行星齿轮的防腐耐磨表面工程课程设计.docx
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行星齿轮的防腐耐磨表面工程课程设计
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汽车减速器部行星齿轮
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，应力较小，与瓷金属化层结合力强。
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。
3）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。
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。
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
硫酸（d=1.84）/﹪
10（质量分数）
67
10
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
5.7.1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。
表2酸性化学镀镍工艺镀液组成及工艺规
镀液组成及工艺条件
1
2
3
4
硫酸镍（/g•L-1）
30
25
20
23
次磷酸钠（/g•L-1）
36
30
24
18
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）
15
16
琥珀酸（/g•L-1）
5
18
12
丙酸（/g•L-1）
5
铅离子（/g•L-1）
2
1
1
硫脲（/g•L-1）
3
PH值
4.8
5.0
5.2
5.2
温度/℃
90
90
95
90
镀层含磷量/％
10~11
6~8
8~9
7~8
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）
12.64
12.50
5.02
7.51
11
4.4-4.6
85-90
15-22
5.7.3化学镀镍磷中各组分的作用
化学镀工艺中前处理及镀液中各成分对镀层性能影响很大,比如前处理中镀前试样除锈方法不同、抛光与否都使镀层的耐蚀性能存在差异。
在这里主要讨论镀液中各组分对镀层性能的影响。
化学镀镍溶液的成分包括镍盐、还原剂、络合剂、稳定剂、其他添加剂等。
（1）镍盐
镍盐是镀液主盐，一般使用硫酸镍，其次是氯化镍。
镍盐浓度高，镍液沉积速度快，但稳定性下降。
另外，镀液中镍盐含量决定了所需次磷酸盐和络合剂的量
（2）还原剂
化学镀镍的反应过程是一个自催化的氧化–还原过程，次磷酸钠以其价格较低,控制容易,镀层抗蚀性能好等特点,而成为应用最广泛的还原剂。
次磷酸钠作为还原剂通过催化脱氢，提供活泼的氢原子，把镍离子还原成金属，同时使镀层中含有磷的成分。
次磷酸铵的用量主要取决于镍盐浓度，镍与次磷酸钠的物质的量之比为0.3～0.45。
随着次磷酸钠含量的增加，镀层沉积速度增大，镀层中磷含量也随之增加，但镀液的稳定性下降。
（3）络合剂
化学镀镍液中广泛应用次磷酸盐,在化学镀进行时,由于溶液中亚磷酸离子积累,与游离镍离子结合生成亚磷酸镍沉淀,为防止它的生成,需要加入适当的络合剂生成镍的络离子来降低游离镍离子浓度。
不同络合剂对镀层沉积速度、表面形貌、磷含量、耐蚀性等均有影响。
化学镀镍液中的络合剂均为有机酸和它们的盐类，常用的络合剂有：
乙醇酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸、乳酸、丙酸、羟基乙酸及它们的盐类。
（4）稳定剂
稳定剂（铅离子）用于抑制存在于镀液中的固体微粒的催化活性，以防镀层粗糙和镀液自发分解。
微量的硫代硫酸盐、硫氰酸盐或硒的化合物都是有效的稳定剂。
但稳定剂过量会降低镀液的沉积速度，甚至抑制捏的沉积。
（5）pH值
酸性化学镀镍沉积速度随着镀液pH值的下降而降低，当镀液pH值远小于4时，沉积速度很低，已失去实际意义。
另一方面，当镀液pH值大于6时，易产生亚磷酸镍沉淀，引起镀液自发分解。
酸性化学镀镍液的最佳的pH值通常是4.2～5.0。
pH值升高时，镀层中的含磷量降低。
碱性化学镀镍的沉积速度手pH值的影响不大。
（6）温度
温度是影响酸性化学镀镍沉积速度的重要因素之一。
温度低于65℃时，沉积速度很慢，随温度升高沉积速度加快。
同时温度升高，可降低镀层中的磷含量。
但温度过高或加热不均匀都会引起镀液的分解。
碱性化学镀镍允许在室温下施镀，此时多用于活化过的非金属材料，镀上一层化学镀镍层后再用电镀加厚。
5.7.4质量控制
（1）镀液的维护
镀覆过程中及时补充与镀液温度相同的蒸馏水，以保持液面。
每3—4h分析一次镀液，根据分析结果补料。
每班在镀覆结束后，连续镀液过滤4h以上，并用硝酸清除槽壁、槽底、空气管表面镍的沉积物。
注意防止异物进入镀液。
镀前每道清洗采用流动水，避免带入残液。
（2）pH值和温度的控制
在酸性溶液中，pH值＜3时，镍不会被还原析出。
随着pH值的提高，沉积速度加快，pH值＞6时可能产生沉淀。
因此将pH值控制在4.4—5.0。
及时用稀醋酸或碳酸钠溶液调整pH值。
温度的提高可以增加沉积速率，但在96℃以上高温下进行施镀会大大降低镀液的稳定性，使镀层质量下降，镀层结合力差、易脱落。
特别当加热不均匀，且pH值偏高时，最易使镀液产生分解。
所以，要采用控温、搅拌装置，保证镀液温度均匀，使温度变化围在±2℃之，并注意避免高温空载。
（3）镀液的搅拌和工件的移动
用净化的无油空气搅拌可以使温度、镀液成分均匀，防止镀液局部过热分解，有利于提高沉积速率和保证镀层质量。
管件竖直吊挂于镀液中，通过机械装置上下移动，有利于排气，避免针孔和落渣，可以使镀层均匀。
（4）装载量
镀液的装载量过高或过底都会直接影响镀层的沉积速度和镀液的稳定性。
装载量控制在0.5—1.0dm2/L。
5.7.5化学镀镍槽的设计
化学镀镍槽与电镀槽不同之处在于它不需要外接电源,化学镀镍的工作温度通常高达85~95°C,因此,选用的材料必须能在高温下长期工作。
由于化学镀镍能在一些催化活性表面沉积,镀槽最好选用对化学镀镍反应表现惰性的材料如玻璃、瓷和搪瓷,这些材料是工作容量50L以小型镀槽的较好的结构材料不锈钢槽体制造技术成熟,材料强度高、安全、使用寿命长,适合用作大容量和连续作业的镀槽。
化学镀镍施镀过程中由于镀液的自催化反应,不锈钢槽底、槽壁上易有金属镍析出,在90°C高温下金属镍析出尤为严重,槽底和被镀件上易沉积细小粒状镍粉,镀液发生自然分解而失效。
因此,研究不锈钢镀槽防金属镍析出技术是实现化学镀镍连续施镀的关键。
一般资料介绍的阳极保护方法,不锈钢槽施加阳极电流,阴极（镍棒）放在不锈钢槽化学镀镍溶液,使镀槽处于电化学钝化状态,在施镀过程中防止槽壁金属析出。
由于镍棒处于溶液,不断消耗溶液中的氢离子,也不允许流过大电流（1A/dm2）。
改用套槽阳极保护法,把镍棒放在水槽,靠近不锈钢槽,可以任意施加电流,使镀槽处于电化学钝化状态,又不消耗溶液中的氢离子。
我们设计了一套水浴式镀槽,外槽铁槽700mm×700mm×800mm,槽不锈钢400mm×500mm×600mm,蒸汽加热,蛇型钛电加管380V3KW×2保温,XMT数字式温度显示调节仪控温,工作中采用阳极保护。
如图4所示。
图4阳极保护水浴镀槽
5.8热处理
200℃加热一小时，消除应力及去氢或380—400℃加热一小时提高硬度.镀层为镍磷合金,致密、牢固、硬度高，耐磨性好，可与电镀硬铬相媲美，硬度值镀态为550HV，热处理后可达1100HV。
根据行星齿轮要求选用400℃加热一小时提高硬度。
5.9关于生产废水的处理
废水处理方法多样，实用化的有中和法、氧化法、还原法、离子交换法、电解法、蒸发浓缩法等。
废气处理一般通过废气净化塔将三酸废气净化。
废渣处理一般用沉降池将废渣从水中有效分离，再通过化学手段有污染的成分转化为无污染的物质。
6镀层检验
齿轮的质量直接影响减速器的使用性能。
故镀层的检测应该以精确、误差小为前提。
故检测时，从生产出的工件里随机抽取若干个进行检测。
检测数据与国家标准进行比对，评出其等级。
6.1结合力及外观检测
镀层结合力用热震法测定。
将化学镀镍—磷合金的管件放入电阻炉中加热至280—300℃，保温30min，然后取出，放入室温的水中骤冷。
观察镀层是否鼓泡或脱落。
在40W日光灯下，用4—5倍放大镜观察镀层表面是否有针孔、麻点、结瘤等缺陷。
6.2镀层厚度的检验
采用金相显微镜法。
测试过程：
（1）测试仪器。
使用经过校准的、带有螺旋游动测微计的金相显微镜。
（2）试样准备。
从零件主要表面的一处或几处切取试样。
镶嵌后，对横断面进行适当的研磨、抛光和浸蚀。
（3）测定。
按仪器规程测量。
在同一位置上，每次测量值至少是三次的平均值。
6.3镀层硬度的检测
采用显微硬度测量仪进行测量。
利用仪器所附带的金刚石压头加一定负荷，在被测试样表面压出压痕，再用读数显微镜测出压痕的大小，经计算求得被测试样表面镀层的硬度。
6.4镀层耐蚀性的检测
采用铜盐加速盐雾试验。
将轮毂清洗后放入盐雾试验箱，采用连续喷雾方式对其进行试验。
结束后，取出工件在室自然干燥0.5～1h，然后用流动冷水轻轻洗涤或浸渍，以除去沉积于试样表面的盐类，用鼓风机吹干后检查，记录试验后的外观、去除表面腐蚀产物后的外观、腐蚀缺陷的分布和数量、开始出现腐蚀的时间等，评定等级。
6.5镀层耐磨性的检测
镀层的耐磨性能与膜的质量密切相关，可以反映镀层的耐摩擦、耐磨损的潜在能力，是镀层的一项重要性能指标。
常用方法：
喷磨试验仪、轮式磨损试验仪与落砂试验仪检测耐磨性。
这里选用喷磨试验仪，测试时，用待测试样置换标准试样按校正步骤进行，为了达到控制质量的目的，在试验中可以使用协议参比试样进行比较；当需要时，也可以用协议参比试样代替标准试样进行校正。
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