一种轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮及其制备方法与流程

本发明涉及一种齿轮及其制备方法，具体涉及一种轻质耐磨金属/尼龙降噪齿轮及其制备方法。

背景技术：

传动齿轮是机械 、汽车等装备的关键部件。传统的齿轮大部分是由金属材料制成，金属齿轮具有强度高、尺寸稳定性好、承载重量大等优点。但是，金属齿轮存在五大缺点：一是不耐腐蚀，二是需要外加润滑油，三是不耐磨，四是噪音大，五是重量大。因此，如纺织机械、造纸机械、橡胶机械、食品机械等轻工机械，汽车、拖拉机等运输装备逐步改用尼龙、聚甲醛等高分子材料做传动齿轮。虽然尼龙树脂具有较好的自润性、耐磨损、噪音低、机械强度高等特性，但是，由于尼龙的吸水性会导致齿轮尺寸稳定性差，因此，不适合用于精密齿轮；而聚甲醛虽然具有优异的耐磨性，但是，机械强度低，不适合重载的传动。随着汽车轻量化，轻工机械减震降噪的推进，传动齿轮以塑代钢已成为必然趋势。传动齿轮作为传动装备稳定运行的关键安全性部件，除要求较高的机械强度外，其尺寸稳定性对于降低传动噪音，延长使用寿命，减少装备故障是十分重要的技术指标。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种质量轻，尺寸稳定性好，耐磨性好、使用寿命长，传动噪音小，耐腐蚀性能优异的轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮。

本发明进一步要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种工艺简单，生产效率高，成本低的轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮，由三层结构组成，内层为金属嵌件，中层为玻纤增强尼龙，外层为增强耐磨长碳链尼龙；所述内层、中层和外层逐层包裹呈同心齿轮状，齿轮模数相同，且内层、中层和外层的齿形同为V齿或柱齿结构。所述结构设计可减少金属的使用量，以减轻齿轮的重量，其中，内层采用金属材料可提供齿轮较好的装配精度、强度和刚度，中层结构采用玻纤增强尼龙，可保证齿轮足够的机械强度，而外层采用增强耐磨长碳尼龙可提高齿轮的尺寸稳定性与耐磨损性，以达到降低齿轮运载噪音的目的。所述V齿或柱齿结构有利于玻纤增强尼龙与金属的粘合及增强耐磨长碳链尼龙层与玻纤增强尼龙层之间的粘合。

优选地，所述内层的齿顶圆直径与齿轮中心孔直径之差为齿轮齿顶圆直径与齿轮中心孔直径之差的5～20%。所述金属嵌件的材料选用的是本领域常用的铸铁或合金钢。

优选地，所述中层的齿顶圆直径与内层的齿顶圆直径之差为齿轮齿顶圆直径与齿轮中心孔直径之差的50～70%。

优选地，所述外层的齿顶圆直径与中层的齿顶圆直径之差为齿轮齿顶圆直径与齿轮中心孔直径之差的10～40%。

所述每一层优选的齿顶圆直径能进一步增强本发明齿轮的综合性能：第一层用金属材质可确保齿轮的机械性能，若比例太大，则齿轮重量过重，若比例太小，则强度下降；中间层选用玻纤增强尼龙可减轻齿轮的整体重量和降低成本，同时又能确保齿轮的强度，若比例太大，则摩擦性能下降，若比例太小，则增加齿轮整体成本；外层选用增强耐磨长碳链尼龙可提高齿轮的摩擦性能、降低噪音，若比例太大，则增加成本，若比例太小，则会缩短使用寿命。

优选地，所述玻纤增强尼龙为玻纤增强尼龙6、玻纤增强尼龙66、玻纤增强尼龙612、玻纤增强尼龙1010、玻纤增强尼龙46或玻纤增强尼龙610等中的一种或几种，其中玻纤的质量含量为20～50%（更优选35～45%）。所述玻纤增强尼龙具有很高的机械强度，成型收缩较小，同时，由于尼龙具有较强的极性，与金属的粘结性强，可提供齿轮较强的承载力。

优选地，所述增强耐磨长碳链尼龙由以下组分按重量份组成：100份尼龙树脂，10～30份（更优选15～20份）增强材料，1～10份（更优选6～8份）耐磨材料和0.1～1.5份（更优选0.2～0.5份）抗氧化剂。由所述材料组成的增强耐磨长碳链尼龙具有很高的耐磨性。

优选地，所述尼龙树脂为尼龙11、尼龙12、尼龙1212、尼龙1313或尼龙10T等中的一种或几种，更优选尼龙10T。所述尼龙树脂为长碳链尼龙，这类尼龙树脂大分子链中的酰胺基团较少，具有较好的柔软性，齿合传动过程中噪音较小，同时，相对普通尼龙树脂，这类树脂吸水性小，尺寸稳定性好，很适合制造多种传动齿轮。其中，尼龙10T除具有长碳链尼龙的优点外，由于其大分子链中有苯环结构单元，其扭曲性强，具有较高的承载力，适合制造较大的传动齿轮。

优选地，所述增强材料为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维等中的一种或几种。玻璃纤维可有效提高长碳链尼龙的机械强度；碳纤维可大幅提高长碳尼龙的机械强度与耐磨性。

优选地，所述耐磨材料为硅油、二硫化钼、硅酮、聚四氟乙烯、石墨或石墨烯等中的一种或几种。所述材料可有效提高材料的润滑性，增强材料的耐磨性。

优选地，所述抗氧化剂为抗氧剂1098。

优选地，所述增强耐磨长碳链尼龙的制备方法为：先将1～10份（更优选6～8份）耐磨材料和0.1～1.5份（更优选0.2～0.5份）抗氧剂预混，加入贮料缸，再将100份尼龙树脂和10～30份（更优选15～20份）增强材料连续喂入双螺杆挤出机，以螺杆转速400～500r/min，在210～290℃下，加热共混挤出，经冷却，切粒，干燥，即成。其中，当尼龙树脂选用尼龙11、尼龙12、尼龙1212或尼龙1313中的一种或几种时，挤出温度更优选210～230℃，当尼龙树脂选用PA10T时，挤出温度更优选250～290℃。

本发明进一步解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的制备方法，先将金属嵌件置于注塑模具中，用玻纤增强尼龙包覆金属嵌件进行一次注塑成型，干燥，得一次注塑件，再将一次注塑件置于注塑模具中，用增强耐磨长碳链尼龙包覆一次注塑件进行二次注塑成型，干燥，机加工，即成。中层、外层材料的用量根据需获得的对应尺寸进行调整。

优选地，所述一次注塑的温度为230～270℃，注塑的压力为70～80MPa，注塑的时间为25～35s；所述二次注塑的温度为220～300℃，注塑的压力为60～90MPa，注塑的时间为25～35s；所述一次注塑和二次注塑后的干燥温度均为110～130℃，干燥的时间均为3～5h。所述优选的注塑时间，若太快，则容易产生气泡，若太慢，则增加生产成本。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的重量仅为金属齿轮重量的22～30%，尺寸变化率为0.08～0.31%，质量磨损为1.12～3.39mg，噪音为42～63分贝，说明其质量轻，尺寸稳定性好，耐磨性好、使用寿命长，传动噪音小，耐腐蚀性能优异，各种性能都远远优于同尺寸规格的合金钢齿轮；

（2）本发明方法工艺简单，生产效率高，成本低；

（3）本发明轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮可广泛用于纺织、造纸、橡胶、食品、医疗机械中的传动齿轮，汽车转向齿轮、正时齿轮及蜗轮。

附图说明

图1是本发明实施例1～11轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的横截面图；

图2是图1的A-A纵截面图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明实施例所使用的金属嵌件为合金钢，市售；所使用的玻纤增强尼龙66（玻纤质量含量为40%，尼龙简称PA）、玻纤增强尼龙46（玻纤质量含量为40%）购于广州金发科技股份有限公司；所使用的碳纤维T800购于日本东丽公司；所使用的硅酮购于四川晨光化工研究院；所使用的二硫化钼购于上海一帆有限公司；所使用的聚四氟乙烯购于浙江巨化有限公司；本发明实施例所使用的原材料，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。

轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮实施例1～11

轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮，齿顶圆直径Ф75mm，中心孔直径Φ25mm，厚度15mm，如图1、2所示，由三层结构组成，内层1为金属嵌件，中层2为玻纤增强尼龙（实施例1～6选用玻纤增强PA66，实施例7～11选用玻纤增强PA46），外层3为增强耐磨长碳链尼龙（材料组分请参见表2）；所述内层1、中层2和外层3逐层包裹呈同心齿轮状，齿轮模数均为50，且内层1、中层2和外层3的齿形同为V齿或柱齿结构。具体齿轮内、中、外层尺寸分布请参见表1，中层、外层材料的用量根据需获得的对应尺寸调整。

表1 实施例1～11轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮内、中、外层尺寸分布表

注：表中，外径即为齿顶圆直径；外层的内径即为中层的齿顶圆直径，中层的内径即为内层的齿顶圆直径，内层的内径即为齿轮中心孔直径。

表2 实施例1～11轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮外层材料组分表

注：表中“PA”为“尼龙”的简称；“-”表示未添加。

轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮外层增强耐磨长碳链尼龙的制备方法实施例1～9

按照表2所示各材料组分重量份，先将耐磨材料和抗氧剂预混，加入贮料缸，再将尼龙树脂和增强材料连续喂入双螺杆挤出机，以螺杆转速450r/min，在210～230℃下，加热共混挤出，经冷却，切粒，干燥，即成。

轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮外层增强耐磨长碳链尼龙的制备方法实施例10～11

实施例10～11外层增强耐磨长碳链尼龙的制备方法与实施例1～9的区别仅在于：螺杆挤出温度为260～290℃。

轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的制备方法实施例1～9

先将金属嵌件置于注塑模具中，在注塑温度为230～270℃，注塑压力为75MPa，注塑时间30s下，用玻纤增强尼龙包覆金属嵌件进行一次注塑成型，再于120℃下，干燥4h，得一次注塑件，再将一次注塑件置于注塑模具中，在注塑温度为220～240℃，注塑压力为65 MPa，注塑时间30s下，用增强耐磨长碳链尼龙包覆一次注塑件进行二次注塑成型，再于120℃下，干燥4h，机加工成齿轮，即成。

轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的制备方法实施例10～11

实施例10～11轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的制备方法与实施例1～9的区别仅在于：二次注塑的温度为250～290℃，注塑的压力为85MPa。

将实施例1～11中轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮用以下方法进行齿轮性能测试：

（1）高、低温度条件下尺寸的变化率：

先测量轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的常温齿轮尺寸，再将齿轮分别于-50℃或150℃下，转动2h，最后测量齿轮分别于低温或高温下转动后的齿轮尺寸，齿轮尺寸变化率计算公式如下所示：

（2）耐磨损性检测：

先称量试验前轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的重量，再将金属齿轮与轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮进行齿合传动，在无油润滑条件下，以30r/min速度，转动500h，最后称量试验后齿轮的重量，齿轮的质量磨损公式如下所示：

质量磨损=试验前重量-试验后重量。

（3）噪音测试：

将轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮，运行200h，测试其传动噪音。

（4）耐腐蚀性检测：

将轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮，在湿度95%，温度30℃的条件下，放置200h，观察其表面耐腐蚀情况。

测试结果如表3所示。

表3实施例1～11轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮性能测试结果

将同尺寸规格，齿顶圆直径Φ75mm，中心孔直径Φ25mm，厚度15mm的合金钢齿轮按照上述（1）～（4）所述轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的测试方法对合金钢齿轮进行齿轮性能测试，测试结果为：齿轮质量430g，尺寸变化率2.6%，质量磨损8.7mg，噪音83分贝，耐腐蚀性差。

由表3可知，实施例1～11轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的质量为96～123g，仅为相同尺寸金属齿轮的22.3～28.6%；尺寸变化率为0.08～0.31%；质量磨损为1.12～3.39mg；噪音为42～63分贝；本发明实施例1～11轻质耐磨金属/尼龙复合降噪齿轮的各种性能都远远优于同尺寸规格的合金钢齿轮，说明其质量轻，尺寸稳定性好，耐磨性好、使用寿命长，传动噪音小，耐腐蚀性能优异，特别是实施例10，由于采用了PA10T作为齿轮外层（齿合层）材料，其尺寸变化率、磨损率和噪音均为最小，性能最佳。