CN102091920B - 由粉末冶材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由粉冶材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法，它是将粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体压装后，利用激光焊接成整体后进行碳氮共渗和淬火热处理；所述利用激光焊接时，粉冶材料齿环与钢材料齿轮本体之间的有效焊缝深度h1≥1.8毫米；焊缝总深度h2为2.0-2.5毫米；焊缝宽度L为2.0-2.4；所述碳氮共渗和淬火热处理是无需进行热前清洗。本发明突破了粉末冶金材料的应用领域，为生产企业提供了一条降低生产成本的途径，而且填补了我国汽车行业粉末冶金零件与钢件激光焊接的空白。

Description

由粉末冶材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法

技术领域

本发明属于汽车零部件的生产加工方法，具体涉及一种汽车变速箱齿轮的加工方法。

背景技术

目前汽车变速箱齿轮总成的传统工艺是采用钢质材料经机加工方式完成制造，根据产品要求不同，分为齿轮和齿环整体设计、齿轮和齿环分体设计两种类型。对于分体设计的齿轮总成，一般采用焊接工艺连接齿轮和齿环，两个零件材料均为钢，化学成分接近，焊接工艺成熟，但传统工艺的钢件齿环制造成本高。粉末冶金材料的齿环具有生产成本低，强度高等特点。一般的粉末冶金零件步骤是：1、压制成型；2、烧结；3、浸油；4、切削；5、清洗；6、烘油；7包装。经过浸油或喷油的防锈工序，烘油后并不能完全消除粉末冶金零件中的油气、水气。

由于粉冶件和钢件焊接性能、强度以及密度(普通钢件密度为7.85g/cm3，粉冶件密度一般在7.3g/cm3以下)方面的差异，实现与钢件焊接的难度远远大于普通钢件之间的焊接而粉冶零件密度对焊接缺陷特别是气孔影响很大，低于一定密度的烧结材料焊后强度低，气孔多，将影响疲劳强度。

由于上述粉末冶金材料齿环与钢件本体之间的加工难度，因此，现有汽车变速箱齿轮的生产中没有利用粉冶材料齿环与钢材料齿轮本体结合焊接生产的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由粉末冶材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法，以解决上述问题。

本发明的技术方案为：由粉冶材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法，它是将粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体压装后，利用激光焊接成整体后进行碳氮共渗和淬火热处理；所述利用激光焊接时，粉冶材料齿环与钢材料齿轮本体之间的有效焊缝深度h1≥1.8毫米；焊缝总深度h2为2.0-2.5毫米；焊缝宽度L为2.0-2.4；所述碳氮共渗和淬火热处理是无需进行热前清洗。

所述粉末冶金材料齿环的密度控制在6.95g/cm³以上，粉末冶金材料齿环含碳质量为0.2-0.35％。

所述粉末冶金材料齿环内不含有油和水。

所述粉末冶金材料齿环的加工步骤是：(1)压制成型；(2)烧结；(3)干切削。

所述利用激光焊接间隙中，利用压缩空气对激光发生系统的末端镜片喷吹清洁。

本发明突破了粉末冶金材料的应用领域，由于粉末冶金零件的少切削、无切削、材料利用率高、制造成本低、适宜大规模生产等特点，本发明不仅为生产企业提供了一条降低生产成本的途径，而且填补了我国汽车行业粉末冶金零件与钢件激光焊接的空白，为拓展粉末冶金零件的应用领域及降低我国汽车零部件制造成本方面提供了非常有参考价值的经验。

附图说明

图1本发明齿轮的结构示意图。

图2本发明焊接焊缝结构示意图。

图3表面气孔图。

图4内部气孔图。

图5内部多个气孔图。

图6表面裂纹图。

图7贯穿焊缝的裂纹图。

图8熔池底部的裂纹图。

图9熔池内部的裂纹图。

图10粉冶齿环孔隙形态图。

图11碳氮共渗之后白色的富镍奥氏体区图。

图12本发明生产的产品。

具体实施方式

如图1所示，焊接后的粉冶材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮结构示意，钢材料齿轮本体1(从动齿轮)的轴上套设粉冶材料齿环2，焊缝3如图2所示，图中h1是有效焊缝深度；h2是焊缝总深度；L是焊缝宽度；a或b是焊缝偏离。4为结合面。

采用粉末冶金材料齿环与钢质齿轮进行激光焊接，而粉末冶金材料激光焊接技术目前在粉末冶金材料领域的研究和应用十分有限，尤其对粉冶材料与钢件的激光焊接技术尚处在研究阶段，没有可借鉴的经验。由于粉末冶金零件细微颗粒间存在孔隙，在激光焊接中极易在焊缝处出现表面与内部缺陷，这些都是传统钢件加工齿轮总成没有遇到的缺陷，在我们利用激光焊接的方法进行试制过程中，出现过的主要缺陷形式有气孔(如图3，4，5)和焊接裂纹(如图6，7，8，9)等。

焊接后在同一种热处理工艺后，要保证粉冶齿环和钢件齿轮各自的性能要求。

以上两点要求，对齿环的变形、材料的合理选择及后续的激光焊接、热处理工艺都是一项挑战，我们只有通过大量的工艺验证试验和粉冶材料性能调整才能确定粉冶件和钢件焊接、热处理的可行性，这是本发明的前提条件，也是执行阶段难度最大的工作。

经过我们不断的摸索，提出低碳粉末冶金原材料的齿环(简称粉冶齿环)：Fe+Cu+Ni+Mo+C，密度控制在6.95g/cm³以上，粉冶齿环含碳质量控制在0.2-0.35％。

粉冶齿环的的加工步骤是：(1)压制成型；(2)烧结；(3)干切削；工艺要求与现有的粉冶齿环(粉冶零件)的要求相同，取消现有粉冶齿环(粉冶零件)加工过程中的浸油、清洗和烘油等步骤，保证粉冶齿环内不含有油和水。

在进行激光对粉冶材料齿环与钢材料齿轮本体进行焊接前，只对钢材料齿轮本体进行水洗，并干燥。

压装：将齿环和齿轮通过压床压装确保配合尺寸合格，固定焊接位置，使它们之间过盈配合。

焊接时，激光发生器的功率为1085-1335瓦，工件转速12rpm，零件旋转角度365--370°，焊接时的氩气保护气体的压力为0.6-0.8MPa；焊接时的焊缝的要求是：有效焊缝深度h1≥1.8毫米；焊缝总深度h2为2.0-2.5毫米；焊缝宽度L为2.0-2.4毫米；如图2所示。

上述焊缝参数是我们投入大量尽力摸索创造得到的。

焊接过程中，为了保证零件质量，尤其是有效焊深直接关系到零件的抗扭能力，需要靠设备的可靠和稳定性来保证，必须在利用激光焊接间隙中，利用压缩空气对激光发生系统的末端镜片喷吹清洁。

焊接后的热处理：

现有的变速箱齿轮都需要进行碳氮共渗+淬火热处理强化后才能满足其使用性能。工艺过程包括：1、热前清洗；2、预氧化；3、升温；4、碳氮共渗；5、等温淬火；6、热后清洗。

通过对比试验表明，齿环含水会提高热处理后的裂纹率，因此取消总成零件碳氮共渗和淬火热处理前的清洗工序，即碳氮共渗和淬火热处理是无需进行热前清洗；能有效避免焊缝裂纹的产生。零件的清洁度靠焊接前清洗工序保证。

热处理工艺参数如下表：

热处理技术要求

粉末冶金件碳氮共渗之后，零件内部分布着大量的软点。软点主要包括表面孔隙和次表层孔隙(如图9)以及金相组织中的富镍奥氏体(如图10)。软点将导致硬度测试数据不准确。考虑变速箱齿环的主要功能是传递扭矩，对齿面的磨损要求不高，因此对热处理后粉冶齿环只定义芯部硬度，保证零件的强度要求，取消层深检测要求。

粉冶齿环芯部硬度要求：HV390±70。

上述加工的齿轮满足3000Nm的最小破坏力矩。焊缝在热处理后的裂纹率为0。如图12所示。

本发明粉冶无屑加工齿环、齿环齿形直接成型，然后激光焊接粉冶齿环和钢件齿轮构成齿轮总成，再进行齿轮总成碳氮共渗和淬火热处理。该工艺方法生产出来的齿轮总成满足在汽车变速箱内传递扭矩的功能要求。

Claims (6)

1.一种由粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法，它是将粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体压装后，利用激光焊接成整体后进行碳氮共渗和淬火热处理；所述利用激光焊接时，粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体之间的有效焊缝深度h1≥1.8毫米；焊缝总深度h2为2.0—2.5毫米；焊缝宽度L为2.0—2.4毫米；所述碳氮共渗和淬火热处理是不进行热前清洗。

2.如权利要求1所述由粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法，其特征在于所述粉末冶金材料齿环的密度控制在6.95 g/cm³以上，粉末冶金材料齿环含碳质量为0.2-0.35%。

3.如权利要求1所述由粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法，其特征在于所述粉末冶金材料齿环内不含有油和水。

4.如权利要求1或3所述由粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法，其特征在于所述粉末冶金材料齿环的加工步骤是：（1）压制成型；（2）烧结；（3）干切削。

5.如权利要求1所述由粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法，其特征在于所述利用激光焊接间隙中，利用压缩空气对激光发生系统的末端镜片喷吹清洁。

6.如权利要求1所述由粉末冶金材料齿环与钢材料齿轮本体结合的汽车变速箱齿轮的加工方法，其特征在于所述热处理后，粉末冶金材料齿环芯部硬度要求：HV390±70。

Images