一种注射成形合金粉及其在汽车变速箱滑套中的应用
技术领域
本发明公开了一种注射成形合金粉及其在汽车变速箱滑套中的应用。属于粉末冶金材料制备及金属注射成形技术领域。
背景技术
滑套是汽车变速箱中的重要零部件之一,其材料为4140中碳合金钢(国内牌号42CrMo),制备的方法主要有铸造和锻造加工两种。铸造4140合金钢工艺简单,但成形精度不高,易出现成分和组织不均匀现象。锻造4140合金钢性能优越,但是其成本高。金属注射成形(Metal Injection Molding,简称MIM)能够以较低的成本生产具有复杂形状的高性能异形金属零部件。因此有研究采用MIM技术制造4140合金钢材料。欧洲粉末冶金协会、Basf公司、German、Coleman等分别报道了通过MIM技术得到相对密度为92-93%左右的4140中碳合金钢。
虽然有部分MIM制备4140中碳合金钢的实验报道,但其技术工艺不能用于制备滑套。因为滑套的使用要求需要有高的密度和强度,而现有工艺无法达到这样高的要求。目前的MIM4140合金钢成分设计并不合理,只能适合在低温下烧结,烧结时间短(一般为2-4个小时),导致样品密度低;简单对其技术进行改进,如采用提高温度烧结的方法又容易导致过烧,并且,烧结温度高了后就会导致零件的水平部分和凸起部分之间的直角的角度容易变形(垂直度难以保证),导致产品报废。此外,由于已报道的MIM4140技术,在操作中,由于设备和工艺的控制,不可避免的出现温度和气氛控制精度有限,容易导致碳含量波动,从而使得强化相的含量不稳定,造成硬度和强度下降。这些因素导致现有MIM4140技术得到的烧结强度低于700MPa。此外,碳含量波动还对烧结致密化产生影响,导致烧结“窗口”窄,适宜烧结的温度区间仅为15℃,造成烧结困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种烧结工艺易控、烧结窗口较宽,烧结产物密度大、强度高,烧结过程变形量小的注射成形合金粉。
本发明的另一目的在于提供该注射成形合金材料在汽车变速箱滑套中的应用。
本发明一种注射成形合金粉包括下述组分,按质量百分比组成,
本发明一种注射成形合金粉,所述合金粉是粒度为8-20um的气雾化合金粉。
本发明一种注射成形合金粉末在汽车变速箱滑套中的应用,包括下述步骤:
第一步:喂料的制备
按合金粉末与粘结剂的质量比85-90:15-10,分别取注射成形合金粉末与粘结剂混合,于120-150℃,混炼至少30分钟,得到喂料;
第二步:注射成形
将第一步得到的喂料通过注射成形机注入汽车变速箱滑套模具中成型,出模,得到汽车变速箱滑套坯件;注射成形工艺参数为:注射温度140-175℃,注射压力80-120MPa,模温45-60℃;选取粉末装载量的大小为55-65%;
第三步:预烧结
将第二步得到的坯件置于有机溶剂中清洗后干燥,然后置于真空脱脂炉中,在保护气氛下,以0.2-2℃/min的加热速度升温至290-310℃,保温120-600分钟,再以0.2-2℃/min的加热速度升温至590-610℃,保温120-240分钟,然后,以5-20℃/min的加热速度升温至890-910℃进行预烧结,保温110-130分钟后,随炉冷却,得到预烧结坯;
第四步:高温烧结
将预烧结坯在保护气氛下,以10℃-20℃/min的升温速度升温至1330℃-1360℃保温6-10小时后随炉冷却,得到汽车变速箱滑套。
本发明一种注射成形合金材料在汽车变速箱滑套中的应用,第一步中,所述混炼是在混炼机设备中进行,混炼机转速为60-200转/分钟,混炼时间0.5-2h。
本发明一种注射成形合金材料在汽车变速箱滑套中的应用,第一步中,所述粘结剂包括下述组分,按质量百分比组成:
硬脂酸5—10%
茶油10—35%
聚乙烯15—35%
石蜡25—45%,各组分含量总和为100%。
本发明一种注射成形合金材料在汽车变速箱滑套中的应用,所述粘结剂按下述方案制备:按设计的粘结剂组分配比配取各组分,置于叶片式混料机中,在120℃—130℃温度下混合0.5-6小时,混料机转速为80-400转/分钟。
本发明一种注射成形合金材料在汽车变速箱滑套中的应用,第三步中,有机溶剂选自二氯甲烷、正庚烷、四氯甲烷中的一种。
本发明一种注射成形合金材料在汽车变速箱滑套中的应用,第三步中,坯件置于有机溶剂中清洗去除坯件中的石蜡和植物油组分。
本发明一种注射成形合金材料在汽车变速箱滑套中的应用,第三步、第四步中,保护气氛选自氩气、氢气、氮气中的一种。
本发明一种注射成形合金材料在汽车变速箱滑套中的应用,得到的汽车变速箱滑套的相对密度在97-98%;抗拉强度为906-933MPa。
本发明的机理简述如下:
本发明采用上述技术方案,通过调整合金组分配比,有效解决了现有技术存在的烧结区间窄,制品密度低、强度性能较差的问题。
本发明采用大幅度提升合金粉末中Cr的含量,利用Cr元素与C元素形成碳化物的亲和力大于Fe和Mn,烧结后,在合金基体中,Cr与C形成多种稳定的碳化物,有效减少合金基体中碳含量波动,增加碳化物强化相的数量,同时Cr还可以和Fe形成连续的固溶体,提高合金的力学性能;采用本发明的合金成分,可以提高烧结产物的淬透性,经过调质处理后可以得到良好的综合力学性能,不仅具有较高的强度,还具有较好的韧性和塑性。在合金粉末中添加Mo,可以降低钢的回火脆性倾向,提高钢的回火稳定性,使部件可以在较高温度回火从而有效地消除或者降低钢中的残余应力,提高钢的韧性。还可以细化晶粒组织,提高钢的再结晶温度,提高钢的蠕变性能。添加硼可以降低烧结扩散的活化能,在较低的温度下形成液相,降低烧结温度,促进烧结。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
(1)本发明通过调整合金粉末中Cr、Mo含量并增加B组分,可以有效增加烧结阶段液相含量,扩大产品的烧结区间温度至30℃左右,通过烧结工艺的优化,有效提高制品的烧结密度,获得的制品密度超过97%;
(2)本发明通过Cr与碳反应形成稳定的碳化物,一方面,增加碳化物强化相的数量,提高制品的力学性能;另一方面,在烧结过程中可以稳定碳含量,减少碳含量波动,从而减少烧结过程中出现的液相的含量,从而可以降低产品的变形程度,有效减少烧结过程变形量,实现生产产品的垂直度满足要求。
(3)本发明在通过6个小时以上的长时间进行烧结,完成元素的扩散均匀化,提高其综合力学性能。
(4)本发明提供的注射成形合金粉,使汽车变速箱滑套可以采用MIM注射成形工艺制备,可以有效提高汽车变速箱滑套的生产效率,降低生产成本,制备的汽车变速箱滑套的综合力学性能以及尺寸精度水平均满足设计要求。
综上所述,本发明基于调整合金粉末组分的注射成形工艺,制备的汽车变速箱滑套,可以将产品的尺寸精度控制在±0.02mm,满足产品对垂直度的要求;烧结产品密度高,密度超过97%;强度超过900MPa,较原同类产品提高了30%,达到国际先进水平;且烧结工艺易控、烧结窗口较宽,烧结产物密度大、力学性能优良,烧结过程变形量小,可实现工业化规模生产,特别适于制作汽车变速箱滑套。
附图说明
附图1为本发明制备的汽车变速箱滑套结构示意图。
附图2为本发明实施例2制备的注射成形合金粉末的收缩曲线。
附图3为本发明实施例2制备的注射成形合金粉末的收缩速率曲线。
附图4为本发明实施例2制备的汽车变速箱滑套的显微组织照片。
图2中,曲线1是实施例2制备的注射成形合金粉末的线收缩曲线;曲线2是温度曲线;从曲线1、2可以看出:本发明实施例2制备的注射成形合金粉末的收缩值较高,有利于提高制品的密度和尺寸稳定性。
图3中,曲线3是实施例2制备的注射成形合金粉末的收缩速率曲线;曲线4是温度曲线;从曲线3、4可以看出:本发明实施例2制备的注射成形合金粉末的收缩速率变化小,具有单峰特征,最大收缩速率对应的温度宽,有利于扩大烧结窗口。
从附图4可以看出,本发明实施例1制备的汽车变速箱滑套的显微组织细小,均匀,有利于提高所制备的零件的力学性能。
具体实施方式
本发明实施例中使用的粘接剂,其组分为:硬脂酸8%,茶油25%,聚乙烯29%,石蜡38%,于叶片式混料机中,120℃—130℃温度下,混料机转速80-400转/分钟,混合4.5小时制备得到。
实施例1
采用注射成形合金粉末制备汽车变速箱滑套,包括下述步骤:
第一步:喂料的制备
选择合金粉组分为:C0.40,Si0.35,Mo0.7,Cr1.8,Mn0.6,B1.5,余量为Fe,合金粉粒度为8-10um的气雾化合金粉,按合金粉末与粘结剂的质量比85:15在混炼机中混合,于120-125℃,混炼30分钟,得到喂料;混炼机转速为60转/分钟,混炼时间2h;
第二步:注射成形
将第一步得到的喂料通过注射成形机注入汽车变速箱滑套模具中成型,出模,得到汽车变速箱滑套坯件;注射成形工艺参数为:注射温度145℃,注射压力85MPa,模温50℃;粉末装载量为56%;
第三步:预烧结
将第二步得到的坯件置于二氯甲烷中清洗去除坯件中的石蜡和植物油后干燥,然后置于真空脱脂炉中,在氩气保护气氛下,以0.2-0.5℃/min的加热速度升温至290-310℃,保温130分钟,再以0.2-0.5℃/min的加热速度升温至590-610℃,保温130分钟,然后,以5-8℃/min的加热速度升温至890-910℃进行预烧结,保温110分钟后,随炉冷却,得到预烧结坯;
第四步:高温烧结
将预烧结坯在氩气保护气氛下,以10℃-12℃/min的升温速度升温至1330℃-1340℃保温8小时后随炉冷却,得到汽车变速箱滑套;
本实施例制备的汽车变速箱滑套,其相对密度在97-98%;抗拉强度为906-910MPa。
实施例2
采用注射成形合金粉末制备汽车变速箱滑套,包括下述步骤:
第一步:喂料的制备
选择合金粉组分为:C0.42,Si0.29,Mo0.76,Cr1.67,Mn0.67,B1.0,余量为Fe,合金粉粒度为10-15um的气雾化合金粉,按合金粉末与粘结剂的质量比88:12在混炼机中混合,于130-140℃,混炼50分钟,得到喂料;混炼机转速为150转/分钟,混炼时间1.5h;
第二步:注射成形
将第一步得到的喂料通过注射成形机注入汽车变速箱滑套模具中成型,出模,得到汽车变速箱滑套坯件;注射成形工艺参数为:注射温度155℃,注射压力100MPa,模温55℃;粉末装载量的大小为60%;
第三步:预烧结
将第二步得到的坯件置于四氯甲烷中清洗去除坯件中的石蜡和植物油后干燥,然后置于真空脱脂炉中,在氮气保护气氛下,以0.8-1.2℃/min的加热速度升温至290-310℃,保温300分钟,再以0.8-1.2℃/min的加热速度升温至590-610℃,保温180分钟,然后,以10-15℃/min的加热速度升温至890-910℃进行预烧结,保温120分钟后,随炉冷却,得到预烧结坯;
第四步:高温烧结
将预烧结坯在氮气保护气氛下,以14℃-17℃/min的升温速度升温至1345℃-1355℃保温6小时后随炉冷却,得到汽车变速箱滑套。
本实施例制备的汽车变速箱滑套,其相对密度在97-98%;抗拉强度为926-933MPa。
实施例3
采用注射成形合金粉末制备汽车变速箱滑套,包括下述步骤:
第一步:喂料的制备
选择合金粉组分为:C0.45,Si0.25,Mo0.8,Cr1.6,Mn0.8,B0.8,余量为Fe,合金粉粒度为15-20um的气雾化合金粉,按合金粉末与粘结剂的质量比90:10在混炼机中混合,于140-150℃,混炼45分钟,得到喂料;混炼机转速为200转/分钟,混炼时间0.8h;
第二步:注射成形
将第一步得到的喂料通过注射成形机注入汽车变速箱滑套模具中成型,出模,得到汽车变速箱滑套坯件;注射成形工艺参数为:注射温度170℃,注射压力120MPa,模温60℃;粉末装载量为65%;
第三步:预烧结
将第二步得到的坯件置于正庚烷中清洗去除坯件中的石蜡和植物油后干燥,然后置于真空脱脂炉中,在氢气保护气氛下,以1.5-2℃/min的加热速度升温至290-310℃,保温500分钟,再以1.5-2℃/min的加热速度升温至590-610℃,保温220分钟,然后,以15-20℃/min的加热速度升温至890-910℃进行预烧结,保温130分钟后,随炉冷却,得到预烧结坯;
第四步:高温烧结
将预烧结坯在氢气保护气氛下,以17℃-20℃/min的升温速度升温至1350℃-1360℃保温10小时后随炉冷却,得到汽车变速箱滑套。
本实施例制备的汽车变速箱滑套,其相对密度在97-98%;抗拉强度为916-925MPa。
对比例
采用市售的4140的气雾化粉制备汽车变速箱滑套,包括下述步骤:
第一步:喂料的制备
选择合金粉组分为:C0.43,Si0.3,Mo0.27,Cr1.2,Mn0.69,余量为Fe,合金粉粒度为10-15um,按合金粉末与粘结剂的质量比88:12在混炼机中混合,于130-140℃,混炼50分钟,得到喂料;混炼机转速为150转/分钟,混炼时间1.5h;
第二步:注射成形
将第一步得到的喂料通过注射成形机注入汽车变速箱滑套模具中成型,出模,得到汽车变速箱滑套坯件;注射成形工艺参数为:注射温度155℃,注射压力100MPa,模温55℃;粉末装载量的大小为60%;
第三步:预烧结
将第二步得到的坯件置于四氯甲烷中清洗去除坯件中的石蜡和植物油后干燥,然后置于真空脱脂炉中,在氮气保护气氛下,以0.8-1.2℃/min的加热速度升温至290-310℃,保温300分钟,再以0.8-1.2℃/min的加热速度升温至590-610℃,保温180分钟,然后,以10-15℃/min的加热速度升温至890-910℃进行预烧结,保温120分钟后,随炉冷却,得到预烧结坯;
第四步:高温烧结
将预烧结坯在氮气保护气氛下,以14℃-17℃/min的升温速度升温至1345℃-1355℃保温6小时后随炉冷却,得到汽车变速箱滑套。
本对比例制备的汽车变速箱滑套,其相对密度在90%-93%;抗拉强度为670-730MPa。
比较实施例与对比例得到的产品的性能参数可知:
(1)本发明采用的合金粉组分,可以增加烧结阶段液相含量,扩大产品的烧结区间,将适宜烧结的温度区间从15℃扩大到了30℃。通过热膨胀仪分析,得到最佳的烧结工艺区间为1330℃-1360℃,所得产品的密度从92%-93%提高到97%以上。
(2)本发明通过Cr与碳反应形成稳定的碳化物,减少碳含量波动,增加碳化物强化相的数量,提高力学性能。本发明在通过6个小时以上的长时间进行烧结,完成元素的扩散均匀化,提高其综合力学性能。所得产品的抗拉强度比采用英国Osprey公司提供的4140的气雾化粉制备的汽车变速箱滑套提高了30%。
以上所述设计参数仅为本发明部分实例,故不能以此限定本发明的实施范围,依本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰,皆应仍属本发明专利涵盖的范围。