淺析鎂合金材料在船用齒輪箱中的運用

季　悅,駱軍芝（杭齒集團紹興前進(jìn)齒輪箱有限公司,浙江 紹興 312030）

淺析鎂合金材料在船用齒輪箱中的運用

季悅,駱軍芝
（杭齒集團紹興前進(jìn)齒輪箱有限公司,浙江 紹興 312030）

船用齒輪箱箱體是一種受力情況復(fù)雜，綜合性能要求較高的船用動力傳送部件，在國內(nèi)外的造船領(lǐng)域，特別是國內(nèi)，普遍采用灰鑄鐵及鋁合金做為原材料，相同功率的船用齒輪箱存在重量重、加工成本高、外形欠美觀、強度不高等缺陷，本文就一種新型材料——鎂合金在船用齒輪箱箱體中的運用及結(jié)構(gòu)方面需要注意的問題做簡要論述。

鎂合金；新材料；箱體；船用齒輪箱在資源和環(huán)境已成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的首要問題，政府倡導(dǎo)降低能源消耗，提高材料利用率，減少環(huán)境污染及節(jié)約地球資源的今天。隨著礦產(chǎn)資源日趨減少，環(huán)保法律法規(guī)日益嚴(yán)格，使現(xiàn)代輪船、汽車減重節(jié)能的要求越來越高，輕量化已成為輪船、汽車等運輸機械的重要發(fā)展方向。鎂合金具有質(zhì)量輕、剛性好；較強的耐蝕性、尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊性能好及100%可回收；另外鎂合金還有較高的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能、無磁性、屏蔽性好和無毒的特點，被譽為21世紀(jì)綠色環(huán)保材料，是一種新型合金材料，被列入國家“863”計劃十大項目之一。而我國是鎂資源最豐富的國家,可利用的鎂資源占世界貯量的70%,是世界上原鎂生產(chǎn)、出口量最大的國家。拓寬鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域,將我國的鎂資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為鎂技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢都具有重大戰(zhàn)略意義。目前，在汽車生產(chǎn)、航空航天、國防、電子、運動器材等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。但是，在船用齒輪箱及其它傳動領(lǐng)域基本上還是一片空白。

1　鎂合金材料的優(yōu)點

（1）鎂合金是目前常用的工程金屬材料中密度密度最小的，但是它的機械性能卻跟常用的工程金屬材料相當(dāng)或更好。鎂合金是齒輪箱輕量化設(shè)計的理想的首選材料，對整體構(gòu)件的設(shè)計十分有利。下面是兩種常用箱體材料機械性能對比表：

序號　材料牌號名稱　密度（g/cm3）　抗拉強度（MPa）屈服強度（MPa）　延伸率（%）1　鎂合金AZ91D　1.82　≥280　≥130　≥3 2　灰鑄鐵HT250　7.35　≥250

從材料的力學(xué)性能來分析，鎂合金材料完全可以滿足中小功率船用齒輪箱的強度要求，而且同傳遞能力段的齒輪箱箱體，采用鎂合金材料的箱體重量比灰鑄鐵HT250材料的箱體重量輕75%左右，從而會大大降低整機的重量。

（2）鎂合金的韌性好、具有較強的抗沖擊能力。采用鎂合金材料的齒輪箱箱體在受外力作用時，吸收能量的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用灰鑄鐵和鋁合金的材料的箱體，保護齒輪箱內(nèi)部零件不易被損壞。

（3）齒輪箱箱體除了結(jié)合面、安裝支架面、軸承檔等少數(shù)面需要加工外，其余外露面均為毛坯面，鑄造的表面粗糙度的好壞、鑄件尺寸的穩(wěn)定性和精度都直接影響到整臺齒輪箱的外觀質(zhì)量。鎂合金的具有熱容量低、凝固速度快、壓鑄性能好的特點，能夠保證箱體毛坯尺寸穩(wěn)定、尺寸的精度、表面粗糙度。

（4）鎂合金具有良好的切削性能。在加工時可采用較高的切削速度、刀具消耗低、生產(chǎn)效率高，并且能夠較好保證加工尺寸和表面粗糙度。

2　鎂合金材料箱體設(shè)計時需要注意的問題

由于采用鎂合金材料的中小功率船用齒輪箱箱體，一船情況下都是壓鑄工藝成型，鎂合金材料具有良好的充型能力，而且充型后凝固速度比較快，所以對壓鑄模具熱沖擊也比較小，大大減輕了壓鑄模具的熱疲勞現(xiàn)象，延長壓鑄模具的使用壽命。非常適合大批量生產(chǎn)。根據(jù)壓鑄工藝的特點及鎂合金材料的特性，在箱體設(shè)計時需要注意以下幾點：

（1）為了保證箱體強度，箱體厚度不宜太厚或太薄，經(jīng)過試驗，箱體壁厚在3-4mm最為合適。這樣既能保證箱體強度，又能保證在壓鑄時箱體不會出現(xiàn)熱裂和欠鑄、縮水、冷料痕、旋渦、流痕等缺陷。

（2）盡量減小壁厚突變的地方，齒輪箱箱體的軸承檔、結(jié)合面及安裝支架面都是整臺齒輪箱的主要受力面。由于結(jié)構(gòu)需要，這些地方都壁厚都要求比較厚，有可能達(dá)到其它地方壁厚的5-6倍，容易出現(xiàn)疏松、氣孔等缺陷。建議在進(jìn)行此類箱體設(shè)計時，增加如下圖1所示的鏤空槽。

（3）對船用齒輪箱安裝支架面的的鑄造結(jié)構(gòu)設(shè)計，灰鑄鐵箱體采用的是加大壁厚實心設(shè)計；鎂合金箱體采用了鏤空設(shè)計，并加了加強筋，在起到箱體強度不改的的情況下，增加了散熱面積，更有利于齒輪箱的散熱。

（4）過渡圓角盡可能的大，便于壓注時脫模，避免在脫模時產(chǎn)生拉裂傷。

（5）表面處理。雖然鎂合金材料具有一定的抗腐蝕能力，但是由于船用齒輪箱有可能會長期與海水接觸，而鎂的負(fù)電性強，在大氣中的耐蝕性差，所以在使用鎂合金箱體前必須對箱體進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?。船用齒輪箱箱體表面最后一般需采用噴涂工藝，為了增加油漆與箱體的附著力，需在噴涂前對箱體表面進(jìn)行鍍膜處理。針對船用齒輪箱的工況特點及后期的噴涂處理，建議采用以下鍍膜工藝：a）化學(xué)成膜化學(xué)成膜技術(shù)主要是指鎂合金壓鑄件通過在化學(xué)溶液中進(jìn)行一定時間的接觸、利用工件與化學(xué)處理液之間的化學(xué)反應(yīng)在工件表面形成保護膜層的一類表面處理技術(shù)；b）陽極氧化膜陽極氧化成膜主要是指鎂合金壓鑄件作為陽極，在外加電壓的作用下，通過一定溫度的溶液中進(jìn)行一段時間的處理，利用工作與處理液之間的電化學(xué)反應(yīng)在工件表面開成保護氧化膜層的一類表現(xiàn)處理技術(shù)。主要包括常規(guī)陽極氧化和等離子體微弧陽極氧化處理技術(shù)。由于陽極氧化處理膜層的耐蝕性、耐磨性好、機械強度高、零件尺寸精度幾乎不發(fā)生影響，為鎂合金箱體噴漆前道的首選鍍膜處理，后期按常規(guī)進(jìn)行噴漆處理即可。

3　結(jié)論

隨著我國鎂合金工業(yè)的多樣性發(fā)展趨勢，鎂合金深加工產(chǎn)業(yè)鏈的突破性發(fā)展，我國鎂合金工業(yè)從原來的原材料的生產(chǎn)大國開始向鎂合金生產(chǎn)強國轉(zhuǎn)型。隨著鎂合金加工處理的進(jìn)一步完善，成本的進(jìn)一步下降，相信鎂合金材料會從目前已經(jīng)成功應(yīng)用的汽車、航空、交通、航天、國防、五金等領(lǐng)域，發(fā)展到船用齒輪箱等其它傳動領(lǐng)域。

[1]郭艷,王桂香,龔凡等.鎂合金陽極氧化[J].電鍍與環(huán)保，2007，27（06）：1-4.

[2]曾榮昌，柯偉，徐永波等.鎂合金的最新發(fā)展和應(yīng)用前景[J].金屬學(xué)報,2001,37(07):673-685.

季悅(1965—),男，浙江寧海人，大學(xué)，工程師，研究方向：機械工程。