行星齿轮的防腐耐磨表面工程课程设计

材料学院课程设计1行星齿轮的表面耐磨防腐工艺设计1行星齿轮服役条件分析对于汽车减速器内部的行星齿轮（如图1，图2）来说，一般都是在较低的载荷下工作，齿轮在传递动力及改变速度的过程中，周期的收到弯曲应力和接触应力以及摩擦力的作用。齿面与齿根在上述应力的作用下导致失效，会出现齿面磨损，主要是咬合齿面相对滑动时相互摩擦的结果，其类型主要有氧化磨损，胶合磨损和磨粒磨损。还会出现较为严重的齿轮折断，大多数情况下是在交变弯曲应力作用下齿根产生疲劳破坏的结果，也可能是超载脆性折断。图1汽车减速器内部行星齿轮材料学院课程设计2图2行星齿轮的设计图2行星齿轮所需性能行星齿轮作为机械传动系统的关键部件，直接影响汽车的传动装置，齿轮性能的好坏直接影响着传动系统的使用寿命。因此，对其运行过程中的要求越来越高，对于高速重载齿轮来说，要求就更高，不但要求齿轮表面要有较高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度以及较好的心部韧性，以及较好的耐腐蚀性。通过服役条件的分析综合考虑行星齿轮应具备如下性能：1、耐腐蚀性强2、耐磨性好3、表面硬度高4、耐高温。行星齿轮所用材料一般选用20CrMnTi，需要经过正确的热处理才能保证其心部的强度韧性，本次工艺设计主要针对的是行星齿轮的表面耐磨防腐性能。3工艺选择与设计目前，行星齿轮的表面处理工艺主要有化学镀镍和电镀镍。3．1化学镀镍与电镀镍的优缺点（1）电镀镍电镀镍是将零件浸入镍盐的溶液中作为阴极，金属镍板作为阳极，接通直流电源后，在零件上就会沉积出金属镍镀层。电镀镍的优点是镀层结晶细致，平滑光亮，内应力较小，与陶瓷金属化层结材料学院课程设计3合力强。电镀镍的缺点是：①受金属化瓷件表面的清洁和镀液纯净程度的影响大，造成电镀后金属化瓷件的缺陷较多，例如起皮，起泡，麻点，黑点等；②极易受电镀挂具和在镀缸中位置不同的影响，造成均镀能力差，此外金属化瓷件之间的相互遮挡也会造成瓷件表面有阴阳面的现象；③对于形状复杂或有细小的深孔或盲孔的瓷件不能获得较好的电镀表面；④需要用镍丝捆绑金属化瓷件，对于形状复杂、尺寸较小、数量多的生产情况下，需耗费大量的人力。（2）化学镀镍化学镀镍是一种不加外在电流的情况下，利用还原剂在活化零件表面上自催化还原沉积得到镍层，当镍层沉积到活化的零件表面后由于镍具有自催化能力，所以该过程将自动进行下去。一般化学镀镍得到的为合金镀层，常见的是Ni-P合金和Ni-B合金。化学镀镍的优点是不需要电流电源设备，厚度均匀致密，针孔少，均镀性好，仿真能力强，能在复杂零件表面沉积，深镀能力强，抗蚀性能好，镀镍的速度快，镀层厚度可达10～50,um，镀层在烧氢后无起皮、镍泡等缺陷。化学镀镍的缺点是①镀层为非晶态的层状结构，虽然进行热处理后，镀层结晶化，其层状结构逐渐消失，但是对陶瓷一金属封接件的抗拉强度有所降低；②镀液的成本高，寿命短，耗能大；③镀液对杂质敏感，需经常处理，因而使工艺的可操作性变的相对复杂我此次的工艺设计就是针对高质量的行星齿轮所设计，因此综合考虑到行星齿轮的性能需求以及针对产品对其防腐性能和耐磨性能的高要求，选择了化学镀镍工艺。化学镀镍相对于电镀有如下优势：1）镀层厚度非常均匀，无明显的边缘效应，镀层的表面光洁平整、美观。2）镀层致密，镀层针孔少甚至无孔，耐蚀性远高于电镀镍，表层硬度高，耐磨性好。材料学院课程设计43）工艺设备简单，不需整理电源、输电系统及辅助电板，操作时只需把镀件正确悬挂在镀液中即可。另外，对于化学镀镍，镀液消耗高，成本高，寿命短，耗能大的缺点，由于对镀层质量的高要求，所以这个缺点是可以接受的。4工艺流程毛坯检查→上挂具→化学除油→冷水洗→除锈活化→冷水洗→热水预热→化学镀镍磷合金→冷水洗→吹干→下挂具→热处理→检测5各工序的作用、配方及工艺参数分析5.1毛坯检查齿轮的化学镀质量和耐蚀性与毛坯的表面状态有直接的关系。铸造、热处理和机械加工过程中的不良操作会使行星齿轮毛坯产生疏松、孔隙、开裂等缺陷，不仅影响电镀的质量，而且降低了材料的耐蚀性。毛坯检查可提前发现工件表面上的缺陷，并对一些表面轻微瑕疵在下一步的研磨抛光中进行修补，提高镀层质量。若缺陷较严重，则难以弥补，导致报废。5.2上挂具化学镀镍加工工序中，每个工件最好都成独立体挂入溶液中，这样能使工件能均匀的浸泡在镀液中，上挂具（如图3）的工作对保证镀件质量、提高生产效率、节约成本等方面能起到积极的作用。具体要求如下：（1）挂具应清洁、完好。当发现挂具钝化层有破损时，应立即将其拣出，然后进行修补或换新。（2）挂具进槽时的速度应适当放慢，；出槽时，工件应在槽边搁置片刻，使兜带的溶液流回槽中，以减少溶液带出损失，减轻对下一道工序溶液的污染。材料学院课程设计5图3挂具栏5.3化学除油5.3.1金属表面除油金属表面除油是表面工程中的预处理，它是各种预处理工序中最重要而又最关键的一道工序。除油是否彻底不但影响到下一个工序的操作，而且影响整个产品的质量和寿命。钢铁制件常用表面除油工艺包括有有机溶剂除油、化学除油和电化学除油、物理-化学法除油以及滚筒除油、超声波除油和手工除油等。5.3.2工艺选择除油方法可分为有机溶剂除油、化学除油。有机溶剂除油的特点是除油速度快，不腐蚀金属，但除油不彻底，需用化学法或电化学方法进行补充除油，常用的有机溶剂有：汽油、煤油、苯类、酮类、某些氯化烷烃及烯烃。有机溶剂除油还有一个优点即经除油后的溶剂还可回收再利用。有机溶剂一般属易燃品，使用时要格外小心。化学除油是利用碱溶液的皂化作用和表面活性物质对非皂化性油脂的乳化作用，除去工件表面上的各种油污的。化学除油的温度通常取在60-80度之间，工件除油效果一般为目测，即工件表面能完全被水润湿就是油污完全除尽的标志。材料学院课程设计6一般的除油液由氢氧化钠、碳酸钠、磷酸三钠、水玻璃、乳化剂等组成。电化学除油分阴极除油和阳极除油，在相同的电流下，阴极除油产生的氢气比阳极除油产生的氧气多一倍，气泡小而密，乳化能力大，除油效果更好。但容易造成工件氢脆和杂质在阴极析出的现象。阳极除油虽没有这些缺点但可能造成工件表面氧化和溶解。目前常用正负极交换的化学除油法。电化学除油液配方与化学除油的配方相似。钢铁制件的除油通常采用化学或电化学除油工艺。化学除油主要优点是除油液无毒、不用电、价格便宜、操作方便。但除油效果不如电化学除油彻底。电化学除油效率高、效果和质量更有保证。但电化学除油时可能产生氢脆，某些电位较正的杂质也容易在工件表面上沉积或挂灰。氢脆会使工件强度降低，对于要求高强度的齿轮是很不利的。而且电化学除油需要电源设备及系统，操作过程也比其他的方法复杂。故对行星齿轮的除油选择化学除油。又由于化学除油效果不如电化学除油，故在化学除油过程中引入超声波，可强化除油过程、缩短除油时间、提高工艺质量，还可以彻底清除细孔、盲孔中的油污。化学除油又分为碱液除油和酸液除油。碱液除油与酸液除油均适用于钢铁制品表面的除油。但是碱液除油中槽液易产生絮状沉淀，络合剂、表面活性剂易带入后续槽形成污染。而酸液除油中有特制的脱脂剂，该脱脂剂含氧化剂、表面活性剂、高价金属离子等成分，对金属有弱侵蚀能力。且酸性脱脂剂在常温下能保持其侵蚀能力，对各种铝钢铁制品都有极好的清洗效果。更能抑制酸对不锈钢设备的腐蚀，保证清洗设备的使用寿命。故在此采用酸液除油。综合各类因素，决定采用引入超声波的酸液除油工艺。5.3.3溶液配方及工艺条件除油配方及工艺条件见表1。表1除油配方及工艺条件溶液液组成用量溶液温度/℃操作时间/min超声波频率/kHz材料学院课程设计7硫酸（d=1.84）/﹪10(质量分数)6710低频26高频47重铬酸钾/﹪1.0水/﹪30表面活性剂/﹪1硫酸作氧化剂，为溶液提供氢离子。重铬酸钾也作氧化剂，并提供高价铬离子，与硫酸、表面活性剂组成脱脂剂。采用双频清洗，可以使清洗槽内的驻波场均匀度提高，可改善清洗效果。除油后用先用热水（40～50℃）洗涤，再用冷水洗净。否则不易洗清表面的表面活性剂。5.4冷水清洗两个前处理工序之间的水洗工序，目的在于防止上道工序带出的溶液对下道工序溶液的污染和从工件表面清除污垢、金属离子污染和电极泥，以保证镀层结合力合格。水洗工序进行得好坏与设计出一个好的工艺流程是很重要的，应避免共用漂洗，即回头至先前用过的槽中漂洗的现象出现。使用纯水，清除工件表面上残留的污渍。水洗、漂洗的时间为两分钟，工件在冷水槽中上下抖动，务必将残留的液体洗干净。视工件表面水膜连续时，再进行下道工序。5.5除锈活化5.5.1概述酸活化是钢件在镀镍前的最后一道清洁工序。酸活化后，工件表面呈现出金属的结晶组织，晶格之间有足够的延续性，保证两者之间有良好的结合力，使镀层美观。5.5.2工艺选择除锈方法有机械法、化学法和电化学法。机械法除锈是对工件表面进行喷砂、研磨、滚光或擦光等机械处理，在工件材料学院课程设计8表面得到整平的同时除去表面锈层。化学法除锈是用酸或碱溶液对金属制品进行强浸蚀处理使制品表面的锈层通过化学作用和浸蚀过程所产生氢气泡的机械剥离作用而除去。电化学除锈是在酸或碱溶液中对金属制品进行阴极或阳极处理除去锈层。阳极除锈是化学溶解、电化学溶解和电极反应析出的氧气泡的机械剥离作用而去除。阴极除锈是化学溶解和阴极析出氢气的机械剥离作用而去除。用于化学镀镍前处理除锈工艺基本与电镀的除锈工艺相同。根据齿轮的特性以及综合成本性能因素的考虑选用化学法除锈。活化是使零件能获得充分活化的表面，这种酸蚀对于不同材质的零件所用的酸液是不同的。一般钢铁件的活化可用10%的硫酸或1:1的盐酸进行，活化的标准一般为工件表面冒出细小均匀的气泡。不锈钢件的活化可加大酸的浓度，并且加热进行酸蚀。严格讲，不锈钢的化学镀镍应该进行闪镀后再进行化学镀镍，也就是先打一个电解镍或电解铜的底层。5.13.2活化液配方和工艺条件酸活化液一般采用质量分数较低（7%～10%）的硫酸溶液，操作时间1.5～2min。为了提高酸活化的均匀性和溶液的润湿性，可加入微量的低泡润湿剂或0.01～0.03g/L十二烷基硫酸钠。5.6热水预热（尽量使用去离子水）热水预热能使工件进入镀液前表面温度接近镀液的温度，防止因冷工件引起镀液局部温差大，影响镀液的稳定性及工件镀层一致性。预热前工件要尽量清洗干净，预热的水槽要定时清洗和换水。工件预热后要尽快放入镀液槽中。5.7化学镀镍磷合金材料学院课程设计95.7.1概述化学镀镍是化学镀中发展最快的一种。镀液一般以硫酸镍、乙酸镍等为主盐，次亚磷酸盐、硼氢化钠、硼烷、肼等为还原剂，再添加各种助剂。在90℃的酸性溶液或接近常温的中性溶液、碱性溶液中进行作业。以使用还原剂的不同分为化学镀镍-磷、化学镀镍-硼两大类。镀层在均匀性、耐蚀性、硬度、可焊性、磁性、装饰性上都显示出优越性。5.7.2化学镀镍溶液的选择化学镀镍溶液的一般由镍盐、还原剂、络合剂、PH缓冲剂、以及各种添加剂组成。以次磷酸盐为还原剂的化学镀镍溶液有酸性和碱性两种。酸性溶液的特点是化学稳定性好且易于控制、沉积速率较高，镀层的含磷量也较高，在生产中得到广泛应用。碱性镀液的特点是PH范围较宽，镀层含磷量较低，但镀液对杂志较敏感，镀液的稳定性差，故碱性镀液在生产中应用较少。因此选用酸性的化学镀镍磷溶剂。表2为酸性化学镀镍工艺镀液组成及工艺规范。表2酸性化学镀镍工艺镀液组成及工艺规范镀液组成及工艺条件1234硫酸镍（/g•L-1）30252023次磷酸钠（/g•L-1）36302418乙酸钠（/g•L-1）20柠檬酸钠（/g•L-1）14羟基乙酸钠（/g•L-1）30苹果酸（/g•L-1）1516琥珀酸（/g•L-1）51812丙酸（/g•L-1）5材料学院课程设计10铅离子（/g•L-1）211硫脲（/g•L-1）3PH值4.85.05.25.2温度/℃90909590镀层含磷量/％10~116~88~97~8由此表选择的配方参数如表3表3化学镀镍磷溶液的配方及参数成分及工艺条件硫酸镍次亚磷酸钠柠檬酸三钠乙酸钠乳酸（ml）pH值温度（℃）沉积速率（μm·h-1）配方（g）12.6412.505