一種粉末冶金表面緻密齒輪生產方法
2023-05-04 09:26:26
專利名稱：一種粉末冶金表面緻密齒輪生產方法
技術領域：
本發明涉及一種粉末冶金表面緻密齒輪生產方法。
背景技術：
齒輪是依靠齒的嚙合可靠且無噪聲地傳輸轉矩的輪狀機械零件。齒輪通過與其它齒狀機械零件(如另一齒輪、齒條、蝸杆、鏈條)傳動，可實現改變轉速與扭矩、改變運動方向和改變運動形式等功能。主要是需要在其表面或表面層具有高強度與耐磨性，比如，齒輪在運行過程中，主動輪與被動輪的齒面之間存在著大量的滾動接觸，有時還加有一定量的滑動磨損。除了需要強度外，對於許多齒輪的應用，噪聲低也是必須的。噪聲的產生基本上決定於齒輪的尺寸公差、形貌及表面粗糙度。齒輪的幾何形狀或組件的不精確都會顯著減低齒輪的使用壽命、降低承載能力及增強噪聲的產生。粉末冶金法製造齒輪是一種高效、精密、靈活的金屬加工工藝，適於大批量低成本生產高強度、高精度公差的齒輪。大大減低了傳統鋼材機加工所導致的質量、性能，尤其是成本方面的劣勢。當齒輪含有凹槽、通孔、臺階或者凸臺時，粉末冶金工藝更顯示出其優越性。齒輪輪齒損壞機制主要分為以下六類1、齒面磨損。又稱滾動接觸疲勞，是指對於開式齒輪傳動或含有不清潔的潤滑油的閉式齒輪傳動，由於嚙合齒面間的相對滑動，使一些較硬的顆粒進入摩擦表面，從而齒的輪廓改變，側隙加大，以至於齒輪過度減薄導致齒斷。2、齒面膠合。齒面膠合是指對於高速重載的齒輪傳動中，因齒面間的摩擦力較大，相對速度大，致使嚙合區溫度過高，一旦潤滑條件不良，齒面間的油膜便會消失，使得兩齒輪的金屬表面直接接觸，從而發生相互粘結。3、疲勞點蝕。疲勞點蝕是指相互嚙合的兩輪齒接觸時，齒面間的作用力和反作用力使兩工作表面上產生接觸應力，由於嚙合點的位置是變化的，且齒輪做的是周期性的運動，所以接觸應力是按脈動循環變化的。齒面長時間在這種交變接觸應力下作業，在齒面的刀痕處會出現小的裂紋，隨著時間的推移，這種裂紋逐漸在表層橫向擴展，裂紋形成環狀後，使輪齒的表面產生微小面積的剝落而形成一些疲勞淺坑。4、輪齒折斷。又稱齒根疲勞。是指在運行工程中承受載荷的齒輪其根部受到脈衝的周期性應力超過齒輪材料的疲勞期限時，會在根部產生裂紋，並逐步擴展，當剩餘部分無法承受傳動載荷時就會發生斷齒現象。齒輪由於工作中嚴重的衝擊、偏載以及材質的不均勻也可能引起斷齒。5、齒麵塑性變形。齒麵塑性變形是指在衝擊載荷或重載下，齒面容易產生局部的塑性變形，從而使漸開線齒廓的曲面發生變形。6、對相接觸零件的磨損。是指主動與從動齒輪不匹配時(比如,硬度相差太大、成分太接近等)，會對相配合使用的零件造成磨損或塑性變形，比如，較硬的齒面將較軟的齒面上的部分材料沿滑動方向撕下而形成溝紋。
根據失效位置，以上齒輪輪齒損壞模式又可粗略劃分為(I)齒面失效；和(2)齒根失效。由於齒輪的失效絕大多數情況下是始於表面或者亞表面，其表面性能的提升就成了高性能齒輪開發的關鍵。粉末冶金齒輪若能實現表面緻密(Surface Densif ication),是應對以上失效模式最有效的手段。粉末冶金齒輪的一大特點就是有一定的孔隙率。目前，去除孔隙率的方法主要有HIPPING (Hot-1sostatic Pressing,粉末材料的等靜壓縮，廣泛地應用於高速工具鋼的生產)或者PF (Powder Forging，粉末鍛造，廣泛應用於粉鍛連杆、粉鍛變速箱齒環、和市場佔有率不高的粉鍛齒輪)。粉末冶金表面緻密齒輪(Surface-Densified PM Gears)對於產品密度有具體的要求。對於一個鐵基的粉末冶金齒輪來說，輪齒的理論密度(即燒結後孔隙率是零)為7. 8-7. 9g/cm3，此理論值主要與所添加化學成分有關。一般生產中要求齒表面密度不低於7. 5g/cm3 (對應於的孔隙率大約為4% )。表面緻密層厚度範圍為O. 1-0. 5mm,絕大多數情況下厚度達到O. 2mm即可。在遠離齒表面的齒輪芯部的密度範圍為6. 7-7. 3g/cm3。由於過大的密度差導致技術上的困難和廢品率的升高，芯部的密度不宜遠遠低於7. 3g/cm3。國內外粉末冶金表面緻密齒輪加工工藝粉末冶金表面緻密齒輪的概念由來已久，近幾年尤為活躍。然而，至今為止，有能力生產的只有幾家歐美公司，而且，產量低，沒能大規模佔領市場。其主要原因是1)現有工藝不夠成熟，秘而不宣的廢品率居高不下；2)現有工藝在性能、質量和成本方面優勢不明顯，在某些嘗試的應用中甚至完全沒有優勢。然而，汽車工業界對此類產品的認可度高，求遠大於供,急需技術上的突破。國內外現在主要的加工方法有兩種I)齒輪滾壓技術(Gear Rolling)。齒輪滾壓技術一直被工業界稱為「Selective Densification」，即「選擇性的緻密化「，其英文隱含的意義過於廣泛、籠統。其實，就粉末冶金的行業現狀而言，SelectiveDensification還沒有超出齒輪表面緻密的範疇。齒輪滾壓技術所用的主動輾壓齒輪又被稱為Master Gear (工具齒輪)；燒結後的齒輪稱為預齒輪；滾壓後的齒輪稱作樣品齒輪。粉末冶金標準齒輪滾壓工藝生產工藝流程如圖1所示，該工藝已經廣為流傳，國內凡是嘗試此工藝的公司無一不以失敗告終。此工藝的頭幾道工序與常規粉末鍛造工藝相同，混料是指金屬粉末和非金屬粉末混合均勻，經過壓制後進行燒結，燒結後的預壓件整形滾壓是其特色，整形後進行熱處理增加表面強度。燒結後的齒輪進行滾壓，使得粉末冶金齒輪具有更好的尺寸精度及表面光滑度，更重要的是產生了一個緻密層。具體做法是，將有餘量的預齒輪置於兩個配對的工具齒輪之間的中心，當工具齒輪與預齒輪接觸時，逐漸施加負載，工具輪使預齒輪表面緻密化，一直進行到達到預定的中心距離，然後取消外力，樣品齒輪的彈性變形消除，塑性變形就是要達到的目標，即，選擇性地緻密齒面。燒結的預齒輪密度最好是高於7. Og/cm3，否則，滾壓時容易產生裂紋。此工藝的主要挑戰有以下幾點1)研發過程複雜、漫長、昂貴，需要小批量機加工出尺寸不同但形狀接近的預齒輪，以優化預齒輪的尺寸參數及表面緻密化過程中的滾壓工藝參數，待所有參數被優化後，再設計用於批量生產的模具；2)涉及的物理現象過於複雜，先進的有限元分析模擬手段難以應用；3)預齒輪在滾壓過程中，容易出現「斷齒」現象；4)技術不成熟。對主要工藝參數的控制要求超出了現有大規模生產工業水準，其表現方式之一是材料儲積(齒根餘量Root Stock和齒面餘量Flank Stock)在優化投產後需要進一步調整；5)需要投資購買滾壓設備。2)中模擠壓表面緻密生產工藝。此工藝中與前一工藝的不同之處在於1)去除了滾壓工序；2)通過燒結後的整形工序實現表面緻密，也就是說，通過中模的幾何和物理特性實現緻密化，如圖2所示。中模擠壓表面緻密的特點是，中模入口有5-6°的斜角，逐漸過渡到1-2°，在整形的下死點達到完全垂直，如圖3和圖4所示。燒結後加熱預齒輪，並控制在750°C以內，內部微觀結構沒有從鐵素體相變為奧氏體轉化，中模的溫度常常控制在50-80°C。此整形工藝是溫鍛的延伸，沿襲了溫鍛工藝中的所有挑戰，包括閃邊(即「飛邊」，就是又粗又高的毛刺)、模具壽命短，中模磨損是主要失效模式，溫控和生產節拍需要完全自動化等。以上兩個工藝的共同點是將表面緻密及整形任務放在同一道工序中完成。這種加工方式的不足之處是(I)不能很好的控制齒輪的彈塑性變形，在相同的位置上彈塑性變形量受許多因素的影響；(2)齒輪表面緻密不均勻；(3)緻密時容易產生預計不到的應力場；(4)在此加工工藝中齒輪的表面緻密程度(指表面緻密層厚度)難以控制。其結果是廢品率過高，目前的製造加工水平還沒有辦法精確控制眾多有關參數。
發明內容
本發明設計了一種粉末冶金表面緻密齒輪生產方法，其解決的技術問題是(I)現有生產方法中不能很好的控制齒輪的彈塑性變形，在相同的位置上彈塑性變形量受許多因素的影響；(2)現有生產方法中齒輪表面緻密不均勻；(3)現有生產方法中緻密時容易產生預計不到的應力場；(4)現有生產方法中在此加工工藝中齒輪的表面緻密程度(指表面緻密層厚度)很難控制。為了解決上述存在的技術問題，本發明採用了以下方案一種粉末冶金表面緻密齒輪生產方法，包括以下步驟混料、粉末壓制、燒結、噴丸、整形、熱處理及質量檢驗。進一步，混料步驟中粉末混合物的各組分之間以及粉末與潤滑劑之間混合均勻，達到松裝密度的最大值。混料步驟中粉末混合物的各組分之間以及粉末混合物與潤滑劑之間混合均勻，達到松裝密度的最大值，松裝密度最大值通常不超過3. 2g/cm3 ;粉末混合物組分與潤滑劑按照以下比例組成純鎳粉質量百分比佔0-2. 5% ;石墨質量百分比佔
O.1-0. 3%、潤滑劑質量百分比佔O. 15-0. 75%以及餘量的合金鐵粉，其中合金鐵粉中含有質量百分比為O. 8-1. 6%的鑰和0-0. 8%的鎳。總之，混合粉要充分考慮到粉末的性能穩定性、流動性、可壓縮性、燒結導致的尺寸變化儘量小。進一步，粉末壓制步驟中通過壓機來進行，壓機可以是控制壓力的油壓機，也可以是控制位置的機械壓機。進一步，燒結步驟中採用還原氣氛，燒結溫度為1120°C -1230°C。進一步，通過噴丸在預齒輪的表面形成一個緻密層。
該粉末冶金表面緻密齒輪生產方法與傳統粉末冶金表面緻密齒輪生產方法相比，具有以下有益效果(I)本發明方法加工的齒輪，實現了齒輪表面無孔隙，表面緻密程度易於控制，減少調整次數，尺寸精度高，輪齒抗疲勞抗磨損能力提高，大大降低廢品率，在降低了生產成本的同時，提高了齒輪的性能和質量。(2)本發明涉及粉末冶金表面緻密齒輪的生產方法，相對於其它表面緻密齒輪生產中將緻密與整形一步完成的方法，本發明將緻密與整形工序分開，表面緻密主要通過噴丸實現，在特殊情況下以整形中小範圍的緻密為輔，這種措施能夠更好地控制幾何形狀精度及提高表面緻密程度。(3)本發明解決了現有滾壓技術中的以下問題1)廢品率高；2)研發過程複雜、漫長、昂貴；3)物理想像複雜，無法有效地利用有限元分析模擬來指導實驗，縮短研發周期和減小研發費用；4)預齒輪在滾壓過程中，容易出現「斷齒」現象；5)技術不成熟；6)需要投資購買滾壓設備。(4)本發明解決了解決了現有中模擠壓技術中的以下問題1)整形模具壽命短；2)閃邊需要額外的加工工序去除；3)溫控和生產節拍需要完全自動化。
圖1 :現有粉末冶金標準齒輪滾壓工藝生產工藝流程示意圖；圖2 :現有中模擠壓表面緻密生產工藝流程示意圖；圖3 :現有使用中模擠壓表面緻密法的中模結構示意圖；圖4 :圖3的A-A剖視圖；圖5 :本發明粉末冶金表面緻密齒輪生產方法流程示意圖；圖6 :本發明經過噴丸處理後齒輪的結構示意圖；圖7 :本發明經過噴丸處理後齒輪取樣及試樣剖視圖；圖8 :本發明表面緻密化齒輪齒面中心的光學顯微照片；圖9 :本發明表面緻密化齒輪齒面邊角的光學顯微照片。1-中模；2_噴丸後的輪齒；3_整形後的輪齒；4_上衝頭；5_下衝頭；6_緻密層；21-預齒輪；22_中模。
具體實施例方式下面結合圖5至圖9，對本發明做進一步說明如附圖5所示，本發明專利的粉末冶金表面緻密齒輪生產工序流程如下步驟10、混料。混料的目的就是使粉末混合物的各組分之間以及粉末與潤滑劑之間混合均勻，達到松裝密度的最大值。步驟20、粉末壓制。粉末壓制也叫做粉末成形。目的是將鬆散的粉末壓製成有一定強度，且幾何形狀接近於最終產品的預壓件(又稱為生坯)。為了使生坯成形，模具裡需要充填2. 0-2. 5倍齒輪高度的粉末，例如一個IOmm高的直齒輪則需要裝20-25mm高的粉末來壓製成形。步驟30、燒結。燒結的前期是脫蠟，即把混料時混入的潤滑劑(主要指蠟)去除，蠟的分解有兩種辦法，熱分解和氧化。燒結達到的主要目的是1)讓石墨和銅擴散進鐵的顆粒裡面；2)鐵粉顆粒之間形成結合，使得材料強度提升上百倍。燒結的高溫區採用還原氣氛，通常是含有還原作用的氫氣以及起到保護作用的氮氣。最常用的燒結溫度是1120°C -1230°C。步驟40、噴丸。噴丸的目的是為了使齒輪表面緻密，緻密深度基本達到齒輪的工作要求，通常是
O.1-0. 3mm。噴丸即對輪齒表面區域施加很高的作用力，來消除脫蠟後壓件內部孔隙，噴丸後壓件的表面形成一個緻密層如圖6所示，緻密層的深度和強度與噴丸的丸料介質、丸料尺寸、噴丸角度、丸料速度以及噴丸時間等因素有關。本發明中齒輪經過噴丸工藝後，齒輪表面密度高於7. 5g/cm3,表面緻密層厚度為
O.1-0. 3mm。如圖7所示，實驗通過對噴完後的齒面取樣，將切出的試樣，先磨光各表面，並鑲嵌成金屬試樣，在光學顯微鏡下對噴丸後表面進行檢測，圖8為齒輪表面中部的緻密層，可以看到，在距離表面O. 15mm的範圍內，孔隙率可以忽略不計；圖9為齒面的邊角，緻密層的厚度約為O. 20mm。步驟50、整形。整形是指在閉合模具組之後將夾緊力施加到上模具和下模具上。在整形中壓縮樣品齒輪，導致側向流動，與整形模具實現配合。此工序的主要目的是修整齒輪的形狀及提高表面粗糙精度，使其滿足設計要求。本發明不同於任何已經存在的工藝之處，是將噴丸後的預齒輪放入整形壓機的中模內進行整形。此外，本發明也可以通過加大噴丸後預齒輪與中模具間的幾何過盈，在更小的範圍內實現進一步的緻密(Localized Densif ication),如圖3和4所示。也就是說,在需要的情況下，可以對於樣品齒輪的每個輪齒的一個非常小的範圍(比如，樣品齒輪的每個輪齒的齒面中間大約3mm的範圍內)進一步進行局部緻密。舉例說明，比如，燒結後的預齒輪，經過噴丸表面緻密後，達到的緻密層厚度
O.20mm，只有齒面中高位置(即圖3所示的A-A截面處)大約3mm範圍內的緻密厚度需要進一步加深到O. 35_。解決的辦法是將預齒輪的中高位置設計成有額外的齒面裕料，而其它無需進一步緻密的位置的齒面裕料很少甚至沒有裕料，在整形過程中，上衝頭4將預齒輪從中模入口處，壓入下死點，如圖4所示，因為中模下死點的寬度遠小於噴丸後預齒輪的中高齒寬度，輪齒的中高處在大約3mm的範圍內的緻密層厚度即從噴丸後的O. 20mm增加到了整形後的O. 35mm。現有的中模擠壓表面緻密生產工藝能夠實現表面緻密，是因為齒輪被加熱並控制在750°C以內，類似於溫鍛工藝，延續了溫鍛的某些優點和缺點。相比之下，本發明是在室溫下在噴丸緻密之後進一步在很小的一個範圍內緻密。這個需要進一步緻密的範圍越小，效果越明顯。步驟60、熱處理及質量檢驗。粉末冶金表面緻密齒輪整形工藝結束後，需要對樣品齒輪進行熱處理及質量檢驗。步驟70、包裝。本發明涉及粉末冶金表面緻密齒輪的生產方法，相對於其它表面緻密齒輪生產中將緻密與整形一步完成的方法，本發明將緻密與整形工序分開，這種措施能夠更好地控制幾何形狀精度及提高表面緻密程度。首先將不同成分和物理性能的粉末混合均勻，經由壓機(可以是機械壓機，也可以是液壓機)將鬆散粉末壓製成有一定強度的預壓件，然後將預壓件放入網帶爐進行燒結。通過噴丸增強預壓件的表面緻密度，在燒結之後的粉末冶金齒輪表層形成一高密度(> 7. 5g/cm3)緻密層，厚度為O. 10-0. 30mm，這個緻密層與現有工藝相比，I)受表面密度波動的影響可忽略不計；2)受齒形精度的影響可忽略不計。更具有意義的是，而後的整形工序除了修整齒輪形狀及提高齒輪表面粗糙度精度之外，可以實現進一步的當地緻密(Localized Densification)。比如，由於齒輪的設計、工況等原因，齒輪的失效模式可能是齒面失效。那麼，齒面的整形餘量可以通過額外加大齒面餘量的辦法來實現，如圖3和4所示。與此類似，齒根的失效模式可以通過額外加大齒根餘量的辦法來實現。然而，此整形工序同時加大齒面和齒根的緻密厚度是不可取的，否則，就會出現類似於中模擠壓表面緻密生產工藝的挑戰。本發明的整形在需要當地緻密時可以緻密一個小範圍，也可以是僅僅整形而不追求緻密或者沒有緻密。「實現進一步的當地緻密(Localized Densification) 」是指在需要時在一個小範圍內通過整形工序緻密。整形無法在大範圍內緻密輪齒。齒輪的齒面和齒根同時在整形工序中進行緻密，就導致了「緻密範圍太大」，其結果是1)中模受損；2)當地緻密效果不明顯或者沒有緻密效果。噴丸緻密對於某些要求表面緻密的齒輪就無需進一步緻密了，一般的整形工藝沒有進一步緻密即可。當發現噴丸達到的緻密層厚度在一個小範圍內不滿足齒輪的疲勞性能要求時，可以再在整形時實現小範圍的進一步緻密。最後進行熱處理、測試檢驗產品質量、產品包裝。上面結合附圖對本發明進行了示例性的描述，顯然本發明的實現並不受上述方式的限制，只要採用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用於其它場合的，均在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種粉末冶金表面緻密齒輪生產方法，包括以下步驟:混料、粉末壓制、燒結、噴丸、整形、熱處理及質量檢驗。
2.根據權利要求1所述粉末冶金表面緻密齒輪生產方法，其特徵在於:混料步驟中粉末混合物的各組分之間以及粉末混合物與潤滑劑之間混合均勻，達到松裝密度的最大值，松裝密度最大值通常不超過3.2g/cm3;粉末混合物組分與潤滑劑按照以下比例組成:純鎳粉質量百分比佔0-2.5% ;石墨質量百分比佔0.1-0.3%、潤滑劑質量百分比佔0.15-0.75%以及餘量的合金鐵粉，其中合金鐵粉中含有質量百分比為0.8-1.6%的鑰和0-0.8% 的鎳。
3.根據權利要求1所述粉末冶金表面緻密齒輪生產方法，其特徵在於:粉末壓制步驟中通過壓機來進行，壓機可以是控制壓力的油壓機，也可以是控制位置的機械壓機。
4.根據權利要求1所述粉末冶金表面緻密齒輪生產方法，其特徵在於:燒結步驟中採用還原氣氛，燒結溫度為1120°C -1230°C。
5.根據權利要求1所述粉末冶金表面緻密齒輪生產方法，其特徵在於:通過噴丸步驟在預齒輪的表面形成一個緻密層。
6.根據權利要求1所述粉末冶金表面緻密齒輪生產方法，其特徵在於:整形步驟中，通過加大噴丸後預齒輪與中模具間的`幾何過盈，在預齒輪更小的範圍內實現進一步的緻密。
全文摘要
本發明涉及一種粉末冶金表面緻密齒輪生產方法，包括以下步驟混料、粉末壓制、燒結、噴丸、整形、熱處理及質量檢驗。本發明方法加工的齒輪，實現了齒輪表面無孔隙，表面緻密程度易於控制，減少調整次數，尺寸精度高，輪齒抗疲勞抗磨損能力提高，大大降低廢品率，在降低了生產成本的同時，提高了齒輪的性能和質量。
文檔編號B22F1/00GK103071799SQ20131002188
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月22日 優先權日2013年1月22日
發明者劉福平 申請人:山東信義粉末冶金有限公司, 劉福平