Литьё полиамида (PA6 / PA66) под давлением: физика процесса, контроль влажности и борьба с короблением
Полиамид – материал коварный. С одной стороны, стеклонаполненные марки вроде PA66-GF30 по прочности на разрыв вплотную приближаются к силуминам и цветным металлам. С другой – одна невысушенная партия гранулята в бункере ТПА способна превратить серийное литье в суточный брак, который разрушится при первой же конвейерной сборке.
В отличие от полипропилена или полистирола, полиамиды (PA6, PA66) являются гигроскопичными частично-кристаллическими полимерами. Их амидные группы химически связываются с молекулами воды из воздуха. Если запустить литье ненаполненного или стеклонаполненного полиамида без глубокой десикантной сушки, расплав при температуре 280-300 °C моментально подвергается гидролизу.
Инженеры завода ЗТПИ на практике разбирают, как правильно готовить сырье, калибровать режим термостатирования пресс-форм и сдавать партии деталей из полиамида без внутренних напряжений и ухода геометрии.
Физико-механические характеристики марок PA6 и PA66
При проектировании узла важно точно разграничивать свойства базовых и наполненных марок. PA6 остывает медленнее и дает чуть меньшую усадку, тогда как PA66 обладает повышенной жесткостью и более высокой температурой плавления. Добавление 30% рубленного стекловолокна кардинально меняет трибологию и механику материала.
|
Марка полимера |
Предел прочности при растяжении, МПа |
Модуль упругости при изгибе, МПа |
Изгиб под нагрузкой 1.8 МПа, °C |
Предельное насыщение влагой, % |
Практическое применение |
|
PA6 (полиамид 6) |
70 - 80 |
2800 - 3000 |
65 - 75 |
8,5 |
Втулки, корпуса РЭА, детали общего назначения. |
|
PA66 (полиамид 66) |
80 - 90 |
3100 - 3300 |
85 - 95 |
8,0 |
Разъемные зажимы, фитинги, силовые корпуса. |
|
PA6-GF30 (стекло 30%) |
140 - 160 |
8000 - 9000 |
190 - 205 |
5,5 |
Кронштейны, корпуса пневматики, рычаги. |
|
PA66-GF30 (стекло 30%) |
175 - 195 |
9500 - 10500 |
230 - 250 |
5,0 |
Подкапотные детали авто, редукторы. |
Физика гидролиза: почему обычной сушки полиамиду недостаточно
Атмосферный гранулят полиамида перед загрузкой в ТПА содержит от 1,5% до 3,5% связанной воды. Главная технологическая ловушка заключается в том, что влажная деталь внешне часто выглядит нормально – на ней могут отсутствовать видимые серебристые струи или пузыри. Однако молекулярные цепи полимера при 290 °C под воздействием пара уже разорваны.
Испытания разрывной машиной в лаборатории ОТК показывают: деталь из ненаполненного PA6, отлитая из плохо просушенного сырья, теряет до 60% ударной вязкости. Мелкая защелка на корпусе вместо упругого отгиба с треском отламывается.
Стандартные сушильные шкафы с циркуляцией горячего воздуха для полиамида бесполезны. При температуре выше 80 °C на открытом воздухе гранулы быстро окисляются и желтеют.
На производстве ЗТПИ сушка полиамида выполняется исключительно в закрытых десикантных комплексах. В сушильный бункер подается осушенный воздух с точкой росы -40 °C. Гранула продувается при температуре 85-90 °C в течение 4-6 часов. Литье допускается только после того, как экспресс-анализатор влажности подтвердит показатель ниже 0,08% (для тонкостенного литья – не более 0,05%).
Борьба с короблением стеклонаполненных марок
При переработке PA6-GF30 и PA66-GF30 технологи регулярно сталкиваются с термическим короблением. Проблема кроется не в ТПА, а в анизотропии усадки. В процессе заполнения гнезда пресс-формы стекловолокна выстраиваются вдоль потока расплава.
В результате продольная усадка детали вдоль направления впрыска составляет всего 0,2-0,3%, а поперечная усадка (перпендикулярно потоку) достигает 0,8-1,0%. Разница внутренних напряжений заставляет длинную плоскую деталь изгибаться дугой в первые минуты после извлечения из формы.
Для компенсации анизотропии на ЗТПИ применяют комплекс инженерных мер:
Моделирование реологии в Moldflow
Место подвода литника выбирается так, чтобы фронт расплава двигался симметрично от центра к краям, не создавая встречных холодных спаев на тонких стенках.
Высокотемпературное термостатирование
Стальные матрицы формы нагреваются водяными термостатами до 90-110 °C. Если залить стеклонаполненный полиамид в «холодную» форму (20-30 °C), поверхностный слой полимера мгновенно закристаллизуется, а стеклянные волокна вылезут на поверхность в виде шершавого белого налета.
Жесткие остудочные ложементы (ригели)
Извлеченная из ТПА горячая корпусная деталь мгновенно фиксируется на стальном кондукторе, повторяющем идеальную геометрию чертежа, и удерживается на нем до полного остывания.
Зачем полиамид выдерживают в горячей воде после литья
Сухая деталь сразу после ТПА имеет высокую жесткость, но пониженную стойкость к ударным нагрузкам. Это нормальное физическое состояние «свежеотлитого» полиамида. В естественной рабочей среде полимер постепенно забирает из воздуха около 2% влаги, которая играет роль пластификатора и возвращает материалу паспортную упругость.
Чтобы не ждать 3-4 недели, пока готовые корпуса наберут естественную влажность на складе, на ЗТПИ проводят процедуру принудительного кондиционирования. Детали выдерживают в ваннах с деминерализованной водой при температуре 60-70 °C в течение нескольких часов. После такой гидротермической обработки изделия приобретают максимальную стойкость к ударам и сразу готовы к жестким конвейерным тестам.
Контроль качества ОТК и запуск серийных партий
Лаборатория ОТК завода ЗТПИ сопровождает производство деталей из полиамида на всех этапах:
Проверка гранулята
Контролируем влажность сырья перед загрузкой в бункер и проверяем показатель текучести расплава (ПТР) каждой поступившей партии
Механические испытания
Отливаем контрольные образцы-«лопатки» и проверяем прочность на разрыв и изгиб по ГОСТ 11262-80 на разрывных машинах
3D-метрология
Измеряем геометрию готовых корпусов на координатно-измерительной машине (КИМ) с проверкой допусков квалитетов IT8-IT10