 Allgemeine Vorbemerkungen zu Stanyl PA46Stanyl Polyamid 46 von DSM ist ein thermoplastisches Hochtemperaturpolymer. Die Moleklketten bestehen aus Adipinsure und Diaminobutan, was zu einem sehr symme

11、trischen Aufbau der Ketten fhrt. Bild 1 zeigt die Moleklstruktur von Stanyl im Vergleich zu PA66 und PA6. Bild 1 Molekularstruktur von Stanyl im Vergleich zu PA66 und PA6Die Regelmigkeit der Ketten zeigt sich deutlich daran, dass zwischen jeder Amidbindung vier CH2-Anteile vorhanden sind.Resultat di

12、eses uerst regelmigen Aufbaus ist ein sehr schnell kristallisierendes Material mit einer hohen Kristallinitt von 70%. Der Schmelzpunkt liegt bei 295C, die Glasbergangstemperatur (Tg) bei 80C. PA66 und PA6 haben normalerweise eine Kristallinitt um 50%, bei PPA liegt sie meist um 30%.Die hohe Kristall

13、isationsgeschwindigkeit von Stanyl ermglicht sehr kurze Zykluszeiten bei der Verarbeitung des Materials in wassergekhlten Werkzeugen. Die Werkzeugtemperatur liegt zwischen 80C und 120C.Als wichtige Folge der schnellen Kristallisation und der sich daraus ergebenden sphrolithischen Struktur hat Stanyl

14、 mit 10kJ/m2 eine relativ hohe Schlagzhigkeit gegenber PA6 und PA66 mit 5 bis 7kJ/m2 (gemessen an spritztrockenen Proben).Die hohe Kristallinitt wiederum trgt entscheidend zum Erhalt der mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit) bei Temperaturen ber Tg bei. Bild 2 zeigt die berlegene Stei

15、figkeit von Stanyl im Vergleich zu diversen Wettbewerbsmaterialien bei erhhten Temperaturen.Bild 2 Steifigkeit von Stanyl gegenber Wettbewerbsmaterialien in Abhngigkeit von der Temperatur (DMA-Plots)Aufgrund der besseren mechanischen Hochtemperatureigenschaften eignet sich Stanyl zur Konstruktion kl

16、einerer Zahnrder (ohne feststehenden Achsabstand) mit gleicher Drehmomentbertragung. Dieser Vorteil lsst sich durch tempern von Stanyl noch ausbauen, wie weiter unten erlutert.2 Tempern von Stanyl zur weiteren Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften bei gleichzeitiger Reduzierung der Wasseraufn

17、ahme2.1 Polyamide und WasseraufnahmeAlle Polyamide nehmen Feuchtigkeit auf. Das Ausma der Feuchtigkeits- oder Wasseraufnahme hngt vorwiegend von zwei Parametern ab der Polaritt oder Hydrophilie und der Kristallinitt des Materials.Die Polaritt kann als Verhltnis der NHCO- zu den CH2-Gruppen ausgedrck

18、t werden. Aus Bild 1 lsst sich ableiten, dass dieses Verhltnis bei Stanyl am grten ist, was es zum Material mit der hchsten Polaritt macht.Die Bedeutung der Kristallinitt fr die Wasseraufnahme ergibt sich aus der Tatsache, dass die Feuchtigkeit in der amorphen Phase des Materials aufgenommen wird. J

19、e hher die Kristallinitt, desto niedriger die zu erwartende Wasseraufnahme.In Tabelle I ist die Wasseraufnahme von Stanyl, PA66 und PA6 bei 23C und 50% relativer Luftfeuchte dargestellt.Tabelle I: Wasseraufnahme von Stanyl, PA66 und PA6 bei unterschiedlicher Umgebungsfeuchtigkeit (r.L.)50% r.L.75% r

20、.L.100% r.L.PA63,55,511PA66359PA464713PA46 getempert23,56,5PPA2,54,26Modellberechnungen haben ergeben, dass die hhere Feuchtigkeitsaufnahme von Stanyl im Vergleich zu Wettbewerbsmaterialien nicht mit der unterschiedlichen Polaritt erklrt werden kann. Obwohl Stanyl die hchste Polaritt aufweist, hat e

21、s auch die hchste Kristallinitt.Hauptgrund fr die relativ hohe Wasseraufnahme von Stanyl ist die vergleichsweise niedrige Dichte seiner amorphen Phase. Dies ist eine unmittelbare Folge der extrem schnellen Kristallisation von Stanyl. Beim Abkhlen der Schmelze frieren die sich parallel zur schnellen

22、Kristallisation bildenden Ketten der amorphen Phase sofort ein, sodass diese ein relativ groes freies Volumen hat, was die relativ hohe Wasseraufnahme von Stanly erklrt.2.2 Tempern und Reduzieren der WasseraufnahmeDurch Tempern lsst sich das Ausma und die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme von Kunst

23、stoffen substanziell reduzieren, da die amorphe Phase hierbei zu einer ausgeglicheneren, dichteren Struktur findet. Das Tempern wird von einer messbaren Zunahme der Materialdichte begleitet. Bei unverstrktem Stanyl wurde eine Zunahme von 1,18 auf 1,21g/cm3 beobachtet.Eine wichtige zweite Auswirkung

24、des Temperns ist die in WAXS-Messungen nachgewiesene Perfektionierung der schon bestehenden Kristalle. Beim Tempern nimmt der H-Wert der DDLK enorm zu, was zu einem bedeutenden Teil auf die beobachtete Perfektionierung der Kristalle zurckzufhren ist.Tempern steht fr die Wrmebehandlung des Materials

25、bei hohen Temperaturen zwischen Tg und dem Schmelzpunkt. Der Effekt ist irreversibel und fhrt zu einer substanziellen Zunahme der Molmasse. DSM hat ein Modellverfahren entwickelt, das fr spezifische Temperzeiten und Temperaturen ziemlich przise Aussagen ber die zu erwartende Reduzierung der Wasserau

26、fnahme erlaubt.Wie Bild 3 deutlich zeigt, ist die Reduzierung der Wasseraufnahme durch Tempern ein herausragendes Merkmal von Stanyl.Bild 3 Wasseraufnahme von glasfaserverstrktem Stanyl, PA66 und PPA in Abhngigkeit von unterschiedlichen TemperbedingungenBild 4 illustriert die reduzierte Feuchtigkeit

27、saufnahme und Aufnahmegeschwindigkeit nach Tempern von unverstrktem Stanyl TW341 bei 260C. Zum Vergleich ist auch die Wasseraufnahme von PA66 und Gie-PA6 (bei 100% r.L.) dargestellt.Bild 4 Wasseraufnahme von unverstrktem Stanyl nach unterschiedlichen Temperzeiten bei 260CUm ein Modell fr praxistaugl

28、iche Berechnungen zu erhalten, wurden einige dieser Kurven bei unterschiedlichen Temperaturen erstellt. Bild 5 zeigt Ergebnisse von Versuchen, die Wasseraufnahme auf das Niveau von PA66 oder Gie-PA6 zu reduzieren.Bild 5 Temperversuche zum Erreichen der Wasseraufnahme von ungeflltem Stanyl auf dem Ni

29、veau von PA66 und Gie-PA6Als wichtige Folge der reduzierten Wasseraufnahme von Stanyl nach dem Tempern verringern sich auch die Abmessungsnderungen der Formteile und der Verlust der mechanischen Eigenschaften.So wurden die Abmessungsnderungen bei einem Zahnrad aus Gie-PA6 nach Sttigung mit Wasser be

30、i 100% r.L. mit denen bei einem Zahnrad aus unverstrktem Stanyl jeweils mit und ohne Vortempern verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengefasst.Tabelle II: Abmessungsnderungen bei Wasserlagerung ohne und mit vorherigem Tempern (24 h bei 230C)Ohne VortempernMit VortempernTW341: Vernderu

31、ng des Teilkreisdurchmessers (%)2,81,2TW341: Vernderung der Wanddicke (%)4,22,1Gie-PA6: Vernderung des Teilkreisdurchmessers (%)1,2Nicht geprftGie-PA6: Vernderung der Wanddicke (%)2,0Nicht geprftDie relativ hohe Ausdehnung der Wanddicke liegt an einer Stahlnabe, die eine radiale Ausdehnung bis zu ei

32、nem gewissen Grad verhindert. Im Allgemeinen lsst sich sagen, dass die Abmessungsnderungen der Formteile nach dem Tempern nicht von der Wasseraufnahme, sondern vom linearen Wrmeausdehnungskoeffizienten beherrscht werden.(Bild 5.1) Stanyl unverstrkt Abmessungen vor dem Tempern(Bild 5.2) Stanyl unverstrkt Abmess