CN106541141A

CN106541141A - 一种粉末冶金凸轮的制造方法

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Publication number: CN106541141A
Application number: CN201510600210.9A
Authority: CN
Inventors: 包崇玺; 詹学救; 周国燕; 赵万军
Original assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Current assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2035-09-18
Also published as: CN106541141B

Abstract

一种粉末冶金凸轮的制造方法，步骤：将凸轮生坯分割为三部分，外圈采用高碳烧结钢，二个内圈为低碳烧结钢，分别将配制好的混合粉在压机上压制成密度为6.25～7.4g/cm³的外圈生坯和密度为6.5～7.4g/cm³的内圈生坯；将二个内圈装入外圈的内孔环形凹槽内；烧结；热处理；根据技术要求将烧结和热处理的凸轮机械加工及研磨至规定的尺寸。与现有技术相比，本发明的优点在于：热处理凸轮的材料由两部分组成，凸轮外圈具备高强度、耐磨损的性能，而凸轮内圈具备良好的焊接性能，可以保证焊接，尤其是激光焊接的需要，有效解决凸轮与凸轮轴的连接问题，且内外圈结合紧密，达到冶金结合的水平，能保证零件的可靠性。

Description

一种粉末冶金凸轮的制造方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金领域，尤其是一种铁基粉末冶金凸轮的制造方法。

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。(1)传统凸轮轴很难同时满足上述要求，材料利用也不尽合理。(2)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。(3)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。(4)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。(5)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。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。传统凸轮及凸轮轴采用

整体铸造方法生产，但由于机械加工量大，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。

激光焊接是现代汽车行业重要的零件连接方式。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。激光焊接具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同或不同材质、厚度的金属间的焊接，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。激光束可以被聚得很细，光斑能量密度很高，几乎可以气化所有的材料，有广泛的适用性；激光功率可控，易于实现自动化；激光束功率密度很高，焊缝熔深大，速度快，效率高；激光焊缝窄，热影响区很小，工件变形很小，可实现精密焊接；激光焊缝组织均匀，晶粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。

激光焊接技术目前在粉末冶金材料领域的研究和应用还十分有限，主要是因为粉末冶金材料焊接时难以避免孔隙的出现，从而使焊缝外观、焊接质量受到影响；焊接工艺及材料的选取也比一般的冶铸材料难度大。

粉末冶金零件的化学成份、烧结条件和后热处理都能影响激光焊接接头强度。产品的密度和碳含量也是影响接头强度重要因素。

凸轮需要高强度和高耐磨性。为了保证强度和耐磨性，碳是钢质凸轮中必不可少的合金元素，在正常情况下，碳含量越高，强度越高，耐磨性越好。但是，随着碳含量增加，材料的焊接性下降，尤其是激光焊接。将碳含量高于0.8％的凸轮与凸轮轴进行激光焊接组装是非常困难的。

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造方法，制备工艺简单合理，制得的凸轮可与凸轮轴焊接，有效解决凸轮与凸轮轴的连接问题。

本发明为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造方法，其特征在于依次包括如下步骤：

1)设计凸轮，将凸轮生坯分割为一个外圈、二个内圈三部分，外圈的内孔前后两侧分别开设有供内圈嵌入的环形凹槽；

2)准备好外圈原料，外圈采用高碳烧结钢，将铁、铬、钒、钼、钨、镍、碳、铜按以下质量百分比混合成混分粉，配比为铬：0～20％，钒：0～10％，钼：0～11％，钨：0～18％，镍：0～3％，碳：0.4～1.5％，铜：0～4％，不超过2％的不可避免的杂质，铁：余量；其中，铬、钒、钼、钨、镍、铜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；

3)将上述混合粉在压机上压制成密度为6.25～7.4g/cm³的外圈生坯，压制压力大于400MPa；

4)准备内圈原料，内圈采用低碳烧结钢，将铁、铬、钼、镍、碳、铜按以下质量百分比混合成混合粉，配比为铬：0～18％，钼：0～11％，镍：0～15％，碳：0～0.5％，铜：0～4％，不超过2％的不可避免的杂质，铁：余量；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；

5)将上述混合粉在压机上压制成密度为6.5～7.4g/cm³的二个内圈生坯，压制压力大于400MPa；

6)将两个内圈别装入外圈的内孔环形凹槽处，组装后凸轮生坯，并将组装后的生坯放置到烧结承烧板上；

7)烧结，将该凸轮生坯在温度1000℃～1350℃中进行烧结，烧结的时间为5～180分钟上，烧结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；

8)热处理，根据热处理要求将已烧结的凸轮组件进行感应热处理，频率可为高频、中频或高中频，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；

9)根据图纸技术要求将烧结和热处理的凸轮机械加工及研磨至规定的尺寸。

作为优选，所述步骤1)中的二个内圈的形状、尺寸、材料及密度相同。

作为改进，所述步骤2)、步骤4)中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3)、步骤5)中的压制采用温压成形或模具加热成形，以降低压制压力或进一步提高生坯密度。

作为改进，所述步骤4)中内圈的铜含量大于1.0％，碳含量小于0.2％，内圈的铜含量高于步骤2)中外圈的铜含量。这样在烧结时可保证凸轮内圈膨胀而凸轮外圈收缩或膨胀得更小，烧结后凸轮内圈与凸轮外圈结合力更好。

再改进，所述步骤7)烧结后的外圈的密度大于7.5g/cm³，内圈的密度大于7.2g/cm³。

再改进，所述步骤7)烧结后增加退火、挤压和精整工序，修正凸轮的轮廓以及内孔精度。

再改进，所述步骤8)的热处理根据凸轮外圈的材料特性，可采用真空热处理，或者当凸轮内圈的密度大于7.2g/cm³，可采用整体热处理，热处理气氛为非渗碳性的气氛。

再改进，所述步骤8)的热处理根据凸轮外圈的材料特性，可通过烧结后直接控制冷却速度，实现凸轮外圈的硬化(即烧结硬化)，根据材料的回火特性进行回火。

进一步改进，所述步骤8)热处理后，还可增加喷丸处理，以进一步提高产品的疲劳强度和表面密度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：将凸轮分割为不同的材料的二个内圈和一个外圈三部分，外圈采用高碳烧结钢，具备高强度、耐磨损的性能，而内圈采用低碳烧结钢，具备良好的焊接性能，可以保证焊接，尤其是激光焊接的需要。本发明工艺简单合理，有效解决凸轮与凸轮轴的连接问题，内外圈结合紧密，达到冶金结合的水平，能保证零件的可靠性。

附图说明

图1a、图1b为本发明制备的凸轮的结构示意图；

图2为外圈A部分的结构示意图；

图3为内圈B、C部分的结构示意图；

图4为实施例二结合部分的低倍孔隙照片；

图5为实施例二结合部分的高倍孔隙照片；

图6为实施例四结合部分的低倍孔隙照片；

图7为实施例四结合部分的高倍孔隙照片；

图8为实施例六结合部分的低倍孔隙照片；

图9为实施例六结合部分的高倍孔隙照片。

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

外圈A：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；

内圈B、C：铁粉99.4％；碳为0.10％，然后加入含量为0.5％润滑剂；

2)将上述混合粉成形

外圈A：压力500MPa，生坯密度6.95g/cm³；

内圈B、C：压力600MPa，生坯密度7.15g/cm³；

3)将两个内圈B、C部分别装入外圈A部的环形凹槽b，c处，组装后为图1的凸轮生坯，并将组装后的生坯放置到烧结承烧板上；

4)烧结，将该凸轮零件在温度1250℃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；

5)热处理：外圈高频淬火后，回火温度为200℃，保温120分钟，使热处理的硬化层深度0.2～5mm。

实施例二:

1)准备好原料

外圈A：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98.6％；碳为0.90％，然后加入含量为0.5％的润滑剂；

内圈B、C：铁粉97.3％；碳为0.20％；铜为2％，然后加入含量为0.5％润滑剂；

2)将上述混合粉成形

外圈A：压力500MPa，生坯密度7.00g/cm³；

内圈B、C：压力650MPa，生坯密度7.15g/cm³；

4)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；

5)退火：温度850℃，保温100分钟，以1℃/min的冷却速度冷至300℃以下；

6)挤压和精整：将退火的零件挤压和精整，修正凸轮的轮廓以及内孔精度；

7)热处理：外圈高频淬火后，回火温度为200℃，保温120分钟，使热处理的硬化层深度0.2～5mm。

实施例三:

1)准备好原料

外圈A：铁铬钼和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉(铬为17.0％，钼为1.0％，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；

内圈B、C：铁合金粉(含钼1.0％，不可避免的其他物质小于1％，铁为余量)97.3％；碳为0.20％；铜为2％，然后加入含量为0.5％润滑剂；

2)将上述混合粉成形

外圈A：压力600MPa，生坯密度6.50g/cm³；

内圈B、C：压力650MPa，生坯密度7.15g/cm³；

3)将两个内圈B、C部分别装入外圈A的环形凹槽b，c处，组装后为图1的凸轮生坯，并将组装后的生坯放置到烧结承烧板上；

4)烧结，将该凸轮零件在温度1260℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在以氮气为基础、氢气的比例为1～75vol％的推杆烧结炉中进行；

5)热处理：外圈高频淬火后，回火温度为200℃，保温120分钟，使热处理的硬化层深度0.2～5mm；

6)喷丸：提高产品的疲劳强度和表面密度。

实施例四:

1)准备好原料

外圈A：即铁铬和碳的混合粉，其配比为：铁合金(铬为12.0％，不可避免的其他物质，小于1％，铁为余量)为98.0％；碳为1.50％，然后加入含量为0.5％的润滑剂；

内圈B、C：铁粉96.3％；碳为0.20％；铜为2％；镍为1％，然后加入含量为0.5％润滑剂；

2)将上述混合粉成形

外圈A：压力600MPa，生坯密度6.40g/cm³；

内圈B、C：压力650MPa，生坯密度7.15g/cm³；

实施例五:

1)准备好原料

外圈A：即铁铬和碳的混合粉，其配比为：铁合金(铬为12.0％，不可避免的其他物质，小于1％，铁为余量)为50％；纯铁粉为48％；碳为1.50％，然后加入含量为0.5％的润滑剂；

内圈B、C：铁合金粉(铬为1.5％，不可避免的其他物质小于1％，铁为余量)97.4％；碳为0.10％；铜为2％，然后加入含量为0.5％润滑剂；

2)将上述混合粉成形

外圈A：压力500MPa，生坯密度7.00g/cm³；

内圈B、C：压力650MPa，生坯密度7.15g/cm³；

实施例六:

1)准备好原料

外圈A：即铁铬钼钒钨和碳的混合粉，其配比为：铁合金(钨为6％，铬为4.0％，钼为5％，钒为2％，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)将上述混合粉成形

外圈A：压力600MPa，生坯密度6.35g/cm³；

内圈B、C：压力650MPa，生坯密度7.15g/cm³；

3)将两个内圈B、C部分别装入外圈A的环形凹槽b，c处，组装后为图1的凸轮生坯，并将组装后的生坯放置到烧结承烧板上。

4)烧结，将该凸轮零件在温度1245℃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；

5)热处理：1180摄氏度真空保温60分钟，10Bar的氮气冷却，560摄氏度回火120分钟；

6)研磨：研磨至规定的尺寸。

实施例七：

1)准备好原料

外圈A：即铁铬钼钒钨和碳的混合粉，其配比为：铁合金(钨为18％，铬为4.0％，钒为1％，不可避免的其他物质，小于1％，铁为余量)为60％；纯铁粉为38％；碳为1.5％，然后加入含量为0.5％的润滑剂；

2)将上述混合粉成形

外圈A：压力600MPa，生坯密度6.35g/cm³；

内圈B、C：压力650MPa，生坯密度7.15g/cm³；

5)热处理：外圈高频淬火后，回火温度为560℃，保温120分钟，使热处理的硬化层深度0.2～5mm。

实施例八：

1)准备好原料

外圈A：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)将上述混合粉成形

外圈A：压力600MPa，生坯密度7.05g/cm³；

内圈B、C：压力700MPa，生坯密度7.20g/cm³；

实施例九：

1)准备好原料

2)将上述混合粉成形

外圈A：压力600MPa，生坯密度6.35g/cm³；

内圈B、C：压力650MPa，生坯密度7.15g/cm³；

5)烧结结束后再1180℃真空保温30分钟，10bar的氮气冷却，560摄氏度回火150分钟。

实施例十：

1)准备好原料

内圈B、C：铁合金粉(其中铬为17％，镍为12％，钼为2.5％，不可控制的其他元素小于2％，其余为铁)为99.5％，然后加入含量为0.5％润滑剂；

2)将上述混合粉成形

外圈A：压力500MPa，生坯密度7.00g/cm³；

内圈B、C：压力650MPa，生坯密度7.15g/cm³；

实施例十一：

1)准备好原料

外圈A：即铁铬和碳的混合粉，其配比为：铁合金(铬为12.0％，不可避免的其他物质，小于1％，铁为余量)为50％；纯铁粉为48.3％；碳为1.20％，然后加入含量为0.5％的润滑剂；

内圈B、C：铁粉97.5％；铜为2％，然后加入含量为0.5％润滑剂；

2)将上述混合粉成形

外圈A：压力500MPa，生坯密度7.00g/cm³；

内圈B、C：压力650MPa，生坯密度7.15g/cm³；

实施例十二：

1)准备好原料

凸轮外圈A：即铁合金粉(钨为6％，钼为5％，铬为4％，钒为2％，不可避免的其他物质小于1％，余为铁)98.3；碳为1.2％，然后加入含量为0.5％的润滑剂；

凸轮内圈B、C：纯铁97％；电解铜粉2.5％，加入含量为0.5％润滑剂；

2)将上述混合粉成形

凸轮外圈A：压力600MPa，生坯密度6.50g/cm³；

凸轮内圈B、C：压力750MPa，生坯密度7.30g/cm³；

3)将凸轮内圈B、C部装入凸轮外圈A的内孔处，组装后为图2的凸轮生坯，并将组装后的生坯放置到烧结承烧板上。

4)烧结，将该凸轮零件在温度1250℃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；烧结后凸轮外圈A的密度为7.95g/cm³，内圈B、C密度为7.30g/cm³。

5)热处理：热处理：1180℃真空保温60分钟，10Bar的氮气冷却，560摄氏度回火120分钟。

实施例十三:

1)准备好原料

凸轮外圈A：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98.5％；碳为1.00％，然后加入含量为0.5％的润滑剂；

凸轮内圈B、C：铁粉99.5％；润滑剂0.5％.

2)将上述混合粉成形

凸轮外圈A：压力800MPa，生坯密度7.25g/cm³；

凸轮内圈B、C：压力800MPa，生坯密度7.35g/cm³；

3)将凸轮内圈B、C部装入凸轮外圈A的内孔处，组装后为图2的凸轮生坯，并将组装后的生坯放置到烧结承烧板上；

4)烧结，将该凸轮零件在温度1250℃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；烧结后凸轮外圈A部分密度7.30g/cm³；凸轮内圈B、C部分密度为7.35g/cm³；

5)热处理：在不含碳的中性气氛中(纯氮气)中加热至860摄氏度保温40分钟，淬火，回火温度为200℃，保温120分钟，外圈硬度HRC为60。

Claims

1.一种粉末冶金凸轮的制造方法，其特征在于依次包括如下步骤：

7)烧结，将该凸轮生坯在温度1000℃～1350℃中进行烧结，烧结的时间为5～180分钟，烧结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；

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤1)中的二个内圈的形状、尺寸、材料及密度相同。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤2)、步骤4)中的润滑剂及石墨采用粘接处理方式加入。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤3)、步骤5)中的压制采用温压成形或模具加热成形。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤4)中内圈的铜含量大于1.0％，碳含量小于0.2％，内圈的铜含量高于步骤2)中外圈的铜含量。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤7)烧结后的外圈的密度大于7.5g/cm³，内圈的密度大于7.2g/cm³。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤7)烧结后增加退火、挤压和精整工序，修正凸轮的轮廓以及内孔精度。

8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤8)的热处理根据凸轮外圈的材料特性，可采用真空热处理，或者当凸轮内圈的密度大于7.2g/cm³，可采用整体热处理，热处理气氛为非渗碳性的气氛。

9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤8)热处理后，还可增加喷丸处理。