冶金零件表面密致化研究

1、冶金零件表面密致化研究     利用粉末冶金工艺的最终形成形的特点，可降低零件的生产成本，使得粉末冶金零件在汽车的传动系中的应用迅速扩大。这除了传统粉末冶金零件的优势，诸如成本低与尺寸公差精密之外，还因为粉末冶金钢的力学性能都是根据那些应用的具体要求开发的。不过，传统粉末冶金零件的强度与硬度都受到残留孔隙的限制，一般残留的孔隙度约为 5% 15% ( 体积分数) ( 图 1) 。倘若粉末冶金钢在以下 2 方面能有实质性改进，则许多有吸引力的应用可采用粉末冶金钢:力学强度，特别是疲劳与抗冲击强度( 图 2);尺寸精度。除了通过研发新合金改进外，若能将粉末冶

2、金钢加工到孔隙度为 0 时，粉末冶金钢的力学性能可能会和锻钢的性能相比拟或会超过之。特别是，低密度粉末冶金零件的静态强度相当高，即密度为6. 9g / cm3( 87%理论密度) 时，静态强度约为锻钢强度的 70%，而密度为 7. 4g/cm3( 94% 理论密度) 时，静态强度约为锻钢强度的 95%。可是，孔隙度对疲劳性能有重大影响。一般密度为 7. 1g/cm3的粉末冶金钢的弯曲疲劳强度不大于锻钢的 60%。在许多应用中，负载在零件表面或其附近会产生高应力，因此，并不需要整个零件具有全密度。在这些场合，强化粉末冶金钢最引人注意的加工工艺是选择性表面致密化( Selective Surfac

3、e Densifica-tion，SSD)1 14。这种工艺形成的表面致密化层厚度为 0. 2 1. 0mm，而密度梯度的范围从表面的孔隙度接近于 0 到一般零件心部的孔隙度为 10% ( 体积分数)11 14。SSD 是一种加工工艺，已成功地用于使高负载零件表面致密化。PMG 集团开发出了一种拥有专利的SSD 工艺DensiForm     ，是一种采用挤压( DensiForm     E) 或横向辗压( DensiForm     R) 的冷成形加工工艺。SSD 的最重

4、要应用是负载转矩的零件( 诸加齿轮) 与负载磨耗的链轮。这2 种零件在顶点或其表面稍下都遭受脉动应力，因此，主要是这些部位需要改进强度与耐磨性。本文阐述了手动变速器的螺旋齿轮与无声链条传动装置的直齿链轮的生产，特别是选择性致密化及所制备的材料性能和使用性能的数据。1 试验1. 1 链轮与螺旋齿轮的生产表面致密化齿轮与链轮( 图 3( a) 、( b) ) 都是用批量生产的水雾化钢粉生产的，钢粉是用 1. 50%( 质量分数) Mo 预合金化的，并且预混合了 0. 20%( 质量分数) 的石墨。2 种零件都是按照下列工序生产的:压制有余量的零件;烧结到约 90%理论密度;用横向辗压( Densi

5、Form R) 或挤压 ( Densi-Form E) 分别进行表面致密化;去毛刺;表面硬化;精加工。这 2 种零件都是在液压式压机上于 600 650MPa 下压制的。其中，在齿轮的生产过程中，用变速器从动连接器来旋转阴模零件10 12。烧结是将成形的零件生坯置于陶瓷板上，在标准的带式炉内，于吸热性煤气中 1120 下烧结 30min。要严格控制炉内的碳势，以使零件的含碳量接近初始水平。齿轮与链轮都是以冷却速率约 0. 2K/s，从烧结温度缓慢冷却，以形成铁素体-珠光体的显微组织。二者的烧结态零件的平均密度都很均匀，即心部的密度为 6. 98 7. 02g/cm3。烧结后，2 种零件都用 D

6、ensiForm     工艺进行了表面致密化。其中，齿轮是在控制圆形力的辗压机( 图 4( a) ) 上进行表面致密化的，而链轮是在精整压机上用挤压型工艺( DensiForm     E，图 4( b) ) 进行的表面致密化。前一种加工工艺是将有余量的烧结态齿轮置于 2 个配对的辗压工具轮之间的中心，当工具轮与齿轮接触时，逐渐施加负载，工具轮使齿轮表面致密化，一直进行到达到预定的中心距离，在文献10 14中对这些加工工艺进行过详细说明。链轮的表面致密化是用模具挤压进行的，见图 4( b)15。这种加工方法会产生

7、毛刺，可在挤压后除去。2 种零件在表面致密化加工后都要进行表面硬化处理，以使表面含碳量达到 0. 5%( 质量分数) 的水平。由于齿的弹性与回弹，辗压后会产生相当明显的挠曲变形，从而导致在齿的前、后断面产生齿廓与对中误差10。这些偏差都可用研磨除去，齿轮最后的品质与形貌和研磨的常规钢齿轮一样。在研的粉末冶金齿轮的品质为 DIN7 或更好。1. 2 金相表面致密化层的密度分布非常重要。因此，将齿轮与链轮在砂轮切割机上用专用夹具切割了垂直于齿廓的横断面。关于金相试样制备和致密化层的各种显微结构中孔隙的特征的鉴定方法，即孔隙的体积分数、孔隙的大小与取向可参见文献14。2 显微组织与性能2. 1 表面

8、致密化的齿轮图 5( a) 示表面致密化后，螺旋齿轮中的典型孔隙分布。致密化表面层( DSZ) 清晰可见。显然，用辗压工艺形成了实质性的密度梯度。在表面层接近全密度，而在深度约 1mm 处密度逐渐减小到了心部孔隙度的水平。相对密度与深度的关系如图 6( a)所示。辗压形成了一层接近全密度的表面层，即孔隙度 2% ( 体积分数) 的表面层，深度距离约达到300m。超出这个区域之外，观察到密度逐渐呈 S型减小，在深约 1mm 处开始拉平到心部密度水平，约 90%理论密度。而且，在左、右齿腹之间没有观察到明显差异。沿着对中方向测量了齿轮的表面品质，其和噪声产生关系最密切。研磨后，表面的粗糙度值 Ra

9、 1. 8m，这可与参照的常规钢齿轮相比拟16。在每一道加工工序之后，都在 3D-Mohr 齿轮测量机上测量了典型尺寸与齿轮误差。关于每一道加工工序之后齿轮品质的演变见文献10 12。2. 2 表面致密化的链轮链条链轮在选择性表面致密化之后齿中的孔隙分布如图 5( b) 所示。和螺旋齿轮一样，挤压会形成相当大的密度梯度，在深度达 0. 3mm 的表面层中密度 98%理论密度，而在深度约 1mm 处密度逐渐减小到了心部孔隙度的水平。相对密度与表面层深度的关系见图 6( b) 。可观察到密度的 S 型减小及孔隙度的分布与表面致密化的齿轮相同。而且，在左、右齿腹之间没有明显差异。用负载 1kg 的

10、Vickers 压痕仪测定了表面硬化链轮的硬度( 图7( a) ) 。图7( b) 示横穿齿横断面的硬度曲线。在链轮表面层的表观硬度超过了800HV1，这个硬度值相当于含碳量为0.5%( 质量分数) 的全马氏体常规钢的硬度。这个结果是惊人的，因为孔隙度为10% ( 体积分数) 的粉末冶金钢的 Vickers 硬度值很难超过350HV5。显微组织观察表明，在表面层实际上是孔隙度为0 与高含碳量和显微组织全部为马氏体相结合。相反地，心部的硬度在孔隙度为10%( 体积分数)与含碳量为0.2%( 质量分数) 下为300 400HV1，这位于常规的未致密化粉末冶金钢的硬度范围之内。3 使用性能结果3.

11、1 表面致密化齿轮粉末冶金齿轮和参照的常规钢齿轮的承载能力的研究都是在亚琛工业大学的 WZL( 机床与工具试验室) 的三轴总成的成对试验台架上进行的( 图 8( a) ) 。用可变中心距离进行控制，这种台架是在2 500rpm 下运行的。转矩是用扭转连接器和一加载杠杆施加的，将驱动转矩传输到固定有粉末冶金齿轮的中间轴。试验是在 60下，于 Castrol BOT 328 油中进行的。当发生损坏( 通过噪声级监控) 或运行 50× 106周( 于2 500rpm 下运行167h) 时试验终止。试验结果汇总于图 8( b) 。表面致密化与研磨后的粉末冶金齿轮的承载能力和形状相同的常规钢齿

12、轮位于同一范围之内。例如，施加的转矩为 340Nm( 相当于齿根应力为 700MPa) 时，齿轮因在 10× 106 50 × 106周之间齿根断裂而失效( 参见图 8( b) ) ，而齿腹未损坏和无点蚀痕迹，即在这个负载图中，齿轮是由于齿根的疲劳裂纹扩展，而不是因点蚀而失效。在变速器的工况下，在用户的试验台架上用研磨的粉末冶金齿轮与常规钢齿轮进行了补充试验16。采用的试验条件如下: 在 2 500rpm 下输入的转矩为 212Nm。粉末冶金齿轮和常规钢齿轮都顺利地通过了这种负载试验而没有失效。3. 2 表面致密化链轮将经过表面硬化处理的表面致密化链轮和未经表面致密化加工的参照零件，安装在用户的拥有专利权的链条驱动试验装置中，用无声链条进行了试验。在预定的时间间隔内中断，然后检验链与链条的磨耗性状。如图9( a) 所示，未经致密化加工的链轮磨耗非常严重，仅只经过预计的试验时间的 25%之后，就将所有的齿都磨没有了; 另一方面，经过表面致密化加工的链轮，在预计的试验时间间隔以内仍保持完好，齿腹的磨损几乎可忽略不计( 图9( b) ) 。4 结论本文叙述了 2 种典型粉末冶金零件的生产与性能，即用选择性表面致密化加工的螺旋齿轮与直齿