CN103071799A - 一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法，包括以下步骤：混料、粉末压制、烧结、喷丸、整形、热处理及质量检验。本发明方法加工的齿轮，实现了齿轮表面无孔隙，表面致密程度易于控制，减少调整次数，尺寸精度高，轮齿抗疲劳抗磨损能力提高，大大降低废品率，在降低了生产成本的同时，提高了齿轮的性能和质量。

Description

一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法。

背景技术

齿轮是依靠齿的啮合可靠且无噪声地传输转矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件(如另一齿轮、齿条、蜗杆、链条)传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。主要是需要在其表面或表面层具有高强度与耐磨性，比如，齿轮在运行过程中，主动轮与被动轮的齿面之间存在着大量的滚动接触，有时还加有一定量的滑动磨损。除了需要强度外，对于许多齿轮的应用，噪声低也是必须的。噪声的产生基本上决定于齿轮的尺寸公差、形貌及表面粗糙度。齿轮的几何形状或组件的不精确都会显著减低齿轮的使用寿命、降低承载能力及增强噪声的产生。

粉末冶金法制造齿轮是一种高效、精密、灵活的金属加工工艺，适于大批量低成本生产高强度、高精度公差的齿轮。大大减低了传统钢材机加工所导致的质量、性能，尤其是成本方面的劣势。当齿轮含有凹槽、通孔、台阶或者凸台时，粉末冶金工艺更显示出其优越性。

齿轮轮齿损坏机制主要分为以下六类：

1、齿面磨损。又称滚动接触疲劳，是指对于开式齿轮传动或含有不清洁的润滑油的闭式齿轮传动，由于啮合齿面间的相对滑动，使一些较硬的颗粒进入摩擦表面，从而齿的轮廓改变，侧隙加大，以至于齿轮过度减薄导致齿断。

2、齿面胶合。齿面胶合是指对于高速重载的齿轮传动中，因齿面间的摩擦力较大，相对速度大，致使啮合区温度过高，一旦润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，使得两齿轮的金属表面直接接触，从而发生相互粘结。

3、疲劳点蚀。疲劳点蚀是指相互啮合的两轮齿接触时，齿面间的作用力和反作用力使两工作表面上产生接触应力，由于啮合点的位置是变化的，且齿轮做的是周期性的运动，所以接触应力是按脉动循环变化的。齿面长时间在这种交变接触应力下作业，在齿面的刀痕处会出现小的裂纹，随着时间的推移，这种裂纹逐渐在表层横向扩展，裂纹形成环状后，使轮齿的表面产生微小面积的剥落而形成一些疲劳浅坑。

4、轮齿折断。又称齿根疲劳。是指在运行工程中承受载荷的齿轮其根部受到脉冲的周期性应力超过齿轮材料的疲劳期限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，当剩余部分无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质的不均匀也可能引起断齿。

5、齿面塑性变形。齿面塑性变形是指在冲击载荷或重载下，齿面容易产生局部的塑性变形，从而使渐开线齿廓的曲面发生变形。

6、对相接触零件的磨损。是指主动与从动齿轮不匹配时(比如，硬度相差太大、成分太接近等)，会对相配合使用的零件造成磨损或塑性变形，比如，较硬的齿面将较软的齿面上的部分材料沿滑动方向撕下而形成沟纹。

根据失效位置，以上齿轮轮齿损坏模式又可粗略划分为：(1)齿面失效；和(2)齿根失效。由于齿轮的失效绝大多数情况下是始于表面或者亚表面，其表面性能的提升就成了高性能齿轮开发的关键。粉末冶金齿轮若能实现表面致密(Surface Densification)，是应对以上失效模式最有效的手段。

粉末冶金齿轮的一大特点就是有一定的孔隙率。目前，去除孔隙率的方法主要有HIPPING(Hot-Isostatic Pressing，粉末材料的等静压缩，广泛地应用于高速工具钢的生产)或者PF(Powder Forging，粉末锻造，广泛应用于粉锻连杆、粉锻变速箱齿环、和市场占有率不高的粉锻齿轮)。粉末冶金表面致密齿轮(Surface-Densified PM Gears)对于产品密度有具体的要求。对于一个铁基的粉末冶金齿轮来说，轮齿的理论密度(即烧结后孔隙率是零)为7.8-7.9g/cm³，此理论值主要与所添加化学成分有关。一般生产中要求齿表面密度不低于7.5g/cm³(对应于的孔隙率大约为4％)。表面致密层厚度范围为0.1-0.5mm，绝大多数情况下厚度达到0.2mm即可。在远离齿表面的齿轮芯部的密度范围为6.7-7.3g/cm³。由于过大的密度差导致技术上的困难和废品率的升高，芯部的密度不宜远远低于7.3g/cm³。

国内外粉末冶金表面致密齿轮加工工艺：

粉末冶金表面致密齿轮的概念由来已久，近几年尤为活跃。然而，至今为止，有能力生产的只有几家欧美公司，而且，产量低，没能大规模占领市场。其主要原因是：1)现有工艺不够成熟，秘而不宣的废品率居高不下；2)现有工艺在性能、质量和成本方面优势不明显，在某些尝试的应用中甚至完全没有优势。然而，汽车工业界对此类产品的认可度高，求远大于供，急需技术上的突破。

国内外现在主要的加工方法有两种：

1)齿轮滚压技术(Gear Rolling)。

齿轮滚压技术一直被工业界称为“Selective Densification”，即“选择性的致密化“，其英文隐含的意义过于广泛、笼统。其实，就粉末冶金的行业现状而言，Selective Densification还没有超出齿轮表面致密的范畴。齿轮滚压技术所用的主动辗压齿轮又被称为Master Gear(工具齿轮)；烧结后的齿轮称为预齿轮；滚压后的齿轮称作样品齿轮。粉末冶金标准齿轮滚压工艺生产工艺流程如图1所示，该工艺已经广为流传，国内凡是尝试此工艺的公司无一不以失败告终。此工艺的头几道工序与常规粉末锻造工艺相同，混料是指金属粉末和非金属粉末混合均匀，经过压制后进行烧结，烧结后的预压件整形滚压是其特色，整形后进行热处理增加表面强度。

烧结后的齿轮进行滚压，使得粉末冶金齿轮具有更好的尺寸精度及表面光滑度，更重要的是产生了一个致密层。具体做法是，将有余量的预齿轮置于两个配对的工具齿轮之间的中心，当工具齿轮与预齿轮接触时，逐渐施加负载，工具轮使预齿轮表面致密化，一直进行到达到预定的中心距离，然后取消外力，样品齿轮的弹性变形消除，塑性变形就是要达到的目标，即，选择性地致密齿面。烧结的预齿轮密度最好是高于7.0g/cm³，否则，滚压时容易产生裂纹。此工艺的主要挑战有以下几点：1)研发过程复杂、漫长、昂贵，需要小批量机加工出尺寸不同但形状接近的预齿轮，以优化预齿轮的尺寸参数及表面致密化过程中的滚压工艺参数，待所有参数被优化后，再设计用于批量生产的模具；2)涉及的物理现象过于复杂，先进的有限元分析模拟手段难以应用；3)预齿轮在滚压过程中，容易出现“断齿”现象；4)技术不成熟。对主要工艺参数的控制要求超出了现有大规模生产工业水准，其表现方式之一是：材料储积(齿根余量Root Stock和齿面余量Flank Stock)在优化投产后需要进一步调整；5)需要投资购买滚压设备。

2)中模挤压表面致密生产工艺。

此工艺中与前一工艺的不同之处在于：1)去除了滚压工序；2)通过烧结后的整形工序实现表面致密，也就是说，通过中模的几何和物理特性实现致密化，如图2所示。

中模挤压表面致密的特点是，中模入口有5-6°的斜角，逐渐过渡到1-2°，在整形的下死点达到完全垂直，如图3和图4所示。烧结后加热预齿轮，并控制在750℃以内，内部微观结构没有从铁素体相变为奥氏体转化，中模的温度常常控制在50-80℃。此整形工艺是温锻的延伸，沿袭了温锻工艺中的所有挑战，包括闪边(即“飞边”，就是又粗又高的毛刺)、模具寿命短，中模磨损是主要失效模式，温控和生产节拍需要完全自动化等。

以上两个工艺的共同点是将表面致密及整形任务放在同一道工序中完成。这种加工方式的不足之处是：(1)不能很好的控制齿轮的弹塑性变形，在相同的位置上弹塑性变形量受许多因素的影响；(2)齿轮表面致密不均匀；(3)致密时容易产生预计不到的应力场；(4)在此加工工艺中齿轮的表面致密程度(指表面致密层厚度)难以控制。其结果是：废品率过高，目前的制造加工水平还没有办法精确控制众多有关参数。

发明内容

本发明设计了一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法，其解决的技术问题是：

(1)现有生产方法中不能很好的控制齿轮的弹塑性变形，在相同的位置上弹塑性变形量受许多因素的影响；

(2)现有生产方法中齿轮表面致密不均匀；

(3)现有生产方法中致密时容易产生预计不到的应力场；

(4)现有生产方法中在此加工工艺中齿轮的表面致密程度(指表面致密层厚度)很难控制。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法，包括以下步骤：混料、粉末压制、烧结、喷丸、整形、热处理及质量检验。

进一步，混料步骤中粉末混合物的各组分之间以及粉末与润滑剂之间混合均匀，达到松装密度的最大值。混料步骤中粉末混合物的各组分之间以及粉末混合物与润滑剂之间混合均匀，达到松装密度的最大值，松装密度最大值通常不超过3.2g/cm³；粉末混合物组分与润滑剂按照以下比例组成：纯镍粉质量百分比占0-2.5％；石墨质量百分比占0.1-0.3％、润滑剂质量百分比占0.15-0.75％以及余量的合金铁粉，其中合金铁粉中含有质量百分比为0.8-1.6％的钼和0-0.8％的镍。

总之，混合粉要充分考虑到粉末的性能稳定性、流动性、可压缩性、烧结导致的尺寸变化尽量小。

进一步，粉末压制步骤中通过压机来进行，压机可以是控制压力的油压机，也可以是控制位置的机械压机。

进一步，烧结步骤中采用还原气氛，烧结温度为1120℃-1230℃。

进一步，通过喷丸在预齿轮的表面形成一个致密层。

该粉末冶金表面致密齿轮生产方法与传统粉末冶金表面致密齿轮生产方法相比，具有以下有益效果：

(1)本发明方法加工的齿轮，实现了齿轮表面无孔隙，表面致密程度易于控制，减少调整次数，尺寸精度高，轮齿抗疲劳抗磨损能力提高，大大降低废品率，在降低了生产成本的同时，提高了齿轮的性能和质量。

(2)本发明涉及粉末冶金表面致密齿轮的生产方法，相对于其它表面致密齿轮生产中将致密与整形一步完成的方法，本发明将致密与整形工序分开，表面致密主要通过喷丸实现，在特殊情况下以整形中小范围的致密为辅，这种措施能够更好地控制几何形状精度及提高表面致密程度。

(3)本发明解决了现有滚压技术中的以下问题：1)废品率高；2)研发过程复杂、漫长、昂贵；3)物理想象复杂，无法有效地利用有限元分析模拟来指导实验，缩短研发周期和减小研发费用；4)预齿轮在滚压过程中，容易出现“断齿”现象；5)技术不成熟；6)需要投资购买滚压设备。

(4)本发明解决了解决了现有中模挤压技术中的以下问题：1)整形模具寿命短；2)闪边需要额外的加工工序去除；3)温控和生产节拍需要完全自动化。

附图说明

图1：现有粉末冶金标准齿轮滚压工艺生产工艺流程示意图；

图2：现有中模挤压表面致密生产工艺流程示意图；

图3：现有使用中模挤压表面致密法的中模结构示意图；

图4：图3的A-A剖视图；

图5：本发明粉末冶金表面致密齿轮生产方法流程示意图；

图6：本发明经过喷丸处理后齿轮的结构示意图；

图7：本发明经过喷丸处理后齿轮取样及试样剖视图；

图8：本发明表面致密化齿轮齿面中心的光学显微照片；

图9：本发明表面致密化齿轮齿面边角的光学显微照片。

1-中模；2-喷丸后的轮齿；3-整形后的轮齿；4-上冲头；5-下冲头；6-致密层；21-预齿轮；22-中模。

具体实施方式

下面结合图5至图9，对本发明做进一步说明：

如附图5所示，本发明专利的粉末冶金表面致密齿轮生产工序流程如下：

步骤10、混料。

混料的目的就是使粉末混合物的各组分之间以及粉末与润滑剂之间混合均匀，达到松装密度的最大值。

步骤20、粉末压制。

粉末压制也叫做粉末成形。目的是将松散的粉末压制成有一定强度，且几何形状接近于最终产品的预压件(又称为生坯)。

为了使生坯成形，模具里需要充填2.0-2.5倍齿轮高度的粉末，例如一个10mm高的直齿轮则需要装20-25mm高的粉末来压制成形。

步骤30、烧结。

烧结的前期是脱蜡，即把混料时混入的润滑剂(主要指蜡)去除，蜡的分解有两种办法，热分解和氧化。烧结达到的主要目的是：1)让石墨和铜扩散进铁的颗粒里面；2)铁粉颗粒之间形成结合，使得材料强度提升上百倍。烧结的高温区采用还原气氛，通常是含有还原作用的氢气以及起到保护作用的氮气。最常用的烧结温度是1120℃-1230℃。

步骤40、喷丸。

喷丸的目的是为了使齿轮表面致密，致密深度基本达到齿轮的工作要求，通常是0.1-0.3mm。喷丸即对轮齿表面区域施加很高的作用力，来消除脱蜡后压件内部孔隙，喷丸后压件的表面形成一个致密层如图6所示，致密层的深度和强度与喷丸的丸料介质、丸料尺寸、喷丸角度、丸料速度以及喷丸时间等因素有关。

本发明中齿轮经过喷丸工艺后，齿轮表面密度高于7.5g/cm³，表面致密层厚度为0.1-0.3mm。

如图7所示，实验通过对喷完后的齿面取样，将切出的试样，先磨光各表面，并镶嵌成金属试样，在光学显微镜下对喷丸后表面进行检测，图8为齿轮表面中部的致密层，可以看到，在距离表面0.15mm的范围内，孔隙率可以忽略不计；图9为齿面的边角，致密层的厚度约为0.20mm。

步骤50、整形。

整形是指在闭合模具组之后将夹紧力施加到上模具和下模具上。在整形中压缩样品齿轮，导致侧向流动，与整形模具实现配合。此工序的主要目的是修整齿轮的形状及提高表面粗糙精度，使其满足设计要求。本发明不同于任何已经存在的工艺之处，是将喷丸后的预齿轮放入整形压机的中模内进行整形。

此外，本发明也可以通过加大喷丸后预齿轮与中模具间的几何过盈，在更小的范围内实现进一步的致密(Localized Densification)，如图3和4所示。也就是说，在需要的情况下，可以对于样品齿轮的每个轮齿的一个非常小的范围(比如，样品齿轮的每个轮齿的齿面中间大约3mm的范围内)进一步进行局部致密。

举例说明，比如，烧结后的预齿轮，经过喷丸表面致密后，达到的致密层厚度0.20mm，只有齿面中高位置(即图3所示的A-A截面处)大约3mm范围内的致密厚度需要进一步加深到0.35mm。解决的办法是：将预齿轮的中高位置设计成有额外的齿面裕料，而其它无需进一步致密的位置的齿面裕料很少甚至没有裕料，在整形过程中，上冲头4将预齿轮从中模入口处，压入下死点，如图4所示，因为中模下死点的宽度远小于喷丸后预齿轮的中高齿宽度，轮齿的中高处在大约3mm的范围内的致密层厚度即从喷丸后的0.20mm增加到了整形后的0.35mm。

现有的中模挤压表面致密生产工艺能够实现表面致密，是因为齿轮被加热并控制在750℃以内，类似于温锻工艺，延续了温锻的某些优点和缺点。相比之下，本发明是在室温下在喷丸致密之后进一步在很小的一个范围内致密。这个需要进一步致密的范围越小，效果越明显。

步骤60、热处理及质量检验。

粉末冶金表面致密齿轮整形工艺结束后，需要对样品齿轮进行热处理及质量检验。

步骤70、包装。

本发明涉及粉末冶金表面致密齿轮的生产方法，相对于其它表面致密齿轮生产中将致密与整形一步完成的方法，本发明将致密与整形工序分开，这种措施能够更好地控制几何形状精度及提高表面致密程度。首先将不同成分和物理性能的粉末混合均匀，经由压机(可以是机械压机，也可以是液压机)将松散粉末压制成有一定强度的预压件，然后将预压件放入网带炉进行烧结。通过喷丸增强预压件的表面致密度，在烧结之后的粉末冶金齿轮表层形成一高密度(＞7.5g/cm³)致密层，厚度为0.10-0.30mm，这个致密层与现有工艺相比，1)受表面密度波动的影响可忽略不计；2)受齿形精度的影响可忽略不计。

更具有意义的是，而后的整形工序除了修整齿轮形状及提高齿轮表面粗糙度精度之外，可以实现进一步的当地致密(LocalizedDensification)。比如，由于齿轮的设计、工况等原因，齿轮的失效模式可能是齿面失效。那么，齿面的整形余量可以通过额外加大齿面余量的办法来实现，如图3和4所示。与此类似，齿根的失效模式可以通过额外加大齿根余量的办法来实现。然而，此整形工序同时加大齿面和齿根的致密厚度是不可取的，否则，就会出现类似于中模挤压表面致密生产工艺的挑战。

本发明的整形在需要当地致密时可以致密一个小范围，也可以是仅仅整形而不追求致密或者没有致密。“实现进一步的当地致密(Localized Densification)”是指在需要时在一个小范围内通过整形工序致密。整形无法在大范围内致密轮齿。

齿轮的齿面和齿根同时在整形工序中进行致密，就导致了“致密范围太大”，其结果是：1)中模受损；2)当地致密效果不明显或者没有致密效果。

喷丸致密对于某些要求表面致密的齿轮就无需进一步致密了，一般的整形工艺没有进一步致密即可。当发现喷丸达到的致密层厚度在一个小范围内不满足齿轮的疲劳性能要求时，可以再在整形时实现小范围的进一步致密。

最后进行热处理、测试检验产品质量、产品包装。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法，包括以下步骤：混料、粉末压制、烧结、喷丸、整形、热处理及质量检验。

2.根据权利要求1所述粉末冶金表面致密齿轮生产方法，其特征在于：混料步骤中粉末混合物的各组分之间以及粉末混合物与润滑剂之间混合均匀，达到松装密度的最大值，松装密度最大值通常不超过3.2g/cm³；粉末混合物组分与润滑剂按照以下比例组成：纯镍粉质量百分比占0-2.5％；石墨质量百分比占0.1-0.3％、润滑剂质量百分比占0.15-0.75％以及余量的合金铁粉，其中合金铁粉中含有质量百分比为0.8-1.6％的钼和0-0.8％的镍。

3.根据权利要求1所述粉末冶金表面致密齿轮生产方法，其特征在于：粉末压制步骤中通过压机来进行，压机可以是控制压力的油压机，也可以是控制位置的机械压机。

4.根据权利要求1所述粉末冶金表面致密齿轮生产方法，其特征在于：烧结步骤中采用还原气氛，烧结温度为1120℃-1230℃。

5.根据权利要求1所述粉末冶金表面致密齿轮生产方法，其特征在于：通过喷丸步骤在预齿轮的表面形成一个致密层。

6.根据权利要求1所述粉末冶金表面致密齿轮生产方法，其特征在于：整形步骤中，通过加大喷丸后预齿轮与中模具间的几何过盈，在预齿轮更小的范围内实现进一步的致密。

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