CN104550969A - 一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法。该方法是采用具有液相烧结收缩能力的粉末冶金材料与端头、芯轴均能够发生元素扩散和冶金结合，实现端头与芯轴的连接。粉末冶金焊接材料直接制备成凸轮或轴颈的形状，该凸轮或轴颈既可用于端头和芯轴的焊接，还直接地充当凸轮轴的凸轮或轴颈。该方法不增加任何额外的工序和材料消耗，便实现了端头和芯轴的牢固冶金连接，连接强度较高，完全满足凸轮轴使用要求。本发明解决了激光焊、摩擦焊等焊接连接端头所造成的工序增加、成本提高和影响美观等问题。

Description

一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法。

背景技术

凸轮轴是发动机配气系统关键零部件。凸轮轴的基本部位可分为：芯轴、凸轮、端头、轴颈等(如图1所示)，其中，芯轴是各部件的载体，凸轮用于开闭气门，端头一般用于连接齿带轮进行传动或用于封堵中空凸轮轴一端(亦称堵头)，轴颈用于支撑。

相对于传统铸造、锻造工艺所生产的一体式实心凸轮轴，组合式凸轮轴具有中空结构减重明显、尺寸精度高、加工余量小、设计灵活、节能节材等多种优势，广泛应用于多种中、高档汽油发动机和柴油发动机。

粉末冶金组合烧结工艺是一种新型的组合式凸轮轴制备工艺，该工艺的特点是：首先采用特殊粉末冶金材料制成凸轮、轴颈，然后把凸轮、轴颈压坯装套在芯轴上，放入烧结炉进行烧结，该粉末冶金凸轮、轴颈材料在高温的持续烧结过程中，能够发生液相烧结并与芯轴发生元素扩散，而最终与芯轴形成牢固的冶金结合。由该工艺制备的凸轮轴一般被称为粉末冶金凸轮轴。相对于热装、滚花装配、机械扩管等机械过盈连接方式的组合式凸轮轴，粉末冶金凸轮轴具有连接强度高、抗扭转性能优越、耐磨性突出、可靠性好等优势。

然而，对于凸轮轴的端头部件，因其材料一般为钢制(例如45#钢)，不具备液相烧结的特性，从而无法实现与芯轴的组合烧结。因此，一般是采用额外的摩擦焊、激光焊等工序，来实现端头与芯轴的牢固冶金结合连接。上述额外的工序造成了凸轮轴的制造成本和生产周期明显提升，还会因焊缝外露、焊料堆积不匀、飞溅或溢流而造成凸轮轴外观较差的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述端头连接工艺所造成的工艺流程长、成本高的问题，提出一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法。

本发明提出的连接方法，具体步骤如下：

(1)将粉末冶金液相烧结材料(焊接材料)生坯或预烧结坯制备成管状或凸轮、轴颈的形状。此粉末冶金液相烧结材料的成分组成可以是Cr 0～10％，Mo 0～10％，P 0.3～0.7％，Si0～3％、Ni 0～6％，Cu 0～8％，Mn 0～3％，C 1～4％，其余为Fe。制备工艺可以是粉末压制成形、粉末注射成形或凝胶注模成形等工艺的一种。

(2)将端头与芯轴对接在一起，对接方式可以是间隙配合、过盈配合、胶粘接或其他方式。

(3)然后将上述焊接材料套在端头与芯轴对接的缝隙处，将对接缝隙置于粉末冶金焊接材料内部(如图2所示)。上述焊接材料与端头、芯轴的间隙小于1mm。

(4)将上述组合好的零部件置于烧结炉内，在1000～1200℃的温度进行高温烧结，保温15min以上，气氛为真空或还原气氛。烧结过程中，置于端头和芯轴连接缝隙处的粉末冶金焊接材料将发生液相烧结和收缩，与端头、芯轴均能够发生元素扩散和冶金结合。端头和芯轴依靠粉末冶金液相烧结材料的焊接作用而形成牢固的连接(如图3所示)。

(5)烧结结束后冷却至常温。

值得注意的是，本发明所述方法步骤(1)中，若将粉末冶金液相烧结材料直接制备成凸轮或轴颈的形状，最终烧结后，该凸轮或轴颈除了用作端头和芯轴的焊接材料外，还直接地用作凸轮轴的凸轮或轴颈，具有一举两得的效果。

本发明的有益效果为：

在烧结工序中，端头与芯轴的焊接过程与凸轮轴的凸轮、轴颈的烧结焊过程同时完成，整个过程不增加任何额外的工序和材料消耗，便实现了端头和芯轴的牢固冶金连接，连接强度较高，完全满足凸轮轴使用要求，降低成本；

采用具有液相烧结能力的粉末冶金材料来实现端头与芯轴的焊接，焊缝不外露。

附图说明

图1是本发明所涉及凸轮轴的示意图。

图中标号：1-左端头；2-芯轴；3-右端头；4-凸轮；5-轴颈。

图2是本发明所提出的连接方法的示意图。

图中标号：1-左端头；2-芯轴；6-粉末冶金液相烧结焊接材料。

图3是本发明所提出的连接方法在烧结后的焊接区域局部示意图。

图中标号：1-左端头；2-芯轴；6-粉末冶金液相烧结焊接材料；7-焊接材料与端头、芯轴之间形成的冶金结合界面层。

图4是本发明所举实施例1的示意图。

图中标号：1-左端头；2-芯轴；6-粉末冶金液相烧结焊接材料。

图5是本发明所举实施例2的示意图。

图中标号：1-右端头；2-芯轴；6-粉末冶金液相烧结焊接材料。

具体实施方式

本部分内容将结合附图和具体的实施例来对本发明提出的一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法做进一步的详细说明，但不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

将端头与芯轴的连接头按照图4所示进行对接，为间隙配合。依照Fe-5Cr-1Ni-2Cu-1Si-1Mo-0.5P-2C合金体系配料，经混粉、压制成形而制备成凸轮轴凸轮的形状，然后将该凸轮以间隙配合套在端头与芯轴的对接处，间隙为0.2mm。将该组合件放入烧结炉内进行烧结，烧结温度1120℃，保温时间45min，气氛为氢气还原气氛。烧结后，端头和芯轴通过凸轮的焊接作用而形成牢固连接，同时该凸轮还充当了凸轮轴1号凸轮。

实施例2

依照Fe-5Cr-2Cu-0.5Si-0.5P-1.9C合金体系配料，经混粉、压制成形而制备成凸轮轴轴颈的形状。然后按照图5所示，将上述轴颈和端头、芯轴组合，即：把轴颈套在端头与芯轴的对接处，配合间隙0.05mm。使用钢架支撑上述组合件，放入真空烧结炉内进行烧结，烧结温度1110℃，保温时间50min，真空度5×10^-3Pa。烧结后，端头和芯轴通过轴颈的焊接作用而形成牢固连接，同时该轴颈还用于与轴承座匹配来支撑整支凸轮轴。

Claims (4)

1.一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法，其特征在于，使用粉末冶金液相烧结连接件将端头部件和芯轴部件焊接在一起，方法包括如下步骤：

①将粉末冶金液相烧结硬化材料生坯或预烧结坯制备成凸轮或轴颈的形状，得到连接件；

②将端头与芯轴对接在一起，对接方式为间隙配合、过盈配合或胶粘接；

③将步骤①得到的连接件套在端头与芯轴对接的缝隙处；

④将步骤③组合好的零部件置于烧结炉内，进行高温烧结，上述粉末冶金连接件产生液相，将端头和芯轴焊接为一体；

⑤烧结结束后冷却至常温。

2.根据权利要求1所述一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法，其特征在于，烧结前，所述连接件套在端头、芯轴对接处，对接缝隙置于连接件内部，被整个连接件所覆盖，并不外露。

3.根据权利要求1所述一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法，其特征在于，所述步骤④的烧结温度为1000～1200℃，烧结保温时间15min以上，保护气氛为真空或还原气氛。

4.根据权利要求1所述一种粉末冶金凸轮轴端头组合烧结连接方法，其特征在于，所述粉末冶金液相烧结硬化材料成分为Cr0～10％，Mo 0～10％，P 0.3～0.7％，Si 0～3％、Ni 0～6％，Cu 0～8％，Mn 0～3％，C 1～4％，其余为Fe。