CN100441711C

CN100441711C - 高强度粉末冶金伞齿轮的制造方法及用于该方法的渗铜剂

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Publication number: CN100441711C
Application number: CNB200610041163XA
Authority: CN
Inventors: 宋永盛; 高瑞华; 汤春华; 宋永刚
Original assignee: HAIMEN CHANGLE POWDER METALLURGY FACTORY
Current assignee: HAIMEN CHANGLE POWDER METALLURGY FACTORY
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2026-08-09
Also published as: CN1908211A

Abstract

本发明公开了一种高强度粉末冶金伞齿轮的制造方法及用于该方法的渗铜剂。将铁粉经配料、搅拌混合均匀后，在粉末冶金压机上的专用模具中压制成形，经烧结炉渗铜烧结，再经后处理可制成高强度伞齿轮。该方法采用渗铜烧结，渗铜剂的重量百分组成为羰基铁粉3～5%，Ni 0.7～1%，Zn 3～5%，其余为Cu。采用所述的无渣渗铜剂，产品表面没有残留任何铜渣或是蚀坑，在提高密度和强度的同时，不会降低伞齿轮的精度。本发明制造的伞齿轮具有密度大，强度高，齿形精度高的特点。产品密度≥7.7g/cm³，横向断裂强度大于1200MPa，精度6级，性能达到国外同类产品先进水平。

Description

高强度粉末冶金伞齿轮的制造方法及用于该方法的渗铜剂

一、技术领域

本发明涉及一种粉末冶金零件制造工艺，尤其是涉及一种高强度粉末冶金伞齿轮的制造方法及用于该方法的渗铜剂。

二、背景技术

伞齿轮是轻型机械齿轮箱中的关键零件之一，影响整机传动效率和使用寿命，对其强度和精度要求高。伞齿轮原来一般采用煅压/摆压工艺生产，工艺及装备复杂，材料利用率低，生产成本高昂。粉末冶金工艺由于其技术上的优势，已在零件制造上得到广泛的应用。为降低制造成本，国内厂家开始采用粉末冶金方法生产伞齿轮。1991年天津市机械研究设计院铸煅研究所“高精度粉末冶金齿轮”项目，包括粉末冶金制造异形圆柱齿轮、小伞齿轮等，采用金属粉末添加其他合金材料，经压制、烧结、整形，再经少量机加工及表面处理而成，其密度6.4g/cm³～6.84g/cm³，烧结强度250～350MPa，精度8级。名称为“高强度粉末冶金伞齿轮的制造方法”的发明专利申请(申请号200410024924)披露了一种伞齿轮制造方法，以铁钼预合金粉为基粉，再加入镍粉、石墨粉和润滑剂等辅料，经混料、压制、烧结、淬火步骤制成，产品密度7.21g/cm³。普通粉末冶金工艺生产的伞齿轮，成品密度低，尤其是齿部密度低引起烧结变形，造成齿轮精度低，产品一致性和互换性差，不适合批量生产；且产品强度低，齿面光洁度差。在粉末冶金工艺中采用熔渗烧结工艺，用熔点较低的金属或合金熔化后渗入烧结件或压坯孔隙中，使粉末冶金零件的密度、强度、伸长率、硬度和冲击韧性有较大的提高。但是在伞齿轮的制造方法上，尚未有采用熔渗烧结技术的报导；而且铁基粉末冶金零件通常可以采用铜或铜合金作为熔渗材料，但熔渗材料一般会在产品表面留有残渣或蚀坑，影响伞齿轮的精度。

高强度粉末冶金伞齿轮的生产技术为少数国外大型粉末冶金公司及台湾保来得等公司所垄断，这些公司只提供产品，并未公开披露其制造方法。我国粉末冶金行业虽然通过不懈努力有了较快的发展，但总体水平与国际先进水平相比仍然存在较大差距，特别是在高密度、高精度、高强度粉末冶金零件的生产技术上受到限制，高性能零件无法批量生产，大多只能依赖于进口。

高强度粉末冶金伞齿轮主要应用于电动工具中，电动工具需求的快速增长给高强度粉末冶金伞齿轮带来巨大的市场机会。进口件价格高昂，抬高了产品成本，造成主机产品价格高，缺乏市场竞争力。而机械加工方法和普通粉末冶金工艺生产的伞齿轮，由于产品强度和精度的影响，无法匹配主机性能和寿命上的要求。国内粉末冶金行业迫切需要自主开发高强度粉末冶金伞齿轮的生产技术，实现高强度粉末冶金伞齿轮的批量生产，提供质优价廉的进口件的替代产品。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种高强度粉末冶金伞齿轮的制造方法，在保持产品精度的前提下，克服普通粉末冶金方法成品密度低、强度差的缺点，提高产品的密度和强度；同时提供一种粉末冶金工艺中使用的无渣渗铜剂，解决渗铜烧结在产品表面留有残渣或蚀坑的缺陷，实现无渣渗铜烧结。

本发明方法能够实现粉末冶金伞齿轮的工业化批量生产，产品具有高密度、高精度、高强度的特点，性能达到国外同类产品先进水平。

本发明公开了一种高强度粉末冶金伞齿轮的制造方法，简单地说，将铁粉经配料、搅拌混合均匀后，在粉末冶金压机上的专用模具中压制成形，经烧结炉渗铜烧结，再根据要求进行后处理，制成高强度伞齿轮。

本发明采用的技术方案如下：

一种高强度粉末冶金伞齿轮的制造方法，采用铁粉为原料，包括配料、搅拌混合、压坯成形、烧结、后处理步骤，其特征在于采用无渣渗铜剂进行渗铜烧结，该渗铜剂的重量百分组成为羰基铁粉3～5％，Ni 0.7～1％，Zn 3～5％，其余为Cu。

为实现本发明，所述的铁粉可以采用现有的各种标准和牌号的还原铁粉、雾化铁粉或预合金粉末等，根据零件材质要求添加合金元素铜、镍、钼等，根据要求进行配比，并添加石墨、润滑剂等辅料。为了达到产品强度高、精度高和稳定性好等要求，较优的方案是选用水雾化铁粉为基粉，添加含有Cu、Ni、Mo等合金元素的超细粉末及经气体研磨的超细人造石墨粉和润滑剂，在进行微合金化的同时无偏析混合，以保证良好的成份均匀性和合金化效果。比如选用美国金属粉末工业联合会MPIF FD0205材料配方的水雾化铁粉，将重量百分比分别为Cu1.5～2％、Ni 1.7～2％、Mo 0.5％的合金元素及辅料碳0.6～0.7％、微蜡粉0.3％与水雾化铁粉混合，其中的碳元素为经过气体研磨的超细石墨粉，加入V型混料机中，均匀混合15分钟。这种铁粉配方压制性能好，在此基础上渗铜，产品具有烧结尺寸稳定，强度高，耐磨损等特点。

配料、混合后的原料粉末在粉末冶金压机上的专用模具中压制成形，粉末由松散结合变为机械咬合，压坯密度在6.4g/cm³～7.0g/cm³。

本发明为了得到高密度、高强度的伞齿轮，采用渗铜烧结工艺。压坯在烧结炉内烧结后，粉末冶金零件由机械咬合转化为金属结合。烧结是粉末冶金最基本的工序之一，对粉末冶金零件最终的物理和力学性能起着决定性的作用。在烧结过程中，除发生粉末颗粒之间的冶金结合外还发生各成分之间的合金化作用，铁粉压坯经过烧结后其强度和伸长率大幅度地提高。粉末冶金工艺中采用熔渗烧结工艺，即用熔点较低的金属或合金熔化后渗入烧结件或压坯孔隙中，能使粉末冶金零件的密度、强度、伸长率、硬度和冲击韧性有较大的提高。

粉末治金中采用渗铜工艺，必须使粉末治金熔渗材料与基材在高温下等温，当等温温度高于渗铜剂的熔点时，渗铜剂开始熔化并渗入到基体的孔隙中。现有的渗铜方法采用普通铜或者铜合金作为渗铜材料，在渗铜烧结后，产品表面不可避免地会留有铜渣或是蚀坑。对产品表面留有的铜渣或是蚀坑的处理，会增加工艺的复杂性，更为严重的是会影响伞齿轮的精度。

依据本发明的粉末冶金伞齿轮的制造方法，采用一种新的Cu-Fe-Ni-Zn渗铜剂，其重量百分比组成为Fe 3～5％，Ni 0.7～1％，Zn 3～5％，其余为Cu；其中的铁为羰基铁粉。所述的Cu-Fe-Ni-Zn无渣渗铜剂，和基体材料的润湿性好，且不和基体中的Fe等互溶，在烧结后，产品表面没有残留任何铜渣或是蚀坑，渗铜剂全部渗入压坯基体的空隙中，在提高产品的密度和强度的同时，不会降低伞齿轮的精度。其中添加的羰基铁粉，是为保证生坯烧结时的轴向及径向变化率接近于零，将产品烧结时的齿部变形降到最低，最大限度地保持伞齿轮成品的齿形精度。

烧结步骤首先在420℃～780℃范围内进行脱脂，然后在1125℃～1130℃范围内进行高温渗铜烧结。为确保良好的熔渗效果，可以延长烧结时间。烧结可以在氮气或分解氨等气氛下进行。

烧结后制得的伞齿轮可以根据需要进行后处理，比如热处理或表面硬化处理等，以达到强度和硬度的要求，油浸后即制成高强度粉末冶金伞齿轮成品。

本发明还公开了一种用于粉末冶金伞齿轮制造方法中的渗铜剂，所述的渗铜剂的重量百分组成为羰基铁粉3～5％，Ni 0.7～1％，Zn 3～5％，其余为Cu。

依据本发明所制造的高强度粉末冶金伞齿轮，采用高效无渣渗铜烧结工艺，具有密度大，强度高，齿形精度高的特点，产品密度≥7.7g/cm³，横向断裂强度大于1200 MPa，精度6级，性能达到国外同类产品先进水平。突破了现有粉末冶金生产伞齿轮的限制，填补了国内高强度粉末冶金伞齿轮生产技术的空白。其产品性能与国内和国外同类产品的对比见表一。

表一本发明产品与国内和国外同类产品性能对比

性能指标	现有产品	国外同类产品	本发明产品
性能指标	现有产品	国外同类产品	本发明产品	密度g/cm<sup>3</sup>	6.95	7.7	7.70～7.85
硬度HRB	85	96	95～98	密度g/cm<sup>3</sup>	6.95	7.7	7.70～7.85
硬度HRB	85	96	95～98	冲击功 J	12	12	19～20
抗拉强度MPa	350	540	564～580	冲击功 J	12	12	19～20
抗拉强度MPa	350	540	564～580	横向断裂强度MPa	980	1250	1285～1310
伸长率％	0.9	1.1	1.2～1.8	横向断裂强度MPa	980	1250	1285～1310
伸长率％	0.9	1.1	1.2～1.8	齿形精度	9级	6级	6级

依据本发明的无渣渗铜剂，在粉末冶金工艺中渗铜烧结后，产品表面没有残渣或蚀坑的缺陷，实现无渣渗铜烧结。

依据本发明实现工业化批量生产，一次压制烧结得到高强度粉末冶金伞齿轮，完全可以替代国外进口产品，广泛应用于电动工具等轻型机械齿轮箱等领域中，能极大地降低成本，提高产品性能和使用寿命，具有良好的经济效益和市场前景。

下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。本发明的范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求的范围加以限定。

四、具体实施方式

实施例一

实施例一按本发明的方法制造高强度粉末冶金伞齿轮。

选用水雾化铁粉，并按如下比例加入合金元素和辅料进行配料：按重量百分比计，Cu 1.6％、Ni1.8、Mo0.5、C 0.7％、微蜡粉0.3，其余为水雾化铁粉。将上述原料装入V型混料机中进行混合搅拌，搅拌时间为15分钟。混合后，在粉末冶金压机上的伞齿轮专用模具中压制成形，压坯密度在6.8g/cm³～6.9g/cm³。

将压坯放入烧结炉内，采用Cu-Fe-Ni-Zn无渣渗铜剂进行高温渗铜烧结，渗铜剂含(重量百分比)羰基铁粉3.5％，Ni 0.9％，Zn 4.5％，其余为Cu。烧结先在420℃～780℃范围内进行脱脂，然后在1125℃～1130℃范围内进行高温渗铜烧结，烧结时间为50分钟。

烧结后的伞齿轮油浸后即制得成品。

实施例二至四为实现无渣渗铜剂的具体实例。

实施例二

渗铜剂为按如下重量百分比制成的合金，其中羰基铁粉3％，镍0.7％，锌3％，其余为铜。

实施例三

渗铜剂为按如下重量百分比制成的合金，其中羰基铁粉5％，镍1％，锌5％，其余为铜。

实施例四

渗铜剂为按如下重量百分比制成的合金，其中羰基铁粉4％，镍0.8，锌4％，其余为铜。

Claims

1、一种粉末冶金伞齿轮的制造方法，采用铁粉为原料，包括配料、搅拌混合、压坯成形、烧结、后处理步骤，其特征在于采用渗铜剂进行渗铜烧结，该渗铜剂的重量百分组成为羰基铁粉 3～5％，Ni 0.7～1％，Zn 3～5％，其余为Cu。

2、根据权利要求1所述的粉末冶金伞齿轮的制造方法，其特征在于所述的铁粉原料为水雾化铁粉，添加Cu、Ni和Mo元素的粉末及石墨粉和润滑剂。

3、根据权利要求2所述的粉末冶金伞齿轮的制造方法，其特征在于所述的水雾化铁粉中，添加重量百分比为1.5～2％Cu、1.7～2％Ni和0.5％Mo的金属元素及0.6～0.7％石墨粉和0.3％微蜡粉。

4、根据权利要求1所述的粉末冶金伞齿轮的制造方法，其特征在于压坯成形后，压坯密度在6.4g/cm³～7.0g/cm³。

5、根据权利要求1所述的粉末冶金伞齿轮的制造方法，其特征在于烧结步骤首先在420℃～780℃范围内进行脱脂，然后在1125℃～1130℃范围内进行高温烧结。

6、根据权利要求5所述的粉末冶金伞齿轮的制造方法，其特征在于烧结步骤在氮气或分解氨气氛下进行。

7、一种实施权利要求1所述方法的渗铜剂，所述的渗铜剂的重量百分组成为羰基铁粉 3～5％，Ni 0.7～1％，Zn 3～5％，其余为Cu。