PA6 GF30 – co to jest za materiał?
Poliamid 6 bez wypełniacza ma ograniczoną sztywność, a pod stałym obciążeniem ulega pełzaniu i zmienia wymiary. PA6 GF30 to poliamid 6 z dodatkiem 30% włókien szklanych, który ma wyższą sztywność i wytrzymałość oraz lepiej znosi podwyższone temperatury. Dlatego jest standardem materiałowym tam, gdzie czyste polimery nie wytrzymują obciążeń mechanicznych i termicznych. Tekst jest przeznaczony dla konstruktorów i technologów, którzy weryfikują specyfikację materiału przed zamówieniem półfabrykatów lub gotowych detali.
Definicja i skład materiału PA6 GF30
PA6 GF30 to konstrukcyjny poliamid 6 wzmocniony w 30% ciętym włóknem szklanym, produkowany na bazie kaprolaktamu. Materiał składa się z osnowy poliamidowej i rozproszonych w niej krótkich włókien szklanych. Osnowę uzyskuje się z kaprolaktamu, który jest uplastyczniany i mieszany z wodą oraz ciętym włóknem.
Oznaczenie czyta się od lewej do prawej: PA to poliamid, 6 to liczba atomów węgla w pierścieniu kaprolaktamu, GF (glass fibre) to włókno szklane, a 30 to udział wypełniacza w masie tworzywa. W języku potocznym poliamid 6 bywa nazywany nylonem. Dominującym kolorem handlowym jest czarny.
Na polskim rynku ten materiał i pokrewne gatunki funkcjonują pod nazwami ERTALON, TARNAMID i TECAMID. Aktualnym oznaczeniem produktu Ensinger jest TECAMID 6 GF30 black. PA6 GF30 występuje też jako filament do druku 3D, lecz podane tu parametry dotyczą półfabrykatów do skrawania i nie odnoszą się do wydruków.
Kluczowe właściwości i parametry techniczne
Dodatek napełniacza szklanego zapewnia materiałowi moduł sprężystości rzędu 5700 MPa oraz wytrzymałość na rozciąganie na poziomie 98 MPa. Poniższe zestawienia podają wartości wg norm DIN EN ISO. Są to wartości typowe: zależą od gatunku, producenta i zawartości wilgoci w materiale, więc rozstrzyga karta konkretnego gatunku.
Parametry mechaniczne:
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Gęstość | 1,36 g/cm³ |
| Wytrzymałość na rozciąganie | 98 MPa |
| Granica plastyczności | 98 MPa |
| Moduł sprężystości przy rozciąganiu (DIN EN ISO 527-2) | 5700 MPa |
| Wydłużenie przy zerwaniu | 5% |
| Wytrzymałość na zginanie (DIN EN ISO 178) | 140 MPa |
| Moduł sprężystości przy zginaniu (DIN EN ISO 178) | 5200 MPa |
| Moduł przy ściskaniu (EN ISO 604) | 4200 MPa |
| Udarność wg Charpy’ego, próbka bez karbu (DIN EN ISO 179-1eU) | 60 kJ/m² |
| Twardość w skali Shore’a (DIN EN ISO 868) | 84 D |
Parametry termiczne:
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Temperatura topnienia | 218 °C |
| Temperatura zeszklenia (DIN EN ISO 11357) | 49 °C |
| Przewodność cieplna | 0,41 W/(K·m) |
| Liniowa rozszerzalność cieplna | 6 × 10-5 1/K |
| Maksymalna temperatura pracy ciągłej | 100 °C |
| Maksymalna temperatura pracy krótkotrwałej | 180 °C |
Parametry elektryczne, palność i chłonność wilgoci:
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Wytrzymałość elektryczna (ISO 60243-1) | 32 kV/mm |
| Klasa palności wg UL94 | HB (najniższa z klas) |
| Wchłanianie wilgoci (23 °C, 24 h / 96 h) | 0,2-0,3% |
Materiał jest odporny na oleje, paliwa, smary i tłuszcze oraz na promieniowanie rentgenowskie i gamma. Dobrze tłumi też wibracje. Poliamid jest higroskopijny, a wartość 0,2-0,3% opisuje tylko początek procesu (24 h i 96 h). Przy pełnym nasyceniu materiał wchłania ok. 6-7% wody w zanurzeniu i ok. 2% w atmosferze o temperaturze 23 °C i wilgotności względnej 50%, zależnie od gatunku. Wilgoć zmienia wymiary, obniża sztywność i pogarsza właściwości izolacyjne, dlatego w detalach o wąskich tolerancjach trzeba ją uwzględnić w projekcie.
Wydłużenie przy zerwaniu na poziomie 5% oznacza, że materiał pęka po niewielkim odkształceniu plastycznym, a to czyni go bardziej kruchym niż poliamid bez wypełniacza. W konstrukcji detalu należy zatem unikać ostrych karbów i naroży, bo udarność z karbem jest wyraźnie niższa niż w tabeli. Temperatury pracy ciągłej (100 °C) i krótkotrwałej (180 °C) oznaczają, że chwilowe wzrosty nie dyskwalifikują tworzywa, ale stała praca powyżej 100 °C wymaga innego materiału.
Wpływ włókna szklanego na tribologię i skrawanie półfabrykatów
Obecność twardego włókna szklanego znacząco ogranicza właściwości ślizgowe PA6 GF30, wywołując efekt ścierny wobec współpracujących miękkich metali. Twarde drobiny szkła na powierzchni tworzywa działają jak ścierniwo i zarysowują element współpracujący. Z tego powodu PA6 GF30 nie nadaje się do bezpośrednich węzłów tarcia. Tam, gdzie liczy się poślizg, konstruktor powinien wybrać gatunek bez wypełniacza szklanego.
Półfabrykaty to płyty o grubościach od 5 mm do 100 mm, wałki oraz tuleje, produkowane z naddatkiem pod obróbkę. Naddatek w dostarczonym półfabrykacie zapewnia zapas materiału na osiągnięcie wymiaru końcowego w procesie skrawania. Półfabrykaty frezuje się i toczy, a twardość 84 Shore D oraz ścierne działanie włókien przyspieszają zużycie narzędzi, dlatego stosuje się narzędzia z węglików spiekanych. Posuwy i prędkości skrawania dobiera technolog na podstawie karty materiałowej gatunku, bo zależą od geometrii detalu i maszyny.
Zastosowanie przemysłowe i zalety użytkowe
PA6 GF30 stanowi opłacalny substytut odlewów ze stopów aluminium i mosiądzu w elementach narażonych na wysokie naprężenia zmęczeniowe. Największe znaczenie ma w czterech obszarach: w zastosowaniach motoryzacyjnych, w budowie maszyn roboczych, rolniczych i transportowych, w przemyśle tekstylnym oraz w elektronice i elektrotechnice.
Z półfabrykatów wykonuje się między innymi:
- korpusy i wsporniki silników,
- wirniki pomp i wentylatorów,
- koła łańcuchowe i zębate,
- rolki i uchwyty,
- skrobaki,
- tuleje izolacyjne.
W kołach zębatych i łańcuchowych z PA6 GF30 trzeba uwzględnić ograniczone właściwości ślizgowe i dobrać element współpracujący z uwagi na ścierne działanie włókien.
Podstawową korzyścią jest redukcja masy konstrukcji przy zachowaniu sztywności: gęstość tworzywa jest wyraźnie niższa niż stopów aluminium i mosiądzu, a wysoka sztywność i odporność na pełzanie pozwalają utrzymać wymiary pod obciążeniem statycznym. Materiał sprawdza się w trudnych warunkach pracy, czyli przy drganiach, kontakcie z paliwami i olejami oraz w wysokich temperaturach, w granicach pracy ciągłej i krótkotrwałej tego tworzywa. Ten sam kompozyt przetwarza się też wtryskiem, opłacalnym przy seriach uzasadniających koszt formy; prototypy i małe serie wykonuje się skrawaniem.
Porównanie z niezmodyfikowanym PA6
W porównaniu z czystym PA6 wariant GF30 charakteryzuje się niemal dwukrotnie wyższą sztywnością i lepszą stabilnością wymiarową, kosztem większej kruchości, gorszych właściwości ślizgowych i trudniejszej obróbki skrawaniem. Tabela zestawia obie odmiany jakościowo, bo wartości liczbowe dla PA6 zależą od gatunku i stanu kondycjonowania, a parametry PA6 GF30 zawiera tabela w sekcji o właściwościach.
| Cecha | PA6 niemodyfikowany | PA6 GF30 |
|---|---|---|
| Moduł sprężystości (sztywność) | niższy | niemal dwukrotnie wyższy |
| Odporność na pełzanie | niższa | wyższa |
| Rozszerzalność termiczna | większa | mniejsza |
| Anizotropia właściwości i rozszerzalności | niewielka | wyraźniejsza, zależna od orientacji włókien |
| Praca w podwyższonych temperaturach | ograniczona | lepsza |
| Węzły tarcia | lepsze właściwości ślizgowe | ścierne działanie włókien na współpracujące metale |
| Kruchość | mniejsza | większa |
| Zużycie narzędzi przy skrawaniu | mniejsze | większe |
Orientacja włókien sprawia, że rozszerzalność i wymiary detalu mogą różnić się wzdłuż i w poprzek włókien, więc trzeba to uwzględnić przy tolerancjach. Bazowy poliamid wystarcza, gdy element pracuje w węźle ślizgowym, nie przenosi dużych obciążeń statycznych albo musi być odporniejszy na uderzenia. Po PA6 GF30 należy sięgnąć wtedy, gdy decyduje sztywność, odporność na pełzanie, stabilność wymiarowa lub praca w podwyższonej temperaturze, a także przy zastępowaniu odlewów metalowych.
Przed dokonaniem wyboru formatu (grubość płyty, średnica wałka, rozmiar tulei) prześlij do kml-technika.pl zapytanie z rysunkiem lub opisem zastosowania. Klient zamawiający gotowy detal może w zapytaniu podać wymiary (w tym średnicy zewnętrznej i wewnętrznej tulei), tolerancje i warunki pracy. Doradcy techniczni pomogą dobrać gatunek i półfabrykat, a przy zamówieniu ustalą też termin i warunki dostawy. Oferta obejmuje szeroki wybór grubości płyt, a także wałki i tuleje, więc formatkę z PA6 GF30 można dopasować do konkretnego detalu.