工程塑料樹脂齒輪的常用材料及其優(yōu)缺點

隨著技術進步和對輕量化、低噪音、耐腐蝕解決方案的需求日益增長，樹脂（或稱塑料）齒輪已成為傳統(tǒng)金屬齒輪的重要替代品，廣泛應用于汽車、消費電子、醫(yī)療設備、辦公自動化和航空航天等多個領域。

相比于金屬，樹脂材料具有自潤滑性、設計靈活性、減振降噪以及成本效益等顯著優(yōu)勢。然而，其較低的強度、剛度和耐溫性也限制了其在某些高負載、高溫環(huán)境下的應用。因此，選擇合適的樹脂材料和制造工藝對于確保齒輪的性能和使用壽命至關重要。

核心選材考量因素

在選擇材料時，通常需要平衡以下幾個關鍵性能：

強度與耐磨性：承受載荷和抵抗磨損的能力。

疲勞強度：抵抗交變載荷導致的疲勞破壞。

耐熱性：在較高溫度下保持性能的能力。

尺寸穩(wěn)定性：受溫度、濕度影響而發(fā)生尺寸變化的程度。

摩擦系數(shù)與自潤滑性：決定運行效率和是否需要額外潤滑。

耐化學性：抵抗油、化學品腐蝕的能力。

成本：材料及加工成本。

常用樹脂齒輪材料及其性能對比

1. 聚甲醛 (POM)

俗稱“賽鋼”，是制造齒輪的最常用、最通用的工程塑料。

優(yōu)點：

高強度與剛度：在常溫下具有與金屬相似的強度和剛性，能承受較高的負載。

優(yōu)異的疲勞強度和回彈性：非常適合用于反復嚙合和承受沖擊的齒輪。

低摩擦系數(shù)、高耐磨性：自潤滑性好，運行順暢，磨損小。

優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性：吸濕性極低，成型后尺寸變化小，能保證精密的齒輪間隙。

良好的耐化學性：對大多數(shù)有機溶劑、油和油脂有良好的抵抗力。

缺點：

耐高溫性一般：長期使用溫度一般在-40°C 至 100°C，超過此溫度會加速老化，強度和剛性下降。

不耐強酸和強氧化劑。

燃燒時會釋放甲醛，需要注意加工和使用的環(huán)境。

典型應用：

汽車門鎖、電動座椅調(diào)節(jié)器、家用電器（洗衣機、打印機、復印機）的傳動系統(tǒng)、精密儀器儀表等。

2. 尼龍 (PA， 特別是PA66和PA46)

尼龍是另一類極其重要的齒輪材料，尤其是需要更高耐熱性和韌性的場合。

優(yōu)點：

高韌性、抗沖擊性強：能承受較大的沖擊載荷，不易斷裂。

優(yōu)異的耐磨性：耐磨性能通常優(yōu)于POM。

耐高溫性較好：特別是PA46和增強型PA66，短期可承受150°C以上的高溫，長期使用溫度比POM高。

耐油性好：對燃油和潤滑油有很好的抵抗力。

缺點：

吸濕性大：這是尼龍**的缺點。吸水后會導致尺寸膨脹，強度和剛度下降，影響齒輪嚙合精度。通常需要通過油潤滑或添加玻纖改性來抑制此問題。

尺寸穩(wěn)定性不如POM：由于吸濕性，在潮濕環(huán)境中精度難以保證。

剛性比POM稍差。

改性方向：

添加玻璃纖維 (GF)：大幅提高強度、剛性和耐熱性，但會略微增加摩擦和對嚙合件的磨損。

添加MoS?（二硫化鉬）或石墨：進一步提高自潤滑性和耐磨性。

芳香族尼龍 (PA9T等)：具有極低的吸濕性和更高的耐熱性，但成本高昂。

典型應用：

電動工具、汽車發(fā)動機艙內(nèi)的部件（如節(jié)氣門體）、動力較強的減速箱、食品機械（需使用食品級牌號）。

3. 聚碳酸酯 (PC)

PC以其極高的沖擊強度和透明度著稱，但在齒輪應用中有其特定領域。

優(yōu)點：

極高的沖擊強度和韌性：在常溫下抗沖擊能力非常突出。

尺寸穩(wěn)定性好：吸濕性低，尺寸變化小。

透明度高：可用于需要觀察內(nèi)部運轉(zhuǎn)情況的場合。

耐熱性較好：長期使用溫度可達120°C左右。

缺點：

耐磨性差：不耐磨，是作為齒輪材料的主要短板。

耐疲勞強度較低：不適用于高循環(huán)次數(shù)的場合。

易應力開裂：對缺口敏感，且成型內(nèi)應力較大時，在特定化學物質(zhì)（如酯類、酮類）作用下易發(fā)生應力開裂。

不耐強堿、胺類和芳香烴。

典型應用：

通常用于低負載、低轉(zhuǎn)速、需要高透明度的場合，如某些計量設備、展示模型。更多時候會與ABS形成PC/ABS合金，以改善其耐磨性和耐化學性。

4. 熱塑性聚酯 (PBT 和 PET)

PBT是常用的齒輪材料，PET（增強后）也時有使用。

優(yōu)點：

良好的強度、剛度和硬度。

優(yōu)異的耐疲勞性。

低摩擦系數(shù)和良好的耐磨性。

吸濕性比尼龍低得多，尺寸穩(wěn)定性更好。

對大多數(shù)油和油脂有良好的抵抗力。

缺點：

不耐熱水和強堿。

缺口沖擊強度一般。

耐高溫性不如PPS和PA46。

典型應用：

電子設備（如硬盤驅(qū)動器）、汽車雨刮器、水泵、紡織機械等。

5. 聚苯硫醚 (PPS)

PPS屬于高性能特種工程塑料，用于極端苛刻的環(huán)境。

優(yōu)點：

極高的耐熱性：長期使用溫度可達220°C以上，短期可耐260°C。

天生的阻燃性：可達UL94 V-0級。

**的尺寸穩(wěn)定性：熱膨脹系數(shù)低，吸濕率幾乎為零，尺寸極其穩(wěn)定。

優(yōu)異的耐化學性：幾乎能抵抗所有有機溶劑和大多數(shù)酸、堿。

缺點：

成本高：是上述材料中最昂貴的之一。

脆性大、韌性差：沖擊強度較低。

成型收縮率各向異性明顯：對模具設計和工藝要求高。

典型應用：

汽車渦輪增壓器、發(fā)動機管理系統(tǒng)、高溫環(huán)境下的化工泵閥、航空航天部件等。

6. PEEK（聚醚醚酮）

PEEK屬于特種高性能工程塑料，通常用于對性能要求極其苛刻，而普通工程塑料（如POM、PA）甚至PPS都無法滿足的“極端”工況。

優(yōu)點

**的耐高溫性能：這是PEEK最突出的優(yōu)點之一。其長期使用溫度可達250°C，短期可耐受300°C以上的高溫，且在此高溫下仍能保持優(yōu)異的機械性能。這遠遠超過了PPS（約220°C）和PA（約150°C）。

極高的機械強度、剛度和硬度：即使在高溫下，其強度和剛性衰減也很小，能承受很高的持續(xù)應力和沖擊負荷。

出眾的耐磨性和耐疲勞性：具有極低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的耐磨損性能，使用壽命長，非常適用于高速、高負載的循環(huán)運動。

天生的阻燃性：在不添加任何阻燃劑的情況下，即可達到UL94 V-0等級，且燃燒時發(fā)煙量極低。

**的耐化學腐蝕性：對大多數(shù)化學物質(zhì)和溶劑都具有出色的抵抗力，包括酸、堿、烴類、燃油、液壓油等。其耐水解性也**，可用于高溫高壓蒸汽環(huán)境。

優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性：熱膨脹系數(shù)小，吸濕率極低，使其在寬溫范圍和潮濕環(huán)境下都能保持精確的尺寸。

耐輻照和抗水解：能夠承受高能射線的照射，并可在高壓蒸汽和熱水中長期穩(wěn)定工作。

缺點

成本極其高昂：這是PEEK最主要的缺點。其原材料價格通常是POM、PA的十倍甚至數(shù)十倍，是所有常用樹脂齒輪材料中最貴的之一。

加工難度大：PEEK的熔點很高（約343°C），需要高溫注塑機和耐高溫模具，對加工工藝要求苛刻。

雖然韌性好，但對于某些超強沖擊場景，其斷裂伸長率不如**尼龍。

典型應用

PEEK齒輪通常用于“不計成本”或“別無選擇”的高端領域：

航空航天：飛機發(fā)動機艙、起落架系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)的齒輪和軸承。

汽車工業(yè)：高端賽車或豪華車的變速箱、發(fā)動機管理系統(tǒng)中的耐高溫齒輪。

工業(yè)裝備：在高溫、腐蝕環(huán)境下工作的泵、壓縮機、閥門中的齒輪傳動。

醫(yī)療設備：可用于需要反復高溫蒸汽消毒（高壓滅菌）的手術器械、機器人傳動部件。

半導體制造：在高潔凈度和耐化學性的傳輸系統(tǒng)中使用。

為了方便您理解PEEK在其中的定位，我們可以將齒輪材料分為幾個梯隊：

最終選材決策：

在實際工程中，選擇哪種材料需要根據(jù)具體的工作負載、轉(zhuǎn)速、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)（是否接觸油、水、化學品）、壽命要求、噪音要求和成本預算進行綜合權衡。很多時候，會通過添加玻纖、碳纖、潤滑劑等改性方法來彌補基礎材料的不足，以獲得***應用需求的性能。