浅析镁合金材料在船用齿轮箱中的运用

季　悦,骆军芝（杭齿集团绍兴前进齿轮箱有限公司,浙江 绍兴 312030）

浅析镁合金材料在船用齿轮箱中的运用

季悦,骆军芝
（杭齿集团绍兴前进齿轮箱有限公司,浙江 绍兴 312030）

船用齿轮箱箱体是一种受力情况复杂，综合性能要求较高的船用动力传送部件，在国内外的造船领域，特别是国内，普遍采用灰铸铁及铝合金做为原材料，相同功率的船用齿轮箱存在重量重、加工成本高、外形欠美观、强度不高等缺陷，本文就一种新型材料——镁合金在船用齿轮箱箱体中的运用及结构方面需要注意的问题做简要论述。

镁合金；新材料；箱体；船用齿轮箱在资源和环境已成为21世纪可持续发展的首要问题，政府倡导降低能源消耗，提高材料利用率，减少环境污染及节约地球资源的今天。随着矿产资源日趋减少，环保法律法规日益严格，使现代轮船、汽车减重节能的要求越来越高，轻量化已成为轮船、汽车等运输机械的重要发展方向。镁合金具有质量轻、刚性好；较强的耐蚀性、尺寸稳定性、抗冲击性能好及100%可回收；另外镁合金还有较高的导热和导电性能、无磁性、屏蔽性好和无毒的特点，被誉为21世纪绿色环保材料，是一种新型合金材料，被列入国家“863”计划十大项目之一。而我国是镁资源最丰富的国家,可利用的镁资源占世界贮量的70%,是世界上原镁生产、出口量最大的国家。拓宽镁合金的应用领域,将我国的镁资源优势转化为镁技术优势和产业优势都具有重大战略意义。目前，在汽车生产、航空航天、国防、电子、运动器材等领域有着较为广泛的应用。但是，在船用齿轮箱及其它传动领域基本上还是一片空白。

1　镁合金材料的优点

（1）镁合金是目前常用的工程金属材料中密度密度最小的，但是它的机械性能却跟常用的工程金属材料相当或更好。镁合金是齿轮箱轻量化设计的理想的首选材料，对整体构件的设计十分有利。下面是两种常用箱体材料机械性能对比表：

序号　材料牌号名称　密度（g/cm3）　抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）　延伸率（%）1　镁合金AZ91D　1.82　≥280　≥130　≥3 2　灰铸铁HT250　7.35　≥250

从材料的力学性能来分析，镁合金材料完全可以满足中小功率船用齿轮箱的强度要求，而且同传递能力段的齿轮箱箱体，采用镁合金材料的箱体重量比灰铸铁HT250材料的箱体重量轻75%左右，从而会大大降低整机的重量。

（2）镁合金的韧性好、具有较强的抗冲击能力。采用镁合金材料的齿轮箱箱体在受外力作用时，吸收能量的能力远远大于采用灰铸铁和铝合金的材料的箱体，保护齿轮箱内部零件不易被损坏。

（3）齿轮箱箱体除了结合面、安装支架面、轴承档等少数面需要加工外，其余外露面均为毛坯面，铸造的表面粗糙度的好坏、铸件尺寸的稳定性和精度都直接影响到整台齿轮箱的外观质量。镁合金的具有热容量低、凝固速度快、压铸性能好的特点，能够保证箱体毛坯尺寸稳定、尺寸的精度、表面粗糙度。

（4）镁合金具有良好的切削性能。在加工时可采用较高的切削速度、刀具消耗低、生产效率高，并且能够较好保证加工尺寸和表面粗糙度。

2　镁合金材料箱体设计时需要注意的问题

由于采用镁合金材料的中小功率船用齿轮箱箱体，一船情况下都是压铸工艺成型，镁合金材料具有良好的充型能力，而且充型后凝固速度比较快，所以对压铸模具热冲击也比较小，大大减轻了压铸模具的热疲劳现象，延长压铸模具的使用寿命。非常适合大批量生产。根据压铸工艺的特点及镁合金材料的特性，在箱体设计时需要注意以下几点：

（1）为了保证箱体强度，箱体厚度不宜太厚或太薄，经过试验，箱体壁厚在3-4mm最为合适。这样既能保证箱体强度，又能保证在压铸时箱体不会出现热裂和欠铸、缩水、冷料痕、旋涡、流痕等缺陷。

（2）尽量减小壁厚突变的地方，齿轮箱箱体的轴承档、结合面及安装支架面都是整台齿轮箱的主要受力面。由于结构需要，这些地方都壁厚都要求比较厚，有可能达到其它地方壁厚的5-6倍，容易出现疏松、气孔等缺陷。建议在进行此类箱体设计时，增加如下图1所示的镂空槽。

（3）对船用齿轮箱安装支架面的的铸造结构设计，灰铸铁箱体采用的是加大壁厚实心设计；镁合金箱体采用了镂空设计，并加了加强筋，在起到箱体强度不改的的情况下，增加了散热面积，更有利于齿轮箱的散热。

（4）过渡圆角尽可能的大，便于压注时脱模，避免在脱模时产生拉裂伤。

（5）表面处理。虽然镁合金材料具有一定的抗腐蚀能力，但是由于船用齿轮箱有可能会长期与海水接触，而镁的负电性强，在大气中的耐蚀性差，所以在使用镁合金箱体前必须对箱体进行适当的表面处理。船用齿轮箱箱体表面最后一般需采用喷涂工艺，为了增加油漆与箱体的附着力，需在喷涂前对箱体表面进行镀膜处理。针对船用齿轮箱的工况特点及后期的喷涂处理，建议采用以下镀膜工艺：a）化学成膜化学成膜技术主要是指镁合金压铸件通过在化学溶液中进行一定时间的接触、利用工件与化学处理液之间的化学反应在工件表面形成保护膜层的一类表面处理技术；b）阳极氧化膜阳极氧化成膜主要是指镁合金压铸件作为阳极，在外加电压的作用下，通过一定温度的溶液中进行一段时间的处理，利用工作与处理液之间的电化学反应在工件表面开成保护氧化膜层的一类表现处理技术。主要包括常规阳极氧化和等离子体微弧阳极氧化处理技术。由于阳极氧化处理膜层的耐蚀性、耐磨性好、机械强度高、零件尺寸精度几乎不发生影响，为镁合金箱体喷漆前道的首选镀膜处理，后期按常规进行喷漆处理即可。

3　结论

随着我国镁合金工业的多样性发展趋势，镁合金深加工产业链的突破性发展，我国镁合金工业从原来的原材料的生产大国开始向镁合金生产强国转型。随着镁合金加工处理的进一步完善，成本的进一步下降，相信镁合金材料会从目前已经成功应用的汽车、航空、交通、航天、国防、五金等领域，发展到船用齿轮箱等其它传动领域。

[1]郭艳,王桂香,龚凡等.镁合金阳极氧化[J].电镀与环保，2007，27（06）：1-4.

[2]曾荣昌，柯伟，徐永波等.镁合金的最新发展和应用前景[J].金属学报,2001,37(07):673-685.

季悦(1965—),男，浙江宁海人，大学，工程师，研究方向：机械工程。