铸型尼龙EPS蜗轮尺寸稳定性研究

刘万鹏¹，郑梯和²，刘爱学²,郭其昌³,李杰⁴

（ 1,3,4 上汽通用五菱汽车股份有限公司， 广西柳州 545007

   2中车株洲电力机车研究所-株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南，株洲 412007）

摘  要：本文采用单体浇铸工艺，包覆金属轮毂，制备EPS蜗轮。考察了水煮工艺对EPS蜗轮材料性能的影响，对EPS蜗轮产品尺寸稳定性、产品性能的影响，并确定最佳的水煮工艺。同时，考察了塑胶件与轮毂结构对产品的尺寸稳定性的影响。结果表明，水煮6h，产品的综合性能指标最好。随着轮毂尺寸的变大，产品的高低温尺寸稳定性越好。

关键词：EPS转向管柱；铸型尼龙；EPS蜗轮；尺寸稳定性

Study On The Dimensional Stability Of Cast Nylon For EPS Worm

Liu Wanpeng1，Zheng Ti-he2, LiuAi-xue2,

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd  , Liuzhou,Guangxi 545007, China

2 Zhuzhou Times New Material TechanologyCo.Ltd., Zhuzhou 412007,China)

Abstract：In this paper, the EPS worm was prepared by cast nylon，with metal hub filled. The effect of decocting technology on mechanical properties of EPS worm gear material was investigated. At the same time, the influence on the size stability and product performance of EPS worm gear was studied, and the optimum technology was determined. Also, the impact of plastic parts and wheel hub structure on the dimensional stability of the product was studied. The results showed that the optimum boiling time was 6 hours. In this case, the comprehensive properties of the products performed best. With the hub size becoming larger, the dimensional stability of the products was the better.

Keywords: EPS;cast nylon;EPS worm gear; dimensional stability

铸型尼龙（单体浇铸尼龙，又称为MC尼龙），是己内酰胺单体C6H11NO采用阴离子聚合反应方法制备而成。铸型尼龙是塑料中的一个特殊的品种，在分子结构上与尼龙6基本相似，但是与传统的尼龙6相比，它具有合成工艺简单、力学性能优异等优点[1-3]。铸型尼龙聚合度高, 分子量与结晶度大, 具有比其它工程塑料更优良的性能, 被广泛用来制造耐磨减摩零件[4]。由于铸型尼龙综合性能优异，尤其是在耐磨方面，在汽车领域应用尤为广泛，EPS蜗轮产品就是其中之一。

EPS蜗轮是汽车EPS电子助力转向器中主要传动部件。EPS蜗轮由尼龙塑胶与金属轮毂复合而成。EPS蜗轮的塑胶部分主要有铸型尼龙、PA66、PA12与PA46。其中铸型尼龙由于其优异的耐磨性、良好的尺寸稳定性、成型工艺简单、成本低而作为EPS蜗轮塑胶的首选材料之一。

铸型尼龙材料的尺寸稳定性改性方法很多，其中包括油煮、水煮。其中油煮可以提高材料的强度和耐磨性，降低材料的摩擦系数与吸水性，从而达到改善产品的的尺寸稳定性。水煮的主要目的是提高材料的韧性，使得材料本生具备一定的含水率，产品的稳定性增加。

随着汽车行业的飞速发展，对EPS蜗轮材料的要求也越来越高，尤其尺寸稳定性方面。铸型尼龙虽然吸水率低，但是对于蜗轮蜗杆间隙配合(要求小于0.03)的高精度使用工况，仍然无法满足其要求。本文通过对蜗轮产品进行水煮及通过改变轮毂外径两个方案来进行研究，以期达到解决蜗轮尺寸稳定性的难题。

1  试验部分

某车型整车试验过程出现转向卡滞，转向不回位的问题。主要变现为故障车操纵方向盘时，手感明显比正常车重，且转动方向盘松手后，方向盘没有回中位的趋势或回转残余角度远远大于正常车。对故障车EPS转向管柱进行互换试验，发现故障现象跟EPS转向管柱走。

1.1 试验原料

己内酰胺，优级品，岳阳石化；

氢氧化钠（NaOH），分析纯，天津试剂厂；

甲苯二异氰酸脂（TDI），分析纯，烟台万华；

耐磨剂；

金属轮毂，45#钢

1.2 实验设备及仪器

反应釜：5L,自制；

真空泵:XL-8，上海真空泵厂；

微机控制电子万能试验机：CMT-4503，美特斯工业系统（中国）有限公司；

微机控制摩擦磨损试验机：MMS-2A，济南益华科技有限公司；

差式扫描量热仪：DSC204F1，瑞士梅特勒-托利多；

摆锤式冲击试验机：GJC，承德精密试验机有限公司。

1.3 实验方法

将己内酰胺和耐磨剂加入反应釜中，热至己内酰胺熔融，抽真空脱水（真空度-0.1MPa），10min后停止抽真空，加入催化剂NaOH，继续抽真空脱水，温度控制在135±5℃，15min后停止抽真空，加入活化剂TDI，倒入已预热150-160℃的模具中（进行蜗轮产品的制作，模具内放置预热好的金属轮毂），10min后脱模，冷却至室温，在140-170℃环境中油煮6小时，根据要求，加工成试样。

1.4 检测方法

拉伸强度，按GB/T1040-2008测试，室温，拉伸速率50mm/min;

弯曲强度，按GB/T9341-2008测试,速率2mm/min;

冲击强度，按GB/T1043.1-2006测试；

压缩强度（25%应变），按GB/T1041-2008测试；

摩擦系数、磨损量，按GB/T3960-1983测试，加载力196N，转速200r/min；

结晶度、熔点，按ASTMD1418-12测试，升降温速率10℃/min，载气流速50mL/min。

吸水率：产品本体取样，称其重量W0，将样条置于120℃烘箱24h后，恒重，再次称量样条重量W，计算塑胶件吸水率（W0-W)/W ×100%。

2  结果与讨论

2.1水煮对EPS蜗轮材料力学性能的影响

通过水煮，EPS蜗轮材料由于分子结构中存在亲水基团，材料会吸水，达到一定的吸水率。表1反映的是材料的吸水率对其力学性能的影响。从表1中可以看出，随着吸水率的增加，材料拉伸强度、弯曲强度、压缩强度均逐渐降低，而冲击强度逐渐的增加。其主要原因是由于材料吸水之后，水在材料中起到增塑剂的作用，导致材料的强度降低，材料的韧性增加。

2.2水煮对EPS蜗轮材料耐磨性能的影响

图1是EPS蜗轮材料随着吸水率的增加摩擦系数的变化趋势图。

图2是材料的质量磨损随着吸水率的增加的变化趋势图。

从图1、2中可以看出，随着材料吸水率的增加，材料的摩擦系数是逐渐增加的，但是增加的幅度不大；材料的磨损基本不变。结果表明：随着材料吸水率的增加，其耐磨性变化不大。

2.3水煮对EPS蜗轮产品性能的影响

2.3.1水煮时间对蜗轮产品吸水率的影响

图3与表2反应的是蜗轮产品水煮时间与含水率、尺寸变化的关系。从图中可以看出，随着水煮时间的增大，蜗轮产品的内部含水率与外部含水率均呈现逐步增大的趋势。蜗轮产品的塑胶材料是铸型尼龙。铸型尼龙在空气中（23℃，50%RH）的平衡吸水率为2.0%，在水中的饱和吸水率为7.0%。通过水煮，水煮6小时，蜗轮材料的外层吸水率已经基本达到空气中的平衡值，蜗轮产品的吸水膨胀的风险消除。

2.3.2水煮时间对蜗轮产品结晶度的影响

表3反映的是EPS蜗轮产品结晶度与熔点随着蜗轮水煮时间的变化趋势。从表中可以看出，随着水煮时间的增加，其熔点变化较小，而结晶度有下降的趋势，但是变化的幅度不大，说明水煮工艺不影响材料的分子链排布，从而对结晶度影响较小。

2.3.3水煮时间对蜗轮产品硬度的影响

图4是蜗轮产品硬度随水煮时间的变化的趋势图。随着水煮时间的增加，材料的吸水率增加，材料的强度会逐渐的降低。产品在水煮3个小时之后其邵D硬度与洛氏硬度基本趋于平衡。材料未水煮的时候，其邵D硬度为75.96，洛氏硬度为112.4，趋于平衡值的邵D硬度为65，洛氏硬度为98左右。

2.4 EPS蜗轮结构对产品尺寸稳定性的影响

2.4.1 EPS蜗轮高温高湿度环境的尺寸稳定性

表4反映的是EPS蜗轮结构对产品高温尺寸稳定性的影响。从表中可以看出，同样结构的蜗轮，水煮时间越长，其高温高湿（85℃，RH85%）环境存放，尺寸变化量越小。水煮3小时与水煮6小时的高温高湿环境存放，尺寸变化量相当。随着存放时间的延长，其尺寸变化量有增大的趋势，主要是由于蜗轮在高温高湿环境下吸水所致。随着蜗轮轮毂尺寸的增大，其尺寸变化量逐渐变小。当蜗轮轮毂外径从64mm增加到75mm，其尺寸变化量缩减的幅度比较大。从试验结果上来看，轮毂外径达到75mm时，不水煮状态蜗的尺寸稳定性比轮毂时64mm时，水煮6小时的状态还要好。

2.4.2 EPS蜗轮低温尺寸稳定性

表5反映的是EPS蜗轮结构对产品低温尺寸稳定性（-40℃）的影响。从下表中可以看出，水煮对蜗轮产品低温尺寸几乎没有影响，但是当EPS蜗轮的外径从64mm增加到75mm时，其低温的收缩量从0.306mm降低到0.239mm。增加轮毂结构可以提高蜗轮产品的尺寸稳定性，其主要原因是金属材料的线性膨胀系数远比塑胶材料小。通过增加金属轮毂的外径比例，可以提高蜗轮产品的低温尺寸稳定性。

4  结  论

铸型尼龙EPS蜗轮采用的的是阴离子聚合的方法制备而得。材料的耐磨性好，尺寸稳定性好，但是对于蜗轮蜗杆配合间隙要求高的工况，仍然需要进行工艺与产品结构的优化。本文研究了水煮工艺对材料及蜗轮产品性能的影响。结果表明：随着材料吸水率的增加，材料的强度逐渐降低，材料耐磨性有降低的趋势，但是变化量很少。蜗轮产品进行水煮工艺，水煮6小时，材料的吸水率基本达到平衡，综合性能表现良好。研究了轮毂与蜗轮毛坯外径的结构对蜗轮尺寸稳定性的影响。随着轮毂外径的增大，产品的高温高湿及低温环境下的尺寸稳定性得到有效的改善。

参考文献:

[1] 王有槐，王新华，朱培.铸型尼龙实用技术[M].北京：中国石化出版社，1994:1-10.

[2] 孙向东，孙旭东，张慧波.MC尼龙改性研究进展[J].工程塑料应用，2003,31（2）:59-61.

[3] 周凤娟，张琳琪，王依民.MC尼龙的合成研究[J].合成技术及应用，2012,27（2）:1-6

[4] 李国禄, 王昆林, 刘金海, 刘家俊, 崔国平. 铸型尼龙及其复合材料的摩擦学性能和晶型转变[J].高分子材料科学与工程，2001,17（6）:146-148

文章发表于《时代汽车》2018年03期