CN105499554A

CN105499554A - 一种轻量化耐磨汽车齿轮及其制备方法

Info

Publication number: CN105499554A
Application number: CN201510893666.9A
Authority: CN
Inventors: 潘成群
Original assignee: Ningbo Qunxing Powder Metallurgy Co Ltd
Current assignee: Ningbo Qunxing Powder Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2016-04-20

Abstract

本发明涉及一种轻量化耐磨汽车齿轮，属于汽车齿轮加工技术领域。本发明的汽车齿轮包括芯体和设置在芯体表面的外层，芯体由多孔合金钢陶瓷材料制成，多孔合金钢陶瓷材料包括质量比为100：(50.1-145.2)：(0.6-1.2)：(9-12)的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂，外层由合金钢陶瓷材料制成，所述合金钢陶瓷材料包括质量比为100：(50.1-145.2)：(7-10)的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂。本法发明轻量化耐磨汽车齿轮力学性能优良、吸音、减振效果好，能在恶劣条件下长期工作。

Description

一种轻量化耐磨汽车齿轮及其制备方法

技术领域

本发明属于汽车齿轮加工技术领域，涉及一种轻量化耐磨汽车齿轮及其制备方法。

背景技术

齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件，齿轮是汽车的重要零部件。汽车齿轮的寿命主要由两大指标考核，一是汽车齿轮的接触疲劳强度，二是汽车齿轮的弯曲疲劳强度，而接触疲劳强度和弯曲疲劳强度主要由汽车齿轮材料的性质决定。我国中重型载货汽车齿轮用钢牌号较多。现有的汽车齿轮磨损比较严重，传动反应比较慢，齿轮在传动时的噪音比较大，缩短了齿轮的使用寿命，大大降低了齿轮工作的可靠性，同时，生产成本比较高，齿轮的重量比较重，运输不便。因此，减振和轻量化是齿轮的两项重要性能，减振可以缓解齿轮因振动加剧的齿轮磨损、降低噪声，延长汽车齿轮的工作寿命，轻量化不仅减轻传动齿轮箱的总重，而且有利于降低冲击，提高系统启动与刹车的灵敏度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种力学性能优良、吸音、减振的轻量化耐磨汽车齿轮及其制备方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种轻量化耐磨汽车齿轮，所述汽车齿轮包括芯体和设置在芯体表面的外层，所述芯体由多孔合金钢陶瓷材料制成，所述多孔合金钢陶瓷材料包括质量比为100：(50.1-145.2)：(0.6-1.2)：(9-12)的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂，所述外层由合金钢陶瓷材料制成，所述合金钢陶瓷材料包括质量比为100：(50.1-145.2)：(7-10)的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂。

汽车齿轮在旋转时啮合齿面要承受着很大的压力和摩擦力，尤其是高速旋转时，因此汽车齿轮要有足够的机械强度、刚度和高温性能。本发明的汽车齿轮包括芯体和外层，制备芯体采用的多孔合金钢陶瓷内部弥散分布着大量独立存在的闭孔孔洞，综合多孔陶瓷和多孔金属的优点，具有一般多孔合金钢陶瓷所不能比拟的高硬度、高强度、抗磨损、抗酸碱、耐高温、耐冲击等性能，同时具有比重小、吸振及吸音性能好等特点，而且通过颗粒控制可使其表面光结度达到所需要求。但是多孔材料的导热性能一般较差，因此本发明的芯体外层采用合金钢陶瓷制成，增强齿轮整天的导热性能，并且防止芯体制备时致孔剂产生的气体的逸出。因此使用制成的汽车齿轮具有很高的强度和刚度，并且整体质量小，大幅减少齿轮工作时的震动和噪音，并且有很强的抗腐蚀性，具有优良的力学性能和使用性能。

作为优选，所述多孔合金钢陶瓷的孔隙率为60.4-75.6％，孔径为10.2-22.0μm。

材料的孔隙率和孔径大小决定了产品最终的力学性能和机械性能，在上述孔隙率和孔径的范围内，多孔合金钢陶瓷具有最佳的硬度、强度、抗冲击等性能和最低的密度，其综合性能达到最优。

作为优选，多孔合金钢陶瓷材料和合金钢陶瓷材料中所述合金钢粉的粒径均为3-12μm，陶瓷粉的粒径均为25-80nm。

多孔合金钢陶瓷的孔隙的大小和孔隙特性主要取决于制备工艺和原料粉体粒径，为了得到整体力学性能优良、比重较小、导热性能好的多孔合金钢陶瓷，本发明将合金钢粉和陶瓷粉的粒径限制在上述范围内。原料粉体的粒径越小，活性越高，越容易烧结。均布在密实的合金钢陶瓷基体中的致孔剂产生分解，释放的气体导致压实体膨胀，形成高度多孔的结构。

作为优选，多孔合金钢陶瓷材料和合金钢陶瓷材料中所述的合金钢粉均由以下质量百分比的组分组成，0.35～0.42％C，0.35～0.50％Si，1.0～1.20％Cr，0.9-1.2％Ni，2.00～2.50％W，0.5-0.9％Mg，0.4-0.7％Mn，0.30-0.45％Mo，0.2-0.4％RE，0.01-0.030％P，0.01-0.030％S，余量为Fe。

本发明中的合金钢含碳量低，导热性较好，但含碳量过低会降低合金钢的硬度和强度；合金钢中加入的Si、Cr可以提高钢的回火稳定性和回火温度，有利于充分消除淬火应力，而又不致降低硬度；加入的W能与C形成硬质核心以细化晶粒、提高韧性，加入适量的Mg和Si可形成强化相Mg₂Si，提高强度和区服极限，同时可改善合金钢的结晶组织；RE具有细化晶粒、加速结晶速度、改善结晶组织的作用；Cr、W、Si可以提高合金钢的临界点，提高合金钢的热疲劳抗力。

作为优选，多孔合金钢陶瓷材料和合金钢陶瓷材料中所述的陶瓷粉均为β-SiC-HBN复合粉体，该β-SiC-HBN复合粉体包括质量比为100：(42.8-57.1)的β-SiC和HBN。

β-SiC和HBN均具有耐热、耐磨、耐腐蚀、导热性能好和低膨胀系数等特点，在加热和冷却过程中受到的热应力很小；并且均具有较低的比重，β-SiC-HBN复合粉体以细颗粒相均匀分布于合金钢相中，合金钢以连续的薄膜状态存在，将陶瓷颗粒包围。由于β-SiC与HBN的热膨胀系数存在一定的差别，致使HBN晶粒发生晶内脱层作用，在β-SiC-HBN复合相内产生许多微孔，这些微孔的存在可以有效缓解由于高温引起的热膨胀，因而极大地改善了材料整体的抗热震性。因此使用β-SiC-HBN复合粉体与合金钢复合制备的齿轮具有较好的抗热震性，并且具有较好的导热性能。

作为优选，所述β-SiC-HBN复合粉体的制备方法为：将摩尔比为1∶(2-3)的H₃BO₃、CO(NH₂)₂溶于无水乙醇中，搅拌，加入60-80％w/w的β-SiC，在800-840℃氮气中反应制得β-SiC-HBN复合粉体。

作为优选，所述致孔剂为致孔剂Ⅰ、致孔剂Ⅱ和致孔剂Ⅲ的混合物，其中，在致孔剂Ⅰ、致孔剂Ⅱ和致孔剂Ⅲ的混合物中，所述致孔剂Ⅰ的含量占混合物总质量的10-15％，致孔剂Ⅱ的含量占混合物总质量的35-55％，余量为致孔剂Ⅲ，所述致孔剂Ⅰ为TiH₂、ZrH₂、NiH₂中的一种或几种，致孔剂Ⅱ为SrCO₃、CaCO₃、MgCO₃、CaMg(CO₃)₂中的一种或几种，致孔剂Ⅲ为偶氮二甲酰胺。

本发明将性质不同的致孔剂配合使用，其中，致孔剂Ⅰ、致孔剂Ⅱ为吸热型致孔剂，致孔剂Ⅲ为放热性致孔剂，混合可以抵消其对多孔合金钢陶瓷致孔化过程的影响，使气孔均匀生长，致孔剂Ⅰ、致孔剂Ⅱ和致孔剂Ⅲ的反应温度不同，可以在烧结的不同时间持续均匀释放气体，使生成孔洞均匀且致密。

作为优选，所述致孔剂的外层包覆有一层网络状的SiC层。

由于致孔剂在300-400℃时就开始反应放出气体，在烧结所用的较高的温度小会剧烈反应，短时间内释放大量气体，导致所形成的孔洞难以达到满意的效果，影响最终产品的性能，因此本发明在致孔剂的外层包覆有一层网络状的SiC层，SiC的抗高温性能较好，可以使致孔剂缓慢释放气体，使多孔合金钢陶瓷得到均一细密的孔洞。

作为优选，所述轮齿的啮合齿面还涂覆有一层由β-SiC-HBN复合粉体形成的耐磨陶瓷层。

汽车齿轮旋转时，其啮合齿面要承受很大的压力和摩擦力，零件的失效往往从表面开始，如前所述，具有耐热、耐磨、耐腐蚀、导热性能好、低膨胀系数和抗热震性等特点，因此，本发明在轮齿的啮合齿面还涂覆一层由β-SiC-HBN复合粉体形成的耐磨陶瓷层，大大增强啮合齿面的耐磨性能和其他性能。

本发明还提供了一种轻量化耐磨汽车齿轮的制备方法，所述制备方法的步骤如下：

S1、将合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂和树脂粘结剂按比例混匀，在1000-1200Mpa压力下压制成芯体生坯；

S2、将合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂按比例混匀，然后涂覆在芯体生坯外部，在1000-1200Mpa压力下压制成汽车齿轮生坯；

S3、将汽车齿轮生坯先在300-500Mpa压力、700-750℃下预烧25-35min；然后在500-700Mpa压力下以5℃/min的速度升温至1000℃、1200℃、1400℃、1430℃、1450℃，分别保温烧结30min、30min、50min、110min、80min，随后冷却至室温，即可得轻量化耐磨汽车齿轮成品。

本发明选用热压的方法进行烧结。热压烧结有助于粉末颗粒的接触和扩散、流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，热压时由于粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动，有助于提高材料致密性，细化陶瓷晶粒，提高材料的抗弯强度和断裂韧性。本发明将齿轮的芯体、外层和啮合齿面的耐磨陶瓷层同时烧结，芯体和外层、外层和耐磨陶瓷层的界面结合紧密，不易脱层。在烧结后对耐磨陶瓷层进行激光扫描，进一步加强耐磨陶瓷层的烧结程度以及耐磨陶瓷层与生坯的紧密结合。

本发明对生坯先进行预烧，可以减少烧结时间，降低烧结能耗。为了保证烧结产品的质量，将烧结压力、烧结温度和烧结时间控制在上述范围内。压力过小，所得到的产品孔隙率大，但是强度和刚性达不到要求；压力过大，致孔剂产生的气体容易溢出，得到的产品孔隙率小，密度大，达不到轻质的要求。温度过低和保温时间过短不能完全烧结，温度过高和保温时间过长会产生熔化、渗漏现象，从而破坏材料的性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的汽车齿轮具有较高的强度、刚度，并且质量小，以保证最小惯性力。导热性好、耐高压、耐腐蚀，有充分的散热能力。汽车齿轮表面耐磨性能好，耐高温、热膨胀系数小，温度变化时，尺寸、形状变化小。吸振及吸音性能好，可大幅减少齿轮工作时的震动和噪音。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本实施例中的汽车齿轮包括芯体和设置在芯体表面的外层，芯体由多孔合金钢陶瓷材料制成，多孔合金钢陶瓷材料由质量比为100：50.1：0.6：9的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂制成，多孔合金钢陶瓷的孔隙率为60.4％，孔径为22.0μm，外层由合金钢陶瓷材料制成，合金钢陶瓷材料由质量比为100：50.1：7的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂制成。

通过如下方法制得本实施例的汽车齿轮：

将质量比为100：50.1：0.6：9的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂混匀，在1000Mpa压力下压制成芯体生坯；将质量比为100：50.1：7的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂混匀，涂覆在芯体生坯外部，在1000Mpa压力下压制成汽车齿轮生坯；

其中，合金钢粉由以下质量百分比的组分组成，0.35％C，0.35％Si，1.0％Cr，0.9％Ni，2.00％W，0.5％Mg，0.4％Mn，0.30％Mo，0.2％RE，0.01％P，0.01％S，余量为Fe；陶瓷粉为β-SiC-HBN复合粉体，包括质量比为100：42.8的β-SiC和HBN；致孔剂为10％w/w的TiH₂、55％w/w的SrCO₃和35％w/w的偶氮二甲酰胺的混合，致孔剂外层包覆有一层网络状SiC层；

将汽车齿轮生坯先在300Mpa压力、700℃下预烧25min；然后在500Mpa压力下以5℃/min的速度升温至1000℃、1200℃、1400℃、1430℃、1450℃，分别保温烧结30min、30min、50min、110min、80min，随后冷却至室温，即可得轻量化耐磨汽车齿轮成品。

实施例2

本实施例中的汽车齿轮包括芯体和设置在芯体表面的外层，芯体由多孔合金钢陶瓷材料制成，多孔合金钢陶瓷材料由质量比为100：80：0.8：10的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂制成，多孔合金钢陶瓷的孔隙率为65.0％，孔径为18.2μm，外层由合金钢陶瓷材料制成，合金钢陶瓷材料由质量比为100：85：8的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂制成。

通过如下方法制得本实施例的汽车齿轮：

将质量比为100：80：0.8：10的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂混匀，在1080Mpa压力下压制成芯体生坯；将质量比为100：85：8的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂混匀，将混匀后的合金钢粉和陶瓷粉涂覆在芯体生坯外部，在1100Mpa压力下压制成汽车齿轮生坯；

其中，合金钢粉由以下质量百分比的组分组成，0.38％C，0.39％Si，1.1％Cr，1.0％Ni，2.2％W，0.6％Mg，0.45％Mn，0.35％Mo，0.3％RE，0.02％P，0.02％S，余量为Fe；陶瓷粉为β-SiC-HBN复合粉体，包括质量比为100：48.0的β-SiC和HBN；致孔剂为12％w/wZrH₂、50％w/wCaCO₃和38％w/w偶氮二甲酰胺的混合，致孔剂外层包覆有一层网络状SiC层；

将汽车齿轮生坯先在350Mpa压力、720℃下预烧28min；然后在600Mpa压力下以5℃/min的速度升温至1000℃、1200℃、1400℃、1430℃、1450℃，分别保温烧结30min、30min、50min、110min、80min，随后冷却至室温，即可得轻量化耐磨汽车齿轮成品。

实施例3

本实施例中的汽车齿轮包括芯体和设置在芯体表面的外层，芯体由多孔合金钢陶瓷材料制成，多孔合金钢陶瓷材料由质量比为100：110：1.0：11的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂制成，多孔合金钢陶瓷的孔隙率为70.8％，孔径为12.3μm，外层由合金钢陶瓷材料制成，合金钢陶瓷材料由质量比为100：100：9的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂制成。

通过如下方法制得本实施例的汽车齿轮：

将质量比为100：110：1.0：11的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂混匀，在1150Mpa压力下压制成芯体生坯；将质量比为100：100：9的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂混匀，将混匀后的合金钢粉和陶瓷粉涂覆在芯体生坯外部，在1160Mpa压力下压制成汽车齿轮生坯；

其中，合金钢粉由以下质量百分比的组分组成，0.40％C，0.45％Si，1.1％Cr，1.1％Ni，2.3％W，0.7％Mg，0.6％Mn，0.40％Mo，0.3％RE，0.02％P，0.01％S，余量为Fe；陶瓷粉为β-SiC-HBN复合粉体，包括质量比为100：50.6的β-SiC和HBN；致孔剂为13％w/wNiH₂、45％w/wMgCO₃和42％w/w偶氮二甲酰胺的混合，致孔剂外层包覆有一层网络状SiC层；

将汽车齿轮生坯先在450Mpa压力、740℃下预烧30min；然后在650Mpa压力下以5℃/min的速度升温至1000℃、1200℃、1400℃、1430℃、1450℃，分别保温烧结30min、30min、50min、110min、80min，随后冷却至室温，即可得轻量化耐磨汽车齿轮成品。

实施例4

本实施例中的汽车齿轮包括芯体和设置在芯体表面的外层，芯体由多孔合金钢陶瓷材料制成，多孔合金钢陶瓷材料由质量比为100：145.2：1.2：12的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂制成，多孔合金钢陶瓷的孔隙率为75.6％，孔径为10.2μm，外层由合金钢陶瓷材料制成，合金钢陶瓷材料由质量比为100：145.2：10的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂制成。

通过如下方法制得本实施例的汽车齿轮：

将质量比为100：145.2：1.2：12的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂混匀，在1000-1200Mpa压力下压制成芯体生坯；将质量比为100：145.2：10的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂混匀，将混匀后的合金钢粉和陶瓷粉涂覆在芯体生坯外部，在1000-1200Mpa压力下压制成汽车齿轮生坯；

其中，合金钢粉由以下质量百分比的组分组成，0.42％C，0.50％Si，1.20％Cr，1.2％Ni，2.50％W，0.9％Mg，0.7％Mn，0.45％Mo，0.4％RE，0.030％P，0.030％S，余量为Fe；陶瓷粉为β-SiC-HBN复合粉体，包括质量比为100：57.1的β-SiC和HBN；致孔剂为15％w/wTiH₂、35％w/wCaMg(CO₃)₂和50％w/w偶氮二甲酰胺的混合，致孔剂外层包覆有一层网络状SiC层；

将汽车齿轮生坯先在500Mpa压力、750℃下预烧35min；然后在700Mpa压力下以5℃/min的速度升温至1000℃、1200℃、1400℃、1430℃、1450℃，分别保温烧结30min、30min、50min、110min、80min，随后冷却至室温，即可得轻量化耐磨汽车齿轮成品。

对比例1

汽车齿轮由本发明中的合金钢制成，其余均与实施例1相同。

对比例2

汽车齿轮由本发明中的合金钢陶瓷制成，其余均与实施例1相同。

对比例3

汽车齿轮的啮合齿面的耐磨陶瓷层在汽车齿轮烧结完成后通过激光扫描的方式涂覆在头部1顶部，其余均与实施例1相同。

将本发明实施例1-4中的汽车齿轮性能与对比例1-3中汽车齿轮的性能进行比较，比较结果如表1所示。

表1：实施例1-4和对比例1-3中金属丝的性能的比较

综上所述，本发明的汽车齿轮具有较高的强度、刚度，并且质量小，以保证最小惯性力。导热性好、耐高压、耐腐蚀，有充分的散热能力。汽车齿轮表面耐磨性能好，耐高温、热膨胀系数小，温度变化时，尺寸、形状变化小。吸振及吸音性能好，可大幅减少齿轮工作时的震动和噪音。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种轻量化耐磨汽车齿轮，其特征在于，所述汽车齿轮包括芯体和设置在芯体表面的外层，所述芯体由多孔合金钢陶瓷材料制成，所述多孔合金钢陶瓷材料包括质量比为100：(50.1-145.2)：(0.6-1.2)：(9-12)的合金钢粉、陶瓷粉、致孔剂、树脂粘结剂，所述外层由合金钢陶瓷材料制成，所述合金钢陶瓷材料包括质量比为100：(50.1-145.2)：(7-10)的合金钢粉、陶瓷粉、树脂粘结剂。

2.根据权利要求1所述的轻量化耐磨汽车齿轮，其特征在于，所述多孔合金钢陶瓷的孔隙率为60.4-75.6％，孔径为10.2-22.0μm。

3.根据权利要求1所述的轻量化耐磨汽车齿轮，其特征在于，多孔合金钢陶瓷材料和合金钢陶瓷材料中所述合金钢粉的粒径均为3-12μm，陶瓷粉的粒径均为25-80nm。

4.根据权利要求1所述的轻量化耐磨汽车齿轮，其特征在于，多孔合金钢陶瓷材料和合金钢陶瓷材料中所述的合金钢粉均由以下质量百分比的组分组成，0.35～0.42％C，0.35～0.50％Si，1.0～1.20％Cr，0.9-1.2％Ni，2.00～2.50％W，0.5-0.9％Mg，0.4-0.7％Mn，0.30-0.45％Mo，0.2-0.4％RE，0.01-0.030％P，0.01-0.030％S，余量为Fe。

5.根据权利要求1所述的轻量化耐磨汽车齿轮，其特征在于，多孔合金钢陶瓷材料和合金钢陶瓷材料中所述的陶瓷粉均为β-SiC-HBN复合粉体，该β-SiC-HBN复合粉体包括质量比为100：(42.8-57.1)的β-SiC和HBN。

6.根据权利要求1所述的轻量化耐磨汽车齿轮，其特征在于，所述致孔剂为致孔剂Ⅰ、致孔剂Ⅱ和致孔剂Ⅲ的混合物，其中，在致孔剂Ⅰ、致孔剂Ⅱ和致孔剂Ⅲ的混合物中，所述致孔剂Ⅰ的含量占混合物总质量的10-15％，致孔剂Ⅱ的含量占混合物总质量的35-55％，余量为致孔剂Ⅲ。

7.根据权利要求1或6所述的轻量化耐磨汽车齿轮，其特征在于，所述致孔剂的外层包覆有一层网络状的SiC层。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的轻量化耐磨汽车齿轮的制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤如下：