CN103084576A

CN103084576A - 一种密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法

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Publication number: CN103084576A
Application number: CN2013100219211A
Authority: CN
Inventors: 刘福平
Original assignee: SHANDONG XINYI POWDER METALLURGY CO Ltd
Current assignee: SHANDONG XINYI POWDER METALLURGY CO Ltd
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-22
Also published as: CN103084576B

Abstract

本发明涉及一种密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法，包括以下步骤：步骤1、混料，即将以下组分进行混合均匀：水雾化的铜粉，颗粒大小在10-25μm之间，加入量占总重量的2.3％-2.7％；石墨，占总重量的0.4％-0.7％；硫化锰，加入量占总重量的0.0％-0.5％；同时在混料后期，加入占总重量的0.5％-0.9％的润滑剂；其余成分是水雾化铁粉；步骤2、粉末压制；步骤3、称重；步骤4、预烧结；步骤5、喷丸密封；步骤6、烧结；步骤7、锻造；步骤8、去闪边；步骤9、抛丸强化；步骤10、磨双面。本发明所生产出的连杆有足够高的硬度和强度，根除了粉锻连杆经常出现的氧化物穿入、氧化物网络及完全脱碳层，不需要额外的热处理，比如淬火、退火，就能够满足在汽车发动机中的应用条件要求。

Description

一种密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法

技术领域

本发明涉及一种密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法。

背景技术

连杆是汽车发动机中承受应力最大的零件，重量为0.4-1.7kg。德国、日本、美国、等先后在汽车中使用粉末锻造连杆。例如，美国GKN公司生产Porsche928赛车V-8发动机上使用的高性能粉末锻造连杆是采用预合金化低合金钢粉末，其成分为：0.3％-1.4％Mn，0.1％-0.25％Cr，0.2％-0.3％Ni，0.25％-0.35％Mo，并加入石墨使锻件含碳量达到0.35％-0.45％，且要求连杆杆部截面最薄部分的理论密度达到99.8％以上，抗拉强度达到830-1420MPa。同时，为了进一步提高连杆的疲劳寿命，还对连杆表面进行喷丸硬化处理。

粉末锻造连杆的显微组织均匀，且力学性能优于传统的模锻连杆。粉末锻造工艺特别明显的改善了连杆的疲劳强度。连杆的粉末锻造工艺与普通模锻工艺相比，其生产工序减少，从而使工艺流程缩短。它的基本生产工艺流程为：预合以铁粉为主的配料→混料→预压制成生坯→烧结→闭模式热锻→喷丸强化。

发明内容

本发明设计了一种密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法，其解决的技术问题是现有方法所生产出的连杆根除了粉锻连杆经常出现的氧化物穿入、氧化物网络及完全脱碳层，改进了连杆的性能、提高了产品质量、降低了废品率、降低了生产成本。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法，包括以下步骤：步骤1、混料，即将以下组分进行混合均匀：水雾化的铜粉，颗粒大小在10-25μm之间，加入量占总重量的2.3％-2.7％；石墨，占总重量的0.4％-0.7％；硫化锰，加入量占总重量的0.0％-0.5％；同时在混料后期，加入占总重量的0.5％-0.9％的润滑剂；其余成分是水雾化铁粉；步骤2、粉末压制；步骤3、称重；步骤4、预烧结；步骤5、喷丸密封；步骤6、烧结；步骤7、锻造；步骤8、去闪边；步骤9、抛丸强化；步骤10、磨双面。

进一步，步骤1中混合工序要满足以下指标：1)松散密度要在2.7g/cm³-3.1g/cm³，粉末流动速度的要求是50g标准试样流过标准的Hall流量计不能超过38秒。

进一步，步骤2中使用的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，步骤2成型达到的密度是6.1-7.1g/cm³。

进一步，步骤3中称重包括对连杆预压件各个部分进行无损式称重。

进一步，步骤10之后还包括步骤11、质量检验和步骤12、包装。

本发明涉及一种密封表面的粉末冶金热锻连杆生产工艺。首先将不同成分和物理性能的粉末混合均匀，经由压机将松散粉末压制成有一定强度的预压件，然后，经过称重，将重量满足要求的预压件放入网带炉进行预烧结，利用网带炉将混料时混入的润滑剂烧掉。通过喷丸密封预压件的表面，在脱蜡之后和烧结之前的粉末冶金生坯表层形成一高密度层，而后通过烧结工序提升生坯材料强度并随后直接达到热锻的最佳状态，由机械手将烧结后预压件取出并送至热锻机模架上，通过单击锻造达到所需各项指标。通过机械加工的方式去掉锻造后形成的闪边，然后经过抛丸强化，去掉锻造零部件表面氧化层的同时，在表面形成一个压应力层，最后经过磨双面、质量检验两道工序，在连杆合格且完成包装后，结束此连杆生产工艺。

该密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法与现有的生产方法相比，具有以下有益效果：

(1)本发明所生产出的连杆有足够高的硬度和强度，不需要额外的热处理，比如淬火、退火，就能够满足在汽车发动机中的应用条件要求。

(2)工艺性能好。由于粉末成形的特性使得其成形工艺性能好，这对各种复杂形状锻件的成形是很有利的；

(3)锻件尺寸精度高。由于粉末锻造坯料的加热是在保护气氛中进行的，因此可获得尺寸精度较高且表面质量较好的锻件；

(4)力学性能好。经粉末锻造工艺生产的零件，由于能较好地控制原料粉末的粒度，使得锻件基体中的晶粒细小和无偏析，根除了负面影响连杆抗疲劳性能的缺陷，包括，氧化物穿入、氧化物网络及完全脱碳层，使连杆的疲劳强度获得明显的提高；

(5)机械加工的刀具寿命长。原因是材料的可加工性强；

(6)生产率提高及产品成本降低。粉末锻造使生产工序大大减化，材料的利用率和产品加工精度提高，因此，可节约材料的成本和节省切削加工工时，在提高生产率和降低产品成本方面有较大的优势。

附图说明

图1：本发明密封表面的粉末冶金热锻连杆生产流程图。

具体实施方式

下面结合图1，对本发明做进一步说明：

如附图1所示，此发明专利的粉末冶金热锻连杆生产工序流程如下：

OP10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。混入的粉末分以下几类：1)水雾化的铜粉，颗粒大小在10-25μm之间，加入量占总重量的2.3％-2.7％；2)石墨，占总重量的0.4％-0.7％；3)帮助提升加工性能的硫化锰，加入量占总重量的0.0％-0.5％；4)同时在混料后期，加入占总重量的0.5％-0.9％的润滑剂，其余的是水雾化铁粉。混合工序要满足以下指标：1)松散密度要在2.7g/cm³-3.1g/cm³，粉末流动速度的要求是50g标准试样流过标准的Hall流量计不能超过38秒。

水雾化的铜粉的作用：1)固熔硬化铁基材料；2)有助于烧结，即，在烧结温度下熔化，起到液相烧结的作用。

石墨的作用：石墨中的碳在烧结温度下扩散进入铁粉颗粒，烧结后使得材料含有珠光体，硬度和强度有所提高。碳在铁基材料中存在，是强化铁基材料最有效、低成本、性能稳定的方式。

硫化锰的作用：1)增加材料的可加工性；2)提升材料的可胀断性；3)通过控制硫化锰的颗粒尺寸和分布，可以控制胀断断面的粗糙度。

润滑剂的功能：与铁粉混合后，1)将大大降低压粉时模具与铁基混合料的摩擦力，减小模具磨损；2)增加烧结前预压件的生坯强度；3)改善铁基混料的流动性，增强压粉时中模填充的一致性和均匀性。

润滑剂是有机物，化学成分是C_xH_yO_z，看上去象是白色的蜡粉，比重小。可以通过高温和氧化气氛分解为气体(CO₂，CO，H₂O)，实现脱蜡。压粉后，润滑剂不再需要存在，也无法存在。润滑剂假如不在预烧结过程中去除，就会有以下弊端：1)在后续的高温烧结中对于气氛提出更加苛刻的要求；2)生坯中的润滑剂不允许做表面的喷丸或者抛丸处理，否则，喷丸会损坏生坯；或者在随后的烧结加热区发生生坯爆裂。

水雾化容易得到需要的金属粉末颗粒尺寸和形状、成本低、性能稳定、技术成熟。

OP20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的预压件，预压件的形状和尺寸与最终锻造后的压件在重量、尺寸和几何特征上接近，连杆的大头和小头重量要严格控制在±2g之内。成型使用的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。粉压中使用了中模，有上下数个冲头和芯棒。最终成形压制的预压件理想的材料分布，要使得锻造工艺更加成功，防止锻造中因为预压件的参数不理想而导致锻造缺陷。成形达到的密度是6.1-7.1g/cm³。

OP30称重

重量的分布和重量的一致性对连杆产品至关重要。锻造后连杆的重量一致性指的是同一型号的连杆各重量偏差严格地控制在规定的范围内。重量的分布合理指的是在一个连杆以内合理，连杆的各部分重量合理分布并符合标准。在本发明提出的工艺中，预压件有一个无损称分重的工序，不满足分重要求的直接淘汰，如果废品太多则需调整成形参数。

OP40预烧结

此工序在一个网带炉上实现，这道工序实现三个目的：脱蜡、还原和增加强度。脱蜡是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。本发明所使用的网带炉分成三段：1)氧化气氛脱蜡；2)高温区通过加入2％-12％的氢气还原包在每个铁粉颗粒表面的氧化层；3)冷却至室温。在脱蜡炉中实现的扩散很有限，但消除了内应力，强度增加了20倍以上，便于后续工序传递接触。脱蜡炉最高温度700℃-1100℃，炉内气氛包括氮气和氢气。

OP50喷丸密封

脱蜡后预压件有13％-18％的孔隙率，这些空隙在后续会引起脱碳和氧化，附图1中OP50的作用就是通过喷丸密封表面，使得空气中的氧气和水蒸汽无法进入预压件里面，在后续的高温处理中氧化深度降低了50％以上，脱碳深度降低了70％以上，完全脱碳层低于0.01mm。相关参数，喷丸密封的强度为Almen A0.1-0.3mm，完全覆盖。没有喷丸密封的粉末冶金连杆生产工序虽然也能在锻后实现表面致密，但会在表面下面残留氧化物网络和氧化物穿透，有明显的完全脱碳层。

OP60烧结

烧结达到的目的是让石墨和铜扩散进铁的颗粒里面，然后铁粉颗粒之间形成结合，使得材料强度提升上百倍。高温烧结炉分三个区域；加热区、高温区和随后的锻造温度稳定区。高温烧结中采用还原气氛，相当于含有8％-15％的氢气及起保护作用的氮气。烧结温度是1120℃-1345℃，烧结结束后的预压件，由机器手取出直接送到热锻模具架上。

OP70锻造

锻造的目的是通过一次冲击达到准确尺寸、微观结构、材料有利的流动，同时又能避免各类缺陷的产生，完全消除粉末冶金烧结后的孔隙。锻造模具温度控制在150℃-250℃之间，用喷淋的办法润滑模具，并冷却保持住模具温度。锻造达到的理论密度不低于7.80g/cm³。锻造后的连杆可以控制冷却速度达到室温，也可以自然冷却不加以控制。

OP80去闪边

因为锻造中使用了中模，完全致密的结果是有纵向闪边(也称之为飞边)，下道工序是通过机械加工的办法去掉闪边。去闪边的方法有很多，在粉末冶金锻造中不是很重要的工序。原则上是把闪边去掉的同时又不对重量分重和总重的一致性产生负面影响。

OP90抛丸强化

抛丸的目的：一是去除锻造零部件表面的氧化层，二是在表面产生一个压应力层。抛丸强度在Almen A的0.2-0.5mm之间，要实现的指标是在离表面0.125mm处有50KSI的压力。

OP100磨双面

此工序的目的是使得精磨中加工量变少，由于粉锻连杆的加工工艺精度越来越高，此工艺在粗加工中有完全被淘汰的趋势。

OP110质量检验

质量检验的内容分为五部分：1)金相，包括微观结构、硬度密度、氧化脱碳深度、杂质以及孔洞大小；2)尺寸；3)重量，总重分重是否满足要求；4)疲劳强度；5)表面压应力。

OP120包装

按照客户要求包装。

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

1.一种密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法，包括以下步骤：步骤1、混料，即将以下组分进行混合均匀：水雾化的铜粉，颗粒大小在10-25μm之间，加入量占总重量的2.3％-2.7％；石墨，占总重量的0.4％-0.7％；硫化锰，加入量占总重量的0.0％-0.5％；同时在混料后期，加入占总重量的0.5％-0.9％的润滑剂；其余成分是水雾化铁粉；步骤2、粉末压制；步骤3、称重；步骤4、预烧结；步骤5、喷丸密封；步骤6、烧结；步骤7、锻造；步骤8、去闪边；步骤9、抛丸强化；步骤10、磨双面。

2.根据权利要求1所述密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法，其特征在于：步骤1中混合工序要满足以下指标：1)松散密度要在2.7g/cm³-3.1g/cm³，粉末流动速度的要求是50g标准试样流过标准的Hall流量计不能超过38秒。

3.根据权利要求1所述密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法，其特征在于：步骤2中使用的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或2所述密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法，其特征在于：步骤2成型达到的密度是6.1-7.1g/cm³。

5.根据权利要求1所述密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法，其特征在于：步骤3中称重包括对连杆预压件各个部分进行无损式称重。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述密封表面的粉末冶金热锻连杆的生产方法，其特征在于：步骤10之后还包括步骤11、质量检验和步骤12、包装。