CN105018824A - 一种粉末冶金凸轮的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种粉末冶金凸轮的制备方法，步骤：材料成分为碳：0.2～1.5%，铜：0～4%，镍：0～2%，钼：0～11%，铬：0～18%，钨：0～12%，钒：0～10%，不超过2%不可避免的杂质，铁：余量，上述为质量百分比；将上述原料混合成混合粉，加入0.1～1wt%的润滑剂；然后压制成密度为6.25～7.4g/cm³凸轮生坯；将凸轮生坯1000℃～1350℃中烧结，时间为5～180分钟；在非氧化性气氛中退火，退火温度为750～1080℃，保温时间5～200分钟；通过挤压成型机或精整压机改装的压机上挤压，挤压变形量在直径方向上大于2%；热处理和加工即为成品。本发明制作工艺简单，制得凸轮精度高、表面光洁度好，降低了生产成本，提高生产效率，与传统粉末冶金工艺相比，产品的密度更高，基本实现表面致密化。

Description

一种粉末冶金凸轮的制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，具体是一种铁基粉末冶金凸轮的制备方法。 

背景技术

凸轮轴是发动机配气机构的重要部件，负责发动机各缸进、排气门的定时开启与关闭。凸轮轴是靠凸轮顶动气缸的进排气门来实现气门的开关。 

凸轮的侧面呈桃形，其设计的目的在于保证汽缸充分的进气和排气，具体来说就是在尽可能短的时间内完成气门的开、关动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开关动作中的加减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或是其他严重后果。因此，凸轮和发动机的功率、扭矩输出以及运转的平稳性有很直接的关系。 

配气机构对凸轮轴各个部位的性能要求有很大不同:凸轮要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀;轴颈要求滑动性能好；芯轴要求刚性、弯曲、扭转性能好。传统的凸轮轴及凸轮轴采用整体铸造方法生产，很难同时满足上述要求，普遍存在以下缺陷：一、材料利用也不尽合理；二、传统整体式铸造或锻造生产模式很难制造出凸轮密布排列的紧凑结构；三、传统方法制造凸轮轴需大量的机械加工工序，耗费大量的机械加工工时，机床、刀具、夹具、操作人员和作业面积方面较难有新突破；四、传统加工需对凸轮表面进行耐磨性强化处理(如铸造凸轮轴的激冷、淬火或重熔，锻造凸轮轴的表面渗碳淬火等)，是对整体凸轮轴进行的，并伴有变形，多数是用人工校直，费时费力不易保证精度；五、凸轮型面的机械加工较难进行，也是影响加工质量的重要因素。因此，传统方法制造凸轮轴，不仅使大量材料变成废屑，而且生产效率低、材料消耗与能源消耗大，自动化水平较低，在降低零件重量方面也难有作为。另外由于机械加工量大，加工效率低，成本较高，现在很少采用整体铸造法的凸轮轴。 

装配式凸轮轴是近20年来开发的新型内燃机零件,它与铸造或锻造整体式的凸轮轴相比,具有质量轻、加工成本低、材料利用合理等优点；可将凸轮宽度减小，并排列紧凑，可以降低汽车的成本、减轻发动机重量、提高发动机性能。目前，世界上许多汽车 制造厂家越来越多地生产装配式凸轮轴并用于高性能发动机。 

精密锻造凸轮与钢轴进行组合是装配式凸轮轴亦称组合式轮轴，是将凸轮轴分解成凸轮、芯轴、轴颈等可装配件，分别进行材料优化及精益加工后，再组装成凸轮轴的新型组合设计与现代制造模式。装配式凸轮轴采用芯轴和凸轮分体制造后连接成一体，其连接方式主要为焊接式、烧结式、机械式。 

烧结式凸轮轴在进行粉末烧结成凸轮的同时，凸轮又要在液相状态下与钢管扩散连接，因此此过程必须在1120℃以上烧结炉内进行。在高温下凸轮轴容易产生弯曲，易造成尺寸精度误差；烧结时对材料的性能也有限制，且需大型烧结炉，热效率不高。 

焊接和机械连接方式使用的凸轮一般使用锻造工艺生产。锻造凸轮，在尺寸精度、表面粗糙度、生产效率以及成本方面存在问题。普通模锻把加热后的毛坯进行多道制坯辊锻，又在压力机上进行预锻及终锻，然后再进行切边、大、小头冲孔、热校正及冷精压等多道工序。因此锻造效率较低。锻造过程由于在高温下进行，模具易产生龟裂，很容易失效，锻造零件表面存在的粗糙度和精度较差，同时高性能高精度锻件的生产成本高居不下，所以其制造方法还有待于改进。 

粉末冶金是生产高强度和形状复杂零件的有效工艺。在很多领域有着广泛的应用，但在发动机上烧结凸轮尚难以同其他工艺的凸轮竞争。这主要因为粉末冶金凸轮的表面存在孔隙，而孔隙的存在会降低凸轮表面接触疲劳强度，引起零件失效。现有专利号为CN200910102386.6的中国发明专利《一种发动机凸轮轴凸轮的制造方法》，其特征在于依次包括如下步骤：①准备好原料，即铁、铬、钼、镍、碳及铜的混合粉，然后加入质量比0.1～1％的润滑剂；②将上述混合粉在压力大于600MPa的压机上压制成密度大于7.3g/cm³的凸轮零件；③烧结，将该凸轮零件在温度1100℃～1350℃下进行烧结，烧结的时间为10～30分钟以上，烧结在真空烧结炉或连续式烧结炉中进行；④热处理，根据烧结零件的化学成分要求，确定热处理工艺，热处理淬火温度为800～1000℃，保温30～45分钟，或采用高频热处理，回火温度为150～400℃，保温110～130分钟。这种制造方法工艺简单，制得的产品精度也较高，但是就如何提高凸轮的密度，尤其是外表面的局部密度还是好的具体措施。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种粉末冶金凸轮的制 备方法，具有工艺简单、成本低的特点，制得的凸轮不仅具有较高的精度和强度，而且整体密度与表面密度高，解决精密锻造凸轮尺寸精度、生产效率、模具寿命以及成本等问题。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种粉末冶金凸轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤： 

1）准备好原料，将碳、铁、铬、钒、钼、钨、镍、铜按以下质量百分比混合成混分粉，配比为碳：0.2～1.5%，铜：0～4%，镍：0～2%，钼：0～11%，铬：0～18%，钨：0～12%，钒：0～10%，不超过2%的不可避免的杂质，铁：余量， 

其中，铬、钼、钨、铜、镍、钒以铁合金或母合金形式加入，碳以石墨形式加入，然后加入质量百分比含量为0.1～1%的润滑剂； 

2）将上述混合粉在压力大于400MPa的压机上压制成密度为6.25～7.4g/cm³的凸轮生坯； 

3）将上述凸轮生坯在温度1000℃～1350℃中进行烧结，烧结的时间为5～180分钟上； 

4）在非氧化性气氛中进行退火，退火温度为750～1080℃，退火保温时间5～200分钟退火，对于碳含量低于0.3%且铜、钼、铬、镍、钨和钒等总含量低于2%的凸轮，退火工序可作为选项； 

5）挤压：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于2%，挤压模阴模和芯棒至少分为导向段和定径段两个部分；即（D-D1）/D×100%≥2%和/或（D3-D4）/D4×100%≥2%。挤压模阴模（凹模）和芯棒至少分为两个部分：导向段和定径段。结构示意图和D，D1，D3，D4的位置见图2，3所示；对于内凸轮，即内孔为凸轮形状，其挤压变形量的定义与外凸轮相同； 

6）热处理：淬火温度为750～1250℃，保温10～240分钟，回火温度为150～600℃，保温5～200分钟，对于烧结后碳含量大于0.4%的凸轮可采用高频或中频热处理，热处理的硬化层深度0.2～5mm，回火温度为150～600℃，保温5～200分钟，或采用高频或中频感应回火。 

作为改进，所述步骤1）的润滑剂及石墨采用粘接处理方式加入。 

作为改进，所述步骤2）压制采用温压成形或模具加热成形，压机的压制压力为600Mpa。 

作为改进，所述步骤3）烧结是在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比 例为1～75vol%的烧结炉中进行。 

作为改进，所述步骤4）退火后，从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.5℃/S。 

再改进，所述步骤3）、步骤4）的烧结和退火两道工序可合二为一，在烧结结束后将温度控制在退火温度进行保温，按照退火的时间和冷却要求降到室温即可。 

再改进，所述步骤5）挤压为均匀挤压或非均匀挤压，当采用非均匀挤压时，挤压变形量为最大的变形量。 

进一步改进，所述步骤6）热处理结束后，还增加研磨处理，根据凸轮高度、平面度以及平行度的要求对凸轮的端面进行研磨，根据凸轮最终装配尺寸对凸轮的曲面进行研磨。 

与现有技术相比，本发明的优点在于：增加挤压的工序，大大提高了凸轮的密度，尤其是外表面密度，使得制得的凸轮精度高、表面光洁度好，有效地消除了锻造过程中由于在高温下进行而使模具易产生龟裂的难题，从而降低了生产成本，提高了生产效率。本发明制作工艺简单，与传统粉末冶金工艺相比，产品的密度更高，整体密度可以超过7.60g/cm³，接近粉末锻造的水平，而表面相对密度可以达到99%以上，基本实现表面致密化。 

附图说明

图1a～1b为本发明制备的凸轮的结构示意图； 

图2为挤压阴模（凹模）示意图； 

图3为挤压芯棒示意图； 

图4为挤压后图1中A部分的孔隙照片； 

图5为挤压后图1中B部分的孔隙照片； 

图6为挤压后图1中C部分的孔隙照片； 

图7为挤压高频热处理后图1中A部分的金相； 

图8为挤压高频热处理后图1中B部分的金相； 

图9为挤压高频热处理后图1中C部分的金相； 

图10为凸轮退火处理前的金相； 

图11为凸轮退火处理后的金相； 

图12为凸轮整体热处理后的金相； 

图13为对照件粉末锻造零件的孔隙。 

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，以下的百分比均为质量百分比。 

实施例一 

①准备好原料，即铁铬钼和碳的混合粉，其配比为：铁合金（铬为3.0%，钼为0.5%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为98.8%；碳为0.70%，然后加入含量为0.5%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度6.95g/cm³的凸轮生坯； 

③烧结，将该凸轮零件在温度1200℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在真空烧结炉中进行； 

④退火：退火温度为850℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.1℃/S； 

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于5%，即（D-D1）/D×100%≥5%和（D3-D4）/D4×100%≥5%。D，D1的位置见图2所示，D，D1分别为凸轮内孔的定位段1和定径段3的内径，定位段1和定径段3之间为导向段2；而D3，D4的位置见图3所示，D3，D4分别为挤压芯棒的定径段5、导向段4的外径； 

⑥热处理：高频淬火后，硬化层深度0.8mm，回火温度为200℃，保温120分钟。 

实施例二 

①准备好原料，即铁铬钼和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（铬为3.0%，钼为0.5%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为50%，纯铁粉为48.5%；碳为1.0%，然后加入含量为0.5%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.2g/cm³的凸轮生坯。 

③烧结，将该凸轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行； 

④退火：退火温度为850℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.1℃/S。 

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于6%，即（D-D1）/D×100%≥6%和（D3-D4）/D4×100%≥6%。D，D1的位置见图2所示，D3，D4的位置见图3所示； 

⑥热处理：高频淬火后，硬化层深度1.0mm，回火温度为200℃，保温130分钟。 

挤压后凸轮的整体密度7.64-7.66g/cm³，热处理后凸轮表面硬度为HRC56-60，挤压致密层硬度HV1为791，799，777。 

图1中A、B、C三部分的孔隙见图4～6；A,B,C三部分的金相组织见图7～9；退火前后的金相见图10和11，退回前为马氏体和珠光体，退火后为铁素体和珠光体；图13与图4对比可以发现，通过挤压处理，其表面的孔隙度小于粉末锻造的孔隙度。 

实施例三 

①准备好原料，即铁铬钼和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（铬为1.7%，钼为0.3%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为99.1%；碳为0.4%，然后加入含量为0.5%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下温压为密度6.60g/cm³的凸轮生坯； 

③烧结，将该凸轮零件在温度1200℃中进行烧结，烧结的时间为60分钟，烧结在真空烧结炉中进行，在烧结后的冷却阶段于890℃保温60分钟退火，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.15℃/S； 

④挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于8%，即（D-D1）/D×100%≥8%和（D3-D4）/D4×100%≥8%。D，D1的位置见图2所示，D3，D4的位置见图3所示； 

⑤热处理：渗碳淬火，淬火温度为900℃，碳势1.0%，保温时间为60分钟，回火温度为200℃，保温130分钟。 

实施例四 

①准备好原料，即铁铬钼和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（铬为3.0%，钼为0.5%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为45%，纯铁粉为54.3%；碳为0.2%，然后加入含量为0.5%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下温压为密度7.2g/cm³的凸轮生坯； 

③烧结，将该凸轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在以 氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行； 

④挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于5%，即（D-D1）/D×100%≥5%和（D3-D4）/D4×100%≥5%。D，D1的位置见图2所示，D3，D4的位置见图3所示； 

⑤热处理，渗碳淬火，淬火渗碳温度900℃，碳势为1.0%，保温120分钟；回火温度为200℃，保温130分钟。 

热处理后的金相组织见图12。 

实施例五 

①准备好原料，即铁钼镍铜和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（钼为0.5%，铜为1.5%；镍为1.75%；不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为98.7%；碳为0.8%，然后加入含量为0.5%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.05g/cm³的凸轮生坯； 

③烧结，将该凸轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行； 

④退火：退火温度为880℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.2℃/S； 

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向为8%，即（D-D1）/D×100%=8%。D，D1的位置见图2所示； 

⑥热处理，高频淬火后，回火温度为180℃，保温100分钟。 

实施例六 

①准备好原料，即铁铬钼钨钒和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（钼为6%，钨为5%，铬为4%，钒为2%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为98.4%；碳为1.0%，然后加入含量为0.6%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度6.25g/cm³的凸轮生坯。 

③烧结，将该凸轮零件在温度1250℃中进行烧结，烧结的时间为60分钟，烧结在真空烧结炉中进行； 

④退火：退火温度为980℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.05℃/S； 

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于10%，即（D-D1）/D×100%≥10%和（D3-D4）/D4×100%≥2%。D，D1的位置见图2所示，D3，D4的位置见图3所示； 

⑤热处理：真空气淬，淬火保温温度为1220℃，保温时间60分钟，回火温度为560℃，保温130分钟。 

实施例七 

①准备好原料，即铁钼和碳的混合粉，其配比为：铁钼合金粉（钼为0.85%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为98.5%；碳为1.0%，然后加入含量为0.5%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.0g/cm³的凸轮生坯。 

③烧结，将该凸轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为60分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行； 

④退火：退火温度为850℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.05℃/S。 

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于10%，即（D-D1）/D×100%≥10%。D，D1的位置见图2所示； 

⑥热处理，高频淬火后，硬化层深度1.5mm，回火温度为200℃，保温130分钟。 

实施例八 

①准备好原料，即铁钼和碳的混合粉，其配比为：铁钼合金粉（钼为1.5%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为99.3%；碳为0.2%，然后加入含量为0.5%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.0g/cm³的凸轮生坯。 

③烧结，将该凸轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为60分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行； 

④挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于10%，即（D-D1）/D×100%≥10%。D，D1的位置见图2所示； 

⑤热处理：渗碳热处理后，淬火温度为920℃，碳势0.8%，保温时间100分钟，回火温度为200℃，保温130分钟。 

实施例九 

①准备好原料，即铁钼和碳的混合粉，其配比为：铁钼合金粉（钼为0.85%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为98.5%；碳为1.0%，然后加入含量为0.5%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.0g/cm³的凸轮生坯。 

③烧结，将该凸轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为30分钟，烧结在真空烧结炉中进行。冷却至850℃，保温时间为40分钟进行退火，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.05℃/S。 

④挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于10%，即（D-D1）/D×100%≥10%。D，D1的位置见图2所示； 

⑤热处理，高频淬火后，硬化层厚度1.5mm，回火温度为200℃，保温130分钟。 

⑥研磨：根据高度要求，研磨双端面；根据凸轮轮廓的要求，研磨凸轮面型。 

实施例十 

①准备好原料，即铁钼镍铜和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（钼为0.5%，铜为1.5%；镍为1.75%；不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为98.7%；碳为0.8%，然后加入含量为0.5%的润滑剂； 

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.05g/cm³的凸轮生坯； 

③烧结，将该凸轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行； 

④退火：退火温度为880℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.2℃/S； 

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向为8%，即（D-D1）/D×100%=8%。D，D1的位置见图2所示； 

⑥热处理，高频淬火后，直接进行高频回火。 

Claims (8)

1.一种粉末冶金凸轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）准备好原料，将碳、铁、铬、钒、钼、钨、镍、铜按以下质量百分比混合成混分粉，配比为碳：0.2～1.5%，铜：0～4%，镍：0～2%，钼：0～11%，铬：0～18%，钨：0～12%，钒：0～10%，不超过2%的不可避免的杂质，铁：余量，

其中，铬、钼、钨、铜、镍、钒以铁合金或母合金形式加入，碳以石墨形式加入，然后加入质量百分比含量为0.1～1%的润滑剂；

2）将上述混合粉在压力大于400MPa的压机上压制成密度为6.25～7.4g/cm³的凸轮生坯；

3）将上述凸轮生坯在温度1000℃～1350℃中进行烧结，烧结的时间为5～180分钟上；

4）在非氧化性气氛中进行退火，退火温度为750～1080℃，退火保温时间5～200分钟退火，对于碳含量低于0.3%且铜、钼、铬、镍、钨和钒等合金的总含量低于2%的凸轮，退火工序可作为选项；

5）挤压：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于2%，挤压模阴模和芯棒至少分为导向段和定径段两个部分；

6）热处理：淬火温度为750～1250℃，保温10～240分钟，回火温度为150～600℃，保温5～200分钟，对于烧结后碳含量大于0.4%的凸轮可采用高频或中频热处理，热处理的硬化层深度0.2～5mm，回火温度为150～600℃，保温5～200分钟，或采用高频或中频感应回火。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1）的润滑剂及石墨采用粘接处理方式加入。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2）压制采用温压成形或模具加热成形，压机的压制压力为600Mpa。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3）烧结是在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比例为1～75vol%的烧结炉中进行。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4）退火后，从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.5℃/S。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3）、步骤4）的烧结和退火两道工序可合二为一，在烧结结束后将温度控制在退火温度进行保温，按照退火的时间和冷却要求降到室温即可。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5）挤压为均匀挤压或非均匀挤压，当采用非均匀挤压时，挤压变形量为最大的变形量。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6）热处理结束后，还增加研磨处理，根据凸轮高度、平面度以及平行度的要求对凸轮的端面进行研磨，根据凸轮最终装配尺寸对凸轮的曲面进行研磨。