行星齒輪的防腐耐磨表面工程課程設計

1、材料學院課程設計行星齒輪的表面耐磨防腐工藝設計1 行星齒輪服役條件分析對于汽車減速器內(nèi)部的行星齒輪（如圖1，圖2）來說，一般都是在較低的載荷下工作，齒輪在傳遞動力及改變速度的過程中，周期的收到彎曲應力和接觸應力以及摩擦力的作用。齒面與齒根在上述應力的作用下導致失效，會出現(xiàn)齒面磨損，主要是咬合齒面相對滑動時相互摩擦的結果，其類型主要有氧化磨損，膠合磨損和磨粒磨損。還會出現(xiàn)較為嚴重的齒輪折斷，大多數(shù)情況下是在交變彎曲應力作用下齒根產(chǎn)生疲勞破壞的結果，也可能是超載脆性折斷。圖1 汽車減速器內(nèi)部行星齒輪 圖2 行星齒輪的設計圖2 行星齒輪所需性能行星齒輪作為機械傳動系統(tǒng)的關鍵部件，直接影響汽車的傳動裝

2、置，齒輪性能的好壞直接影響著傳動系統(tǒng)的使用壽命。因此，對其運行過程中的要求越來越高，對于高速重載齒輪來說，要求就更高，不但要求齒輪表面要有較高的硬度、耐磨性、接觸疲勞強度以及較好的心部韌性，以及較好的耐腐蝕性。通過服役條件的分析綜合考慮行星齒輪應具備如下性能：1、耐腐蝕性強2、耐磨性好3、表面硬度高 4、耐高溫。行星齒輪所用材料一般選用20CrMnTi，需要經(jīng)過正確的熱處理才能保證其心部的強度韌性，本次工藝設計主要針對的是行星齒輪的表面耐磨防腐性能。3 工藝選擇與設計目前，行星齒輪的表面處理工藝主要有化學鍍鎳和電鍍鎳。31化學鍍鎳與電鍍鎳的優(yōu)缺點（1）電鍍鎳  電鍍鎳是將零

3、件浸入鎳鹽的溶液中作為陰極，金屬鎳板作為陽極，接通直流電源后，在零件上就會沉積出金屬鎳鍍層。    電鍍鎳的優(yōu)點是鍍層結晶細致，平滑光亮，內(nèi)應力較小，與陶瓷金屬化層結合力強。電鍍鎳的缺點是：受金屬化瓷件表面的清潔和鍍液純凈程度的影響大，造成電鍍后金屬化瓷件的缺陷較多，例如起皮，起泡，麻點，黑點等；極易受電鍍掛具和在鍍缸中位置不同的影響，造成均鍍能力差，此外金屬化瓷件之間的相互遮擋也會造成瓷件表面有陰陽面的現(xiàn)象；對于形狀復雜或有細小的深孔或盲孔的瓷件不能獲得較好的電鍍表面；需要用鎳絲捆綁金屬化瓷件，對于形狀復雜、尺寸較小、數(shù)量多的生產(chǎn)情況下，需耗費大量的人力。（2）化學鍍鎳&

4、#160;   化學鍍鎳是一種不加外在電流的情況下，利用還原劑在活化零件表面上自催化還原沉積得到鎳層，當鎳層沉積到活化的零件表面后由于鎳具有自催化能力，所以該過程將自動進行下去。一般化學鍍鎳得到的為合金鍍層，常見的是Ni-P合金和Ni-B合金。    化學鍍鎳的優(yōu)點是不需要電流電源設備，厚度均勻致密，針孔少，均鍍性好，仿真能力強，能在復雜零件表面沉積，深鍍能力強，抗蝕性能好，鍍鎳的速度快，鍍層厚度可達1050,um，鍍層在燒氫后無起皮、鎳泡等缺陷。    化學鍍鎳的缺點是鍍層為非晶態(tài)的層狀結構，雖然進行熱處理后，鍍層結晶化，其層狀結構逐漸消失，

5、但是對陶瓷一金屬封接件的抗拉強度有所降低；鍍液的成本高，壽命短，耗能大；鍍液對雜質(zhì)敏感，需經(jīng)常處理，因而使工藝的可操作性變的相對復雜我此次的工藝設計就是針對高質(zhì)量的行星齒輪所設計，因此綜合考慮到行星齒輪的性能需求以及針對產(chǎn)品對其防腐性能和耐磨性能的高要求，選擇了化學鍍鎳工藝?；瘜W鍍鎳相對于電鍍有如下優(yōu)勢：1） 鍍層厚度非常均勻，無明顯的邊緣效應，鍍層的表面光潔平整、美觀。2） 鍍層致密，鍍層針孔少甚至無孔，耐蝕性遠高于電鍍鎳，表層硬度高，耐磨性好。3） 工藝設備簡單，不需整理電源、輸電系統(tǒng)及輔助電板，操作時只需把鍍件正確懸掛在鍍液中即可。另外，對于化學鍍鎳，鍍液消耗高，成本高，壽命短，耗能大的

6、缺點，由于對鍍層質(zhì)量的高要求，所以這個缺點是可以接受的。4 工藝流程毛坯檢查上掛具化學除油冷水洗除銹活化冷水洗熱水預熱化學鍍鎳磷合金冷水洗吹干下掛具熱處理檢測5 各工序的作用、配方及工藝參數(shù)分析5.1 毛坯檢查齒輪的化學鍍質(zhì)量和耐蝕性與毛坯的表面狀態(tài)有直接的關系。鑄造、熱處理和機械加工過程中的不良操作會使行星齒輪毛坯產(chǎn)生疏松、孔隙、開裂等缺陷，不僅影響電鍍的質(zhì)量，而且降低了材料的耐蝕性。毛坯檢查可提前發(fā)現(xiàn)工件表面上的缺陷，并對一些表面輕微瑕疵在下一步的研磨拋光中進行修補，提高鍍層質(zhì)量。若缺陷較嚴重，則難以彌補，導致報廢。5.2 上掛具化學鍍鎳加工工序中，每個工件最好都成獨立體掛入溶液中，這樣能

7、使工件能均勻的浸泡在鍍液中，上掛具（如圖3）的工作對保證鍍件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本等方面能起到積極的作用。具體要求如下：（1）掛具應清潔、完好。當發(fā)現(xiàn)掛具鈍化層有破損時，應立即將其揀出，然后進行修補或換新。（2）掛具進槽時的速度應適當放慢，；出槽時，工件應在槽邊擱置片刻，使兜帶的溶液流回槽中，以減少溶液帶出損失，減輕對下一道工序溶液的污染。圖3 掛具欄5.3化學除油5.3.1 金屬表面除油金屬表面除油是表面工程中的預處理，它是各種預處理工序中最重要而又最關鍵的一道工序。除油是否徹底不但影響到下一個工序的操作，而且影響整個產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命。鋼鐵制件常用表面除油工藝包括有有機溶劑除油、化學除

8、油和電化學除油、物理-化學法除油以及滾筒除油、超聲波除油和手工除油等。5.3.2 工藝選擇除油方法可分為有機溶劑除油、化學除油。有機溶劑除油的特點是除油速度快，不腐蝕金屬，但除油不徹底，需用化學法或電化學方法進行補充除油，常用的有機溶劑有：汽油、煤油、苯類、酮類、某些氯化烷烴及烯烴。有機溶劑除油還有一個優(yōu)點即經(jīng)除油后的溶劑還可回收再利用。有機溶劑一般屬易燃品，使用時要格外小心。化學除油是利用堿溶液的皂化作用和表面活性物質(zhì)對非皂化性油脂的乳化作用，除去工件表面上的各種油污的?；瘜W除油的溫度通常取在60-80度之間，工件除油效果一般為目測，即工件表面能完全被水潤濕就是油污完全除盡的標志。一般的除油

9、液由氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸三鈉、水玻璃、乳化劑等組成。電化學除油分陰極除油和陽極除油，在相同的電流下，陰極除油產(chǎn)生的氫氣比陽極除油產(chǎn)生的氧氣多一倍，氣泡小而密，乳化能力大，除油效果更好。但容易造成工件氫脆和雜質(zhì)在陰極析出的現(xiàn)象。陽極除油雖沒有這些缺點但可能造成工件表面氧化和溶解。目前常用正負極交換的化學除油法。電化學除油液配方與化學除油的配方相似。鋼鐵制件的除油通常采用化學或電化學除油工藝?；瘜W除油主要優(yōu)點是除油液無毒、不用電、價格便宜、操作方便。但除油效果不如電化學除油徹底。電化學除油效率高、效果和質(zhì)量更有保證。但電化學除油時可能產(chǎn)生氫脆，某些電位較正的雜質(zhì)也容易在工件表面上沉積或掛灰。氫脆

10、會使工件強度降低，對于要求高強度的齒輪是很不利的。而且電化學除油需要電源設備及系統(tǒng)，操作過程也比其他的方法復雜。故對行星齒輪的除油選擇化學除油。又由于化學除油效果不如電化學除油，故在化學除油過程中引入超聲波，可強化除油過程、縮短除油時間、提高工藝質(zhì)量，還可以徹底清除細孔、盲孔中的油污。化學除油又分為堿液除油和酸液除油。堿液除油與酸液除油均適用于鋼鐵制品表面的除油。但是堿液除油中槽液易產(chǎn)生絮狀沉淀，絡合劑、表面活性劑易帶入后續(xù)槽形成污染。而酸液除油中有特制的脫脂劑，該脫脂劑含氧化劑、表面活性劑、高價金屬離子等成分，對金屬有弱侵蝕能力。且酸性脫脂劑在常溫下能保持其侵蝕能力，對各種鋁鋼鐵制品都有極好

11、的清洗效果。更能抑制酸對不銹鋼設備的腐蝕，保證清洗設備的使用壽命。故在此采用酸液除油。綜合各類因素，決定采用引入超聲波的酸液除油工藝。5.3.3 溶液配方及工藝條件除油配方及工藝條件見表1。表1 除油配方及工藝條件溶液液組成用量溶液溫度/操作時間/min超聲波頻率/kHz硫酸（d=1.84）/10(質(zhì)量分數(shù))6710低頻 26高頻 47重鉻酸鉀/1.0水/30表面活性劑/1硫酸作氧化劑，為溶液提供氫離子。重鉻酸鉀也作氧化劑，并提供高價鉻離子，與硫酸、表面活性劑組成脫脂劑。采用雙頻清洗，可以使清洗槽內(nèi)的駐波場均勻度提高，可改善清洗效果。除油后用先用熱水（4050）洗滌，再用冷水洗凈。否則不易洗清

12、表面的表面活性劑。5.4 冷水清洗兩個前處理工序之間的水洗工序，目的在于防止上道工序帶出的溶液對下道工序溶液的污染和從工件表面清除污垢、金屬離子污染和電極泥，以保證鍍層結合力合格。水洗工序進行得好壞與設計出一個好的工藝流程是很重要的，應避免共用漂洗，即回頭至先前用過的槽中漂洗的現(xiàn)象出現(xiàn)。使用純水，清除工件表面上殘留的污漬。水洗、漂洗的時間為兩分鐘，工件在冷水槽中上下抖動，務必將殘留的液體洗干凈。視工件表面水膜連續(xù)時，再進行下道工序。5.5除銹活化5.5.1 概述酸活化是鋼件在鍍鎳前的最后一道清潔工序。酸活化后，工件表面呈現(xiàn)出金屬的結晶組織，晶格之間有足夠的延續(xù)性，保證兩者之間有良好的結合力，使

13、鍍層美觀。5.5.2 工藝選擇除銹方法有機械法、化學法和電化學法。機械法除銹是對工件表面進行噴砂、研磨、滾光或擦光等機械處理，在工件表面得到整平的同時除去表面銹層?；瘜W法除銹是用酸或堿溶液對金屬制品進行強浸蝕處理使制品表面的銹層通過化學作用和浸蝕過程所產(chǎn)生氫氣泡的機械剝離作用而除去。電化學除銹是在酸或堿溶液中對金屬制品進行陰極或陽極處理除去銹層。陽極除銹是化學溶解、電化學溶解和電極反應析出的氧氣泡的機械剝離作用而去除。陰極除銹是化學溶解和陰極析出氫氣的機械剝離作用而去除。用于化學鍍鎳前處理除銹工藝基本與電鍍的除銹工藝相同。根據(jù)齒輪的特性以及綜合成本性能因素的考慮選用化學法除銹?；罨鞘沽慵塬@

14、得充分活化的表面，這種酸蝕對于不同材質(zhì)的零件所用的酸液是不同的。一般鋼鐵件的活化可用10%的硫酸或1:1的鹽酸進行，活化的標準一般為工件表面冒出細小均勻的氣泡。不銹鋼件的活化可加大酸的濃度，并且加熱進行酸蝕。嚴格講，不銹鋼的化學鍍鎳應該進行閃鍍后再進行化學鍍鎳，也就是先打一個電解鎳或電解銅的底層。5.13.2 活化液配方和工藝條件酸活化液一般采用質(zhì)量分數(shù)較低（7%10%）的硫酸溶液，操作時間1.52 min。為了提高酸活化的均勻性和溶液的潤濕性，可加入微量的低泡潤濕劑或0.010.03 g/L十二烷基硫酸鈉。5.6熱水預熱（盡量使用去離子水）熱水預熱能使工件進入鍍液前表面溫度接近鍍液的溫度，防

15、止因冷工件引起鍍液局部溫差大，影響鍍液的穩(wěn)定性及工件鍍層一致性。預熱前工件要盡量清洗干凈，預熱的水槽要定時清洗和換水。工件預熱后要盡快放入鍍液槽中。5.7化學鍍鎳磷合金5.7.1 概述化學鍍鎳是化學鍍中發(fā)展最快的一種。鍍液一般以硫酸鎳、乙酸鎳等為主鹽，次亞磷酸鹽、硼氫化鈉、硼烷、肼等為還原劑，再添加各種助劑。在90的酸性溶液或接近常溫的中性溶液、堿性溶液中進行作業(yè)。以使用還原劑的不同分為化學鍍鎳-磷、化學鍍鎳-硼兩大類。鍍層在均勻性、耐蝕性、硬度、可焊性、磁性、裝飾性上都顯示出優(yōu)越性。5.7.2 化學鍍鎳溶液的選擇化學鍍鎳溶液的一般由鎳鹽、還原劑、絡合劑、PH緩沖劑、以及各種添加劑組成。以次磷

16、酸鹽為還原劑的化學鍍鎳溶液有酸性和堿性兩種。酸性溶液的特點是化學穩(wěn)定性好且易于控制、沉積速率較高，鍍層的含磷量也較高，在生產(chǎn)中得到廣泛應用。堿性鍍液的特點是PH范圍較寬，鍍層含磷量較低，但鍍液對雜志較敏感，鍍液的穩(wěn)定性差，故堿性鍍液在生產(chǎn)中應用較少。因此選用酸性的化學鍍鎳磷溶劑。表2為酸性化學鍍鎳工藝鍍液組成及工藝規(guī)范。表2 酸性化學鍍鎳工藝鍍液組成及工藝規(guī)范鍍液組成及工藝條件1234硫酸鎳（/gL-1）30252023次磷酸鈉（/gL-1）36302418乙酸鈉（/gL-1）20檸檬酸鈉（/gL-1）14羥基乙酸鈉（/gL-1）30蘋果酸（/gL-1）1516琥珀酸（/gL-1）51812丙

17、酸（/gL-1）5鉛離子（/gL-1）211硫脲（/gL-1）3PH值4.85.05.25.2溫度 /90909590鍍層含磷量/ 1011688978由此表選擇的配方參數(shù)如表3表3 化學鍍鎳磷溶液的配方及參數(shù)成分及工藝條件硫酸鎳次亞磷酸鈉檸檬酸三鈉乙酸鈉乳酸（ml）pH值溫度（）沉積速率（m·h-1）配方（g）12.6412.505.027.51114.4-4.685-9015-225.7.3化學鍍鎳磷中各組分的作用化學鍍工藝中前處理及鍍液中各成分對鍍層性能影響很大,比如前處理中鍍前試樣除銹方法不同、拋光與否都使鍍層的耐蝕性能存在差異。在這里主要討論鍍液中各組分對鍍層性能的影響。化

18、學鍍鎳溶液的成分包括鎳鹽、還原劑、絡合劑、穩(wěn)定劑、其他添加劑等。（1）鎳鹽鎳鹽是鍍液主鹽，一般使用硫酸鎳，其次是氯化鎳。鎳鹽濃度高，鎳液沉積速度快，但穩(wěn)定性下降。另外，鍍液中鎳鹽含量決定了所需次磷酸鹽和絡合劑的量（2）還原劑化學鍍鎳的反應過程是一個自催化的氧化還原過程，次磷酸鈉以其價格較低,控制容易,鍍層抗蝕性能好等特點,而成為應用最廣泛的還原劑。次磷酸鈉作為還原劑通過催化脫氫，提供活潑的氫原子，把鎳離子還原成金屬，同時使鍍層中含有磷的成分。次磷酸銨的用量主要取決于鎳鹽濃度，鎳與次磷酸鈉的物質(zhì)的量之比為0.30.45。隨著次磷酸鈉含量的增加，鍍層沉積速度增大，鍍層中磷含量也隨之增加，但鍍液的穩(wěn)

19、定性下降。（3）絡合劑化學鍍鎳液中廣泛應用次磷酸鹽,在化學鍍進行時,由于溶液中亞磷酸離子積累,與游離鎳離子結合生成亞磷酸鎳沉淀,為防止它的生成,需要加入適當?shù)慕j合劑生成鎳的絡離子來降低游離鎳離子濃度。不同絡合劑對鍍層沉積速度、表面形貌、磷含量、耐蝕性等均有影響?；瘜W鍍鎳液中的絡合劑均為有機酸和它們的鹽類，常用的絡合劑有：乙醇酸、蘋果酸、檸檬酸、琥珀酸、乳酸、丙酸、羥基乙酸及它們的鹽類。（4）穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑（鉛離子）用于抑制存在于鍍液中的固體微粒的催化活性，以防鍍層粗糙和鍍液自發(fā)分解。微量的硫代硫酸鹽、硫氰酸鹽或硒的化合物都是有效的穩(wěn)定劑。但穩(wěn)定劑過量會降低鍍液的沉積速度，甚至抑制捏的沉積。（5）

20、pH值酸性化學鍍鎳沉積速度隨著鍍液pH值的下降而降低，當鍍液pH值遠小于4時，沉積速度很低，已失去實際意義。另一方面，當鍍液pH值大于6時，易產(chǎn)生亞磷酸鎳沉淀，引起鍍液自發(fā)分解。酸性化學鍍鎳液的最佳的pH值通常是4.25.0。pH值升高時，鍍層中的含磷量降低。堿性化學鍍鎳的沉積速度手pH值的影響不大。（6）溫度溫度是影響酸性化學鍍鎳沉積速度的重要因素之一。溫度低于65時，沉積速度很慢，隨溫度升高沉積速度加快。同時溫度升高，可降低鍍層中的磷含量。但溫度過高或加熱不均勻都會引起鍍液的分解。堿性化學鍍鎳允許在室溫下施鍍，此時多用于活化過的非金屬材料，鍍上一層化學鍍鎳層后再用電鍍加厚。5.7.4質(zhì)量控

21、制(1)鍍液的維護 鍍覆過程中及時補充與鍍液溫度相同的蒸餾水，以保持液面。每34h分析一次鍍液，根據(jù)分析結果補料。每班在鍍覆結束后，連續(xù)鍍液過濾4h以上，并用硝酸清除槽壁、槽底、空氣管表面鎳的沉積物。注意防止異物進入鍍液內(nèi)。鍍前每道清洗采用流動水，避免帶入殘液。(2)pH值和溫度的控制 在酸性溶液中，pH值3時，鎳不會被還原析出。隨著pH值的提高，沉積速度加快，pH值6時可能產(chǎn)生沉淀。因此將pH值控制在4.45.0。及時用稀醋酸或碳酸鈉溶液調(diào)整pH值。溫度的提高可以增加沉積速率，但在96以上高溫下進行施鍍會大大降低鍍液的穩(wěn)定性，使鍍層質(zhì)量下降，鍍層結合力差、易脫落。特別當加熱不均勻，且pH值偏

22、高時，最易使鍍液產(chǎn)生分解。所以，要采用控溫、攪拌裝置，保證鍍液溫度均勻，使溫度變化范圍在±2之內(nèi)，并注意避免高溫空載。(3)鍍液的攪拌和工件的移動 用凈化的無油空氣攪拌可以使溫度、鍍液成分均勻，防止鍍液局部過熱分解，有利于提高沉積速率和保證鍍層質(zhì)量。管件豎直吊掛于鍍液中，通過機械裝置上下移動，有利于排氣，避免針孔和落渣，可以使鍍層均勻。(4)裝載量鍍液的裝載量過高或過底都會直接影響鍍層的沉積速度和鍍液的穩(wěn)定性。裝載量控制在0.51.0dm2/L。5.7.5化學鍍鎳槽的設計化學鍍鎳槽與電鍍槽不同之處在于它不需要外接電源, 化學鍍鎳的工作溫度通常高達85 95 °C , 因此,

23、 選用的材料必須能在高溫下長期工作。由于化學鍍鎳能在一些催化活性表面沉積, 鍍槽最好選用對化學鍍鎳反應表現(xiàn)惰性的材料如玻璃、陶瓷和搪瓷, 這些材料是工作容量50 L 以內(nèi)小型鍍槽的較好的結構材料不銹鋼槽體制造技術成熟, 材料強度高、安全、使用壽命長, 適合用作大容量和連續(xù)作業(yè)的鍍槽?；瘜W鍍鎳施鍍過程中由于鍍液的自催化反應, 不銹鋼槽底、槽壁上易有金屬鎳析出, 在90 °C 高溫下金屬鎳析出尤為嚴重, 槽底和被鍍件上易沉積細小粒狀鎳粉, 鍍液發(fā)生自然分解而失效。因此, 研究不銹鋼鍍槽防金屬鎳析出技術是實現(xiàn)化學鍍鎳連續(xù)施鍍的關鍵。一般資料介紹的陽極保護方法, 不銹鋼槽施加陽極電流, 陰極

24、( 鎳棒) 放在不銹鋼槽化學鍍鎳溶液內(nèi), 使鍍槽處于電化學鈍化狀態(tài), 在施鍍過程中防止槽壁金屬析出。由于鎳棒處于溶液內(nèi), 不斷消耗溶液中的氫離子, 也不允許流過大電流( 1 A/ dm2) 。改用套槽陽極保護法, 把鎳棒放在水槽內(nèi), 靠近不銹鋼槽, 可以任意施加電流, 使鍍槽處于電化學鈍化狀態(tài), 又不消耗溶液中的氫離子。我們設計了一套水浴式鍍槽, 外槽鐵槽700 mm×700 mm ×800 mm, 內(nèi)槽不銹鋼400 mm ×500 mm×600 mm, 蒸汽加熱, 蛇型鈦電加管380 V 3 KW × 2 保溫, XMT 數(shù)字式溫度顯示調(diào)節(jié)儀

25、控溫, 工作中采用陽極保護。 如圖4 所示。圖4 陽極保護水浴鍍槽5.8熱處理200加熱一小時，消除應力及去氫或380400加熱一小時提高硬度. 鍍層為鎳磷合金, 致密、牢固、硬度高，耐磨性好，可與電鍍硬鉻相媲美，硬度值鍍態(tài)為550HV，熱處理后可達1100HV。根據(jù)行星齒輪要求選用400加熱一小時提高硬度。5.9關于生產(chǎn)廢水的處理廢水處理方法多樣，實用化的有中和法、氧化法、還原法、離子交換法、電解法、蒸發(fā)濃縮法等。廢氣處理一般通過廢氣凈化塔將三酸廢氣凈化。廢渣處理一般用沉降池將廢渣從水中有效分離，再通過化學手段有污染的成分轉(zhuǎn)化為無污染的物質(zhì)。6 鍍層檢驗齒輪的質(zhì)量直接影響減速器的使用性能。故鍍層的檢