目前烧结齿轮中的粉末冶金新技1.doc

目前烧结齿轮中的粉末冶金新技术烧结齿轮的性能与粉末冶金工艺密切相关, 不同工艺和技术路线生产的齿轮, 性能差异很大, 而粉末冶金技术的发展促进了烧结齿轮性能的提高和尺寸的稳定。近年来发展起来的温压成形、高速成形、烧结硬化、高温烧结、熔渗和齿轮表面致密化等技术及其在齿轮制造中的应用可望同时实现高密度、低成本和高精度的齿轮生产。 作为传动系统重要零件的齿轮, 一般都是通过机械加工法制成的。但是随着汽车工业的发展, 对齿轮等零件的要求越来越高, 在成本、交货日期和噪音等方面机加工齿轮难以满足要求; 而粉末冶金则是一项能制造形状复杂零件的技术, 可以节料、节能、省工、优质, 适合大批量生产, 能满足汽车工业对零部件的要求。因此, 粉末冶金工业与汽车工业密切相关。在美国, 铁基粉末冶金零件的市场有70%以上属于汽车市场; 而在国内, 远未达到这个比例, 据中国机协粉末冶金专业委员会2004 年3月的统计,国内粉末冶金行业的汽车市场仅占19%。对于汽车和其他工业而言, 粉末冶金是生产高强度和形状复杂齿轮的有效工艺。目前, 通过使用高性能的粉末成形、烧结和特殊的后加工, 粉末冶金工艺已经可以生产出密度超过7.5g/cm3 的齿轮。这些技术的使用, 已经成功地替代了机加工或其他方法加工的零件。粉末冶金工艺的成功, 使机械工程师设计高性能和较低成本的零件成为可能。 目前在汽车上使用的齿轮零件有同步器齿毂、离合器齿毂等, 随着汽车工业的发展, 必将对粉末冶金工业提出更高的要求。本文作者将从粉末冶金材料工艺和齿轮表面致密化等方面探讨粉末冶金工业的最新进展及其在齿轮生产中的应用, 为机械工程师在设计齿轮时提供参考。 1 粉末冶金新技术在烧结齿轮中的应用 齿轮作为重要的传动零件, 在汽车上起着关键的作用。齿轮的密度、硬度等与材料的性能及制备工艺息息相关。 先进的压形技术提高了粉末压坯的密度, 改进了粉末冶金制品的性能; 同时, 零件的尺寸精度可以获得提高, 形状也可以更加复杂。下面首先讨论粉末冶金新工艺及其对齿轮的影响。 1. 1 温压成形 温压技术是由Hgan?s 公司在20世纪90年代开发并获得工业应用的制造高强度铁基粉末冶金零部件的新型刚性模成形技术。该技术既保持了传统模压工艺的高生产率和尺寸精度高等基本特点,又以较低的成本提高了零部件的密度(7.207.35g/cm3) 。由于零部件密度提高, 其综合力学性能大幅度改善, 应用范围迅速扩大, 为充分发挥粉末冶金的技术优势创造了条件。 温压技术的致密化主要通过在温压温度下铁粉颗粒的加工硬化速率降低和程度减轻, 以及铁粉颗粒塑性变形阻力减小来实现的。此外, 在成形过程中的颗粒重新排列, 也可以使密度提高 。目前已经制备出抗拉强度达1500 MPa 的烧结铁基零件。Ford 汽车公司已将质量达1.2kg的温压流体变速涡轮毂用在发动机上。温压工艺的关键在于以较低的成本制造出高性能的铁基粉末冶金零件, 为汽车的零部件在性能与成本之间找到一个较佳的结合点。温压的优势在于: 压坯密度和烧结密度高, 压坯强度高, 脱模压力低, 弹性后效小。 1. 2 高速压制 瑞典开发了高速压制的工艺。这种工艺的开发使高密度和超过5kg的大型粉末冶金零件的开发成为可能, 它使粉末能在20ms以内被压缩, 而且在300ms内多次压制还可以进一步提高密度。高速压制作为大批量的生产方法可以突破目前粉末冶金的局限性。传统压制成形要求高的成形压力, 而成形压力又受到压机吨位的限制, 高速压制则不受此限制。基于预合金化和扩散合金化的粉末密度可以达到7.47.7g/cm3, 这种新型的制造技术最近引入到了粉末冶金行业。高速压制的致密化主要通过由液压控制的冲锤产生的强烈冲击波来实现, 冲锤的质量和压制时的速度决定了冲击功的大小和致密化程度。由于采用液压控制, 安全性能较高。通过合适的工艺控制,可以避免非轴向的反弹引起压坯的微观缺陷。对于高速压制, 进行多次压制是可能的, 而传统压机在第一次压制后的重复压制密度不会显著增加。因为4kJ的冲击功与2次2kJ的冲击功, 其压制密度是相同的。因此, 可以采用中等压机经多次压制达到高密度。多次冲击压制也可以快速完成,因为每次冲击的间隔时间小于300ms。这种压机可以用计算机精确控制冲锤的行程和冲击功, 由其压制的零件生产工艺与传统的成形工艺大体一致。 传统粉末压坯的密度呈中间低、两端高的分布, 这样易造成烧结后中部收缩过大而影响零件的尺寸精度。而高速压制的零件, 密度分布则较为均匀。烧结后中部与端部尺寸相差将会较小, 这样将改善零件尺寸的一致性。高速成形如果再与其他工艺相结合, 则材料的性能将会大幅提高。含碳0.4%的ASTALOY CrM 预合金化粉末经高速压制后的压坯密度达7.5g/cm3 , 经1250高温烧结后抗拉强度达到1220 MPa , 经1120 烧结硬化处理后抗拉强度为1380 MPa。由此可见高速压制的零件, 其性能达到了一个较高的水平。高速压制作为介于传统粉末成形和粉末锻造之间的工艺, 其优势是明显的。由于具有良好的性价比, 应用范围比较广泛。具体而言, 其优势有: 较高的且分布均匀的密度, 高生产率, 可以生产几公斤的大零件, 较小的弹性后效和较高的精度, 可以生产长径比较大的零件(长径比可达6. 0) 。 高速压制技术目前尚在不断开发之中, 在开发的初期仅仅能成形没有台阶的直桶类简单零件, 而现在已经开发出了能成形一个台阶的较复杂零件。但是对于其他形状更复杂的零件目前尚不能生产, 这也是高速压制技术受到局限的重要原因。 1. 3 烧结硬化 烧结硬化是将粉末冶金的烧结与提高材料性能的淬火热处理工序合二为一, 以降低成本。烧结硬化工艺可以省去烧结后热处理工序, 同时可以获得高强度和高硬度的性能, 从而降低生产成本。此外, 淬火时会产生高的残余内应力并且使零件发生变形, 给控制零件尺寸公差带来困难。烧结硬化工艺, 由于烧结后的冷却速度远低于淬火的冷却速度, 因而可以使变形减少到最小。因此烧结硬化工艺适用于难以处理的大型以及形状复杂的零件。 烧结硬化钢一般用来制造中高密度零件。一般情况下, 烧结硬化铁粉的主要合金元素有钼、锰、铬、铜和镍等。含有这些合金元素的材料具有足够高的淬透性, 在烧结冷却期间能够淬硬。烧结硬化后合金金相组织多为马氏体, 此外还有少量的细珠光体、贝氏体和残余奥氏体; 根据烧结温度和时间的不同, 可能还有少量的富镍区。根据烧结的实际条件和零件的具体要求, 适当调配化学成分, 在冷却后可以得到要求的硬度和性能。据文献报道, 目前已经有大量的烧结硬化齿轮开始应用于汽车等传动机构上。与传统的工艺相比, 它降低了生产成本, 但是没有降低任何使用性能。这些齿轮的尺寸精度高, 噪音低, 强度高,耐磨性和耐腐蚀好。宁波东睦(NB TM) 公司的齿轮, 通过烧结硬化, 密度大于7.0 g/cm3 , 经过回火处理后硬度大于HRC40 。与传统方法相比成本降低10 %, 且减小了淬火变形的危险。 1. 4 高温烧结 高温烧结是提高强度的一项重要措施。通过高温烧结, 可以使一部分氧化物还原、提高原子的扩散速率和增加成分均匀性, 可以使孔隙充分球化和孔隙间距更大, 适合于新型粉末冶金材料例如高速钢、不锈钢和高温合金等。这样, 可提高零件的密度、机械性能、轴向/ 旋转弯曲疲劳强度、耐蚀性和物理性能。但是, 也存在一些弊端, 例如设备损耗加大、能耗增加、炉子维护成本增加、生产率降低、零件变形加大、零件的同轴度降低、低冷却速率以及其他工艺问题。因此, 粉末冶金零件高温烧结, 将会增加一些额外的成本。 对于铁基材料而言, 高温烧结适用于以下几种情况: 材料需要高温烧结, 如新型含硅的铁基材料、高性能不锈钢; 高温烧结是最有效或唯一能达到要求的方法; 高温烧结能减少工序或其他设备,如将二次压制改为一次压制; 预合金或预混粉烧结, 此时由于一些氧化物被还原, 其合金化程度增加、硬化性能改善、机械性能提高。烧结齿轮性能不稳定的一个重要原因是混合粉的偏析。通过高温烧结, 可以显著减小或消除偏析的影响。高温烧结对于一些材料是必需的, 另一方面, 在较低温度烧结时, 现有的材料没有完全发挥潜能。要完全开发这些材料的潜能, 即要求它们具有高的表观硬度、超常的耐冲击性和抗拉强度, 也必须使用高温烧结。具有这些性能的粉末冶金零件, 其竞争力将会很强; 尽管根据国外的分析, 高温烧结将增加成本约10 %15 %。 1. 5 熔渗 熔渗是在烧结过程中将其他材料(对于铁基烧结件而言主要是铜) 熔化并在毛细管和重力的作用下渗入烧结坯内, 以提高零件的密度和性能。一般情况下, 原材料费用较高, 熔渗时铜向骨架基体中扩散和生成大量液相, 尺寸变化较大。宁波东睦公司的渗铜齿轮, 其质量达到2 700 g 、高度超过70 mm ; 烧结熔渗处理后, 齿轮的硬度为HRB85 , 总体密度为7. 3 g/ cm3 。 2 齿轮的表面致密化技术 达到高密度是改善粉末冶金零件性能的主要方法, 然而最近的研究显示热处理和后加工也能对零件质量产生重要影响。齿轮的失效大部分为表面接触疲劳, 提高表面密度可以提高疲劳性能。经表面渗碳、表面热处理(高频或激光热处理)的齿轮, 其外部硬度(碳含量) 高, 耐磨性好, 心部硬度(碳含量) 低, 韧性好。粉末冶金零件由于孔隙的存在, 表面接触疲劳强度往往较铸轧钢加工的差, 而通过表面致密化处理后在齿部与轧辊模接触的表面几乎达到全致密。 目前宁波东睦新材料股份有限公司已经引进了齿轮表面致密化轧机和轧辊模制作设备, 正在进行表面致密化齿轮的开发。表面致密化后, 齿轮齿部是无孔的表面, 心部是多孔体; 仅仅齿轮表面承受外加应力, 因而齿轮的生产成本相对较低; 烧结齿轮在轧辊模的反复轧制下, 齿形和精度有所提高。通过表面致密化可以进一步提高齿轮的尺寸精度。表面致密化深度超过0.7mm , 通过表面致密化后可以大幅度提高齿轮的表面接触疲劳强度。除此之外, 齿轮的表面粗糙度达到“镜面”的标准, 结果齿轮运行时噪音更低。这种表面无孔的齿轮经过合适的热处理之后, 其弯曲疲劳强度和接触疲劳强度完全达到渗碳钢的水平。制造上述齿轮的工序如下: 成形(高密度) ; 烧结(控制冷却速度) ; 机加工;表面致密化; 热处理(控制热处理变形) 。 表面致密化技术具有齿部无孔隙, 表面粗糙度低, 耐磨性高, 噪音低, 耐腐蚀性好, 尺寸精度高和零件的疲劳特性好等优点。这些因素无疑都是高质量齿轮所必须具备的。这也说明了密度仅为7.56g/cm3 的烧结齿轮经过表面致密化处理后的表面接触疲劳性能还略高于铸轧钢的原因。 3 总结 粉末冶金工艺生产的齿轮具有良好的力学性能、尺寸精度和表面粗糙度, 且适用于大批量生产, 因而具有良好的性