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软齿面用复合材料提升耐磨性原理是什么?

发布时间:2025-04-10
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软齿面齿轮因其基体材料硬度较低,常面临齿面磨损问题。通过复合材料技术提升其耐磨性主要基于以下原理及技术路径:
一、高硬度增强相嵌入原理
陶瓷/碳化物颗粒强化
在软质基体(如低碳钢或铜合金)中嵌入高硬度陶瓷颗粒(如碳化钨WC、碳化钛TiC)或金属陶瓷(Cr3C2),形成局部高耐磨区域。
增强相通过承载外部载荷,减少基体直接接触磨损。例如,WC颗粒与球墨铸铁复合后,耐磨性提升10倍以上。
纳米材料尺寸效应
添加纳米级碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)等颗粒,利用其高比表面积和量子效应,显著提高材料表面硬度和抗疲劳性能。
二、自润滑机制引入原理
固体润滑剂复合
在基体中添加聚四氟乙烯(PTFE)、石墨、二硫化钼(MoS₂)等材料,摩擦时形成转移膜,降低摩擦系数(如PTFE可使摩擦系数从0.21降至0.10)。
纳米石墨与聚酰亚胺(PI)复合,磨损率可降至纯树脂的2.9%。
油润滑微胶囊技术
将润滑油包裹在微胶囊中嵌入基体,磨损时释放润滑剂,形成动态润滑层,减少齿面黏着磨损]。
三、界面优化与结构协同原理
增强相与基体界面结合
通过表面改性(如等离子处理、化学镀)提高增强相与基体的结合强度,避免颗粒脱落。例如,氮化钛(TiN)涂层通过化学气相沉积(CVD)实现冶金结合。
梯度复合结构设计
表层采用高硬度复合材料(如WC+钢基),心部保留软质基体韧性,实现“外硬内韧”的抗冲击耐磨结构。
四、表面改性强化原理
热喷涂与堆焊技术
在齿面喷涂高碳合金粉末(如FeCrNiB),形成致密耐磨层,硬度可达60HRC以上]。
等离子束表面冶金技术可制备无缺陷的耐磨合金层,适用于重载齿轮]。
纳米涂层与微结构优化
采用纳米氧化锆(ZrO₂)涂层或激光微织构技术,细化晶粒并形成微坑储油结构,降低摩擦]。
五、复合材料的协同增效原理
多相复合体系
同时添加增强相(如Al₂O₃)和润滑相(如石墨),通过硬质相抗磨+润滑相减摩的协同作用提升综合性能]。
案例:环氧树脂+碳纤维+MoS₂的复合材料,磨损率降低至纯树脂的1/5]。
动态载荷适应性
复合材料在交变应力下可通过相变(如马氏体转变)或微裂纹自愈合机制延缓失效,延长寿命]。
总结
软齿面复合材料的耐磨性提升是增强相嵌入、润滑机制、界面优化及表面改性的综合结果。实际应用中需根据工况选择复合材料体系(如高载场景用WC增强,高速场景用PTFE润滑),并通过有限元仿真优化增强相分布]。
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