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雜，綜合性能要求較高的船用動力傳送部件，在國內外的造船領域，特別是國內，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構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境已成為21世紀可持續發展的首要問題，政府倡導降低能源消耗，提高材料利用率，減少環境污染及節約地球資源的今天。隨著礦產資源日趨減少，環保法律法規日益嚴格，使現代輪船、汽車減重節能的要求越來越高，輕量化已成為輪船、汽車等運輸機械的重要發展方向。鎂合金具有質量輕、剛性好；較強的耐蝕性、尺寸穩定性、抗沖擊性能好及100%可回收；另外鎂合金還有較高的導熱和導電性能、無磁性、屏蔽性好和無毒的特點，被譽為21世紀綠色環保材料，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、出口量最大的國家。拓寬鎂合金的應用領域,將我國的鎂資源優勢轉化為鎂技術優勢和產業優勢都具有重大戰略意義。目前，在汽車生產、航空航天、國防、電子、運動器材等領域有著較為廣泛的應用。但是，在船用齒輪箱及其它傳動領域基本上還是一片空白。

1　鎂合金材料的優點

（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或更好。鎂合金是齒輪箱輕量化設計的理想的首選材料，對整體構件的設計十分有利。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，吸收能量的能力遠遠大于采用灰鑄鐵和鋁合金的材料的箱體，保護齒輪箱內部零件不易被損壞。

（3）齒輪箱箱體除了結合面、安裝支架面、軸承檔等少數面需要加工外，其余外露面均為毛坯面，鑄造的表面粗糙度的好壞、鑄件尺寸的穩定性和精度都直接影響到整臺齒輪箱的外觀質量。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象，延長壓鑄模具的使用壽命。非常適合大批量生產。根據壓鑄工藝的特點及鎂合金材料的特性，在箱體設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、結合面及安裝支架面都是整臺齒輪箱的主要受力面。由于結構需要，這些地方都壁厚都要求比較厚，有可能達到其它地方壁厚的5-6倍，容易出現疏松、氣孔等缺陷。建議在進行此類箱體設計時，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構設計，灰鑄鐵箱體采用的是加大壁厚實心設計；鎂合金箱體采用了鏤空設計，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行適當的表面處理。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）化學成膜化學成膜技術主要是指鎂合金壓鑄件通過在化學溶液中進行一定時間的接觸、利用工件與化學處理液之間的化學反應在工件表面形成保護膜層的一類表面處理技術；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行一段時間的處理，利用工作與處理液之間的電化學反應在工件表面開成保護氧化膜層的一類表現處理技術。主要包括常規陽極氧化和等離子體微弧陽極氧化處理技術。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，后期按常規進行噴漆處理即可。

3　結論

隨著我國鎂合金工業的多樣性發展趨勢，鎂合金深加工產業鏈的突破性發展，我國鎂合金工業從原來的原材料的生產大國開始向鎂合金生產強國轉型。隨著鎂合金加工處理的進一步完善，成本的進一步下降，相信鎂合金材料會從目前已經成功應用的汽車、航空、交通、航天、國防、五金等領域，發展到船用齒輪箱等其它傳動領域。

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

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

季悅(1965—),男，浙江寧海人，大學，工程師，研究方向：機械工程。