CN106984807A

CN106984807A - 一种粉末冶金的表面致密方法

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Publication number: CN106984807A
Application number: CN201611011690.6A
Authority: CN
Inventors: 刘福平; 王丰元; 王华磊; 修玉峰; 张广明
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2017-07-28
Anticipated expiration: 2036-11-21
Also published as: CN106984807B

Abstract

本发明涉及一种粉末冶金的表面致密方法，包括以下步骤：步骤1、粉压成形预压件；步骤2、烧结；步骤3、表面密封；步骤4、加热；步骤5、锻造；步骤6、热处理；步骤7、去毛刺以及步骤8、精加工。其特征在于：所述步骤5锻造采用选区粉锻（Selective Hot‑Forging of Powdered Metals,简称为“SHF” ）：即将零部件根据其最主要的受力部位或最易被磨损部位分为：最需要致密的部位和不需要致密的部位，单击闭模锻打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在锻造时不接触锻造模具或者仅仅作为冲头的限位基准。

Description

一种粉末冶金的表面致密方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金领域，尤其是涉及一种粉末冶金的表面致密方法。

背景技术

1.1 整体粉锻

在粉末冶金行业，特别是产品大规模应用于汽车领域时，迫切的要求是降低成本。利用粉末冶金工艺的近净成形特点，可降低零部件的生产成本，使得粉末冶金零件在汽车中的应用迅速扩大。

然而，没有经过锻造或者表面致密化的粉末冶金零部件，抗疲劳强度与耐磨性比锻钢零部件低，这是因为零部件的力学性能主要受限于材料的残留孔隙。承受高负荷的变速箱齿轮就是一个典型的例子。

为了能在服役工况下承受产生的应力，齿轮必须具有高的抗疲劳强度与滚动接触疲劳强度。除了通过研发新合金材料改进外，若能将粉末冶金钢加工到孔隙度为零，粉末冶金钢的力学性能将能与锻钢的性能相比拟或超越之。从上世纪70年代开始，出现了粉末冶金锻造（简称“粉锻”）法制备齿轮和齿环类的汽车零部件的工艺^[1-6]，这些无一例外的都是对粉末冶金零部件进行整体的锻造。粉锻工艺首先是使用一套模具和一台压机将预混粉原料在室温下压制成预压件（通常称为“生坯”），预压件的尺寸和形状接近最终产品，然后在适当的气氛下、在大约1200℃的高温区里烧结，最终零部件在略低于烧结温度的情况下，在空气中锻造成型^[3，5]。这个粉锻工艺大大地改进了粉末冶金零部件的密度和强度，几乎达到了传统锻钢的水平。过去的三十多年里，一直有粉锻产品应用于汽车上，已经大规模占领市场的粉锻产品包括连杆、齿环、齿轮等，与切齿或者钢锻产品相比不仅有成本上的优势^[3]，而且性能上也有竞争力，比如，锻造导致的齿轮齿根处的晶粒流变显微结构，有效地提升了抗弯疲劳强度^[4]。粉锻齿轮工艺的成熟，再加上粉锻很容易根据一个具体齿轮的要求而调整和优化合金成分，使得粉锻工艺对于某些有高负荷要求的齿轮等产品来说，是最具有综合竞争力的工艺^[6]。

众所周知，粉锻的优点是100%无孔隙密度和力学性能等同锻钢^[7-8]。但是，对零部件进行整体热锻的缺点是^[9]：

1）形状的复杂性受限制；

2）锻造模具磨损；

3）丧失了粉末冶金的尺寸精准性；

4）资本密集；

5）零件的生产成本较高。

因此，整体锻造的粉末冶金齿轮齿环类产品受到制约，在与高强钢材的齿轮竞争时，还没有在市场上表现出压倒性的优势。

在上世纪70年代研发的粉锻产品的质量水准受到了当时粉末冶金行业整体水平的严重限制^[6]。比如，在齿轮轮齿的局部总是有些孔隙，难以通过锻造彻底消除，甚至发现齿轮轮齿内部有裂纹，有损齿轮的性能。也曾发现齿轮轮齿的内部有残留的片状石墨和外来物杂质^[6]。这些没能扩散进入铁基体的片状石墨和外来物杂质来源于粉锻的混粉原材料。庆幸的是，在过去的三十余年里，以上提到的缺陷（孔隙率、裂纹、石墨片、外来混杂物）已经基本上在大规模生产的条件下得到了有效的控制甚至杜绝，这就为粉锻的进一步产业化推广奠定了基础。

粉末冶金零部件的整体锻造分为简单粗糙的开模热锻和复杂精准的闭模热锻。

1.1.1 开模热锻

开模热锻的主要特征是模具中没有中模，只有上冲头和下冲头，横向闪边，是否有芯棒取决于具体的产品。为了使零部件在开模锻造时顺利脱模，在上下冲头上必须有个大约7°的脱模角。这个脱模角降低了材料的利用率，加大了后续加工量，裕料闪边处的模具磨损严重，制约了产品的设计和功能性的关键指标。

1.1.2 闭模热锻

闭模热锻由于其尺寸精度等优势已经在高端产品生产中逐步取代了开模锻造。闭模锻造的要点是将烧结后处于锻造温度的零部件放置在位于中模内腔的下冲头的上面，单击锻打使得零部件处于一个压应力场，先墩粗，再充满模具后纵向闪边，不仅提升了密度，而且使得零部件尺寸更精准，原材料利用率高，保证在锻后冷却到室温时达到要求的尺寸。脱模是通过下冲头顶出而实现的，便于完全自动化，生产的效率可以达到每分钟7件左右。零部件整体的闭模热锻技术已经被大规模产业化^[10]，成功的案例包括粉锻连杆、齿环和齿轮。

1.2 表面致密

在许多服役工况下，负载仅仅在零件表面或其附近会产生高应力，因此，并不需要整个零件具有理论密度（即孔隙度<2 vol.%）。到目前为止，强化粉末冶金钢最引人注意的加工工艺是室温下的选择性表面致密化（Selective Surface Densification，简称“SSD”）。这种工艺形成的表面致密层厚度为0.2～1.0 mm，而密度梯度的范围是从表面的孔隙率接近于零到一般零件芯部的孔隙率约为10 vol.%。齿轮上最需要致密的部位是齿面和齿根，因为齿根承受最大的弯曲力，而齿面承受滚压接触的脉动应力。相比之下，孔隙率在齿轮芯部虽然高，但芯部的强度和刚度在多数服役条件下满足要求，而且，芯部的孔隙率使得齿轮重量降低并阻尼运行噪音。

SSD采用的生产工艺路线如下^[9]：

1）留有裕量地压制到密度7.0 g/cm³左右。

2）在N₂/H₂气氛中的1120℃的高温区烧结约30分钟。零部件在烧结后的含碳量保持在初始的0.2 wt.%左右的水平。冷却速率约0.2℃/s，从烧结温度缓慢冷却，以形成铁素体-珠光体的显微组织。

3）在室温下表面致密化，形成了一层接近理论密度的表面层，深度距离约达到300μm。超出这个区域之外密度逐渐减小，在深度约为1 mm处降至芯部密度水平^[11]。

4）去毛刺。

5）通过在高碳势的气氛中渗碳，以使表面含碳量达到0.5 wt.%的水平，随即淬火。

6）对内径与外径进行磨削加工。

7）由于齿轮轮齿的弹性与回弹，辗压后会产生相当明显的挠曲变形，从而导致在齿的前、后断面产生齿廓与对中误差，再加上淬火导致了额外的变形，这些偏差都需要用研磨加工去除。

近年来，有数家公司成功开发了在室温下表面致密的齿轮，与粉末冶金件的整体热锻工艺相比各有千秋，适用于不同的产品，多数情况下没有直接的可比性。

SSD的发展历史如文献^[12]所述，在 1999年度基金计划中，欧盟将粉末冶金表面致密化齿轮列为“竞争与可持续性增长”项目^[13]。 2003年在美国Las Vegas召开的世界粉末冶金大会上，Slattery等做了关于粉末冶金表面致密化齿轮的试验报告“高密度粉末冶金螺旋齿轮”^[14]。国内大型粉末冶金零部件制造公司于2006年就已经着手于开展表面致密化齿轮的研发，并引进了齿轮表面致密化轧机和轧辊模制作设备^[15]。

室温下径向碾压和轴向推挤致密的技术被日本三菱材料公司PMG分别命名为“DensiForm R”和“DensiForm E”^[16]，文献^[17]描述了这两种方式，并报道成功研制了两种典型粉末冶金零件，即螺旋齿轮与直齿轮，结论是，粉末冶金齿轮的承载能力与噪声级别可与锻钢齿轮相媲美。

1.2.1 室温径向碾压法

烧结后，室温径向碾压DensiForm R工艺是将有径向裕量的烧结态齿轮置于两个配对的辗压工具轮的中心，当工具轮与齿轮接触时，逐渐施加负载，工具轮使齿轮表面致密化，一直进行至达到预定的中心距离，文献^[17-20]对这个加工工艺给予了详细说明。

到目前为止，DensiForm R是制造表面致密化粉末冶金齿轮最有前景的工艺，已经得到了广泛的应用^{[11, 21-22]}。

1.2.2 室温轴向推挤法

室温轴向推挤法的具体实施是通过一套精整模具，数个中模盘纵向（即轴向）排列，内腔尺寸从最大排列至最小。具有径向裕料的预压件在室温下被上冲头沿着轴向强行推过一道又一道的中模内腔，导致零部件的外层材料沿着径向位移，从而实现表面致密。直齿轮的表面致密化是用室温轴向推挤DensiForm E实现的^[17]。Federal Mogul于2011年也申请了类似的发明专利^[23]，该装置用于直齿轮的表面致密化，属于室温下的DensiForm E法^[11]。

然而，轴向推挤法虽然有一定的整形作用，但模具磨损严重，对于表面致密效果甚微，因此，本专利仅仅与室温的DensiForm R作比较。

1.2.3 中温轴向推挤法

值得一提的是Cadle等在2000年获得授权的专利（简称为“Cadle专利”）^[24]，实质上是一个中温轴向推挤工艺，其专利原文描述如下：

“A sintered powder metal part is surface densified by surface heatingfollowed by repressing. Surface heating is preferably done to a temperaturewhich is just below the critical temperature where the steel alloy materialof the part transforms from a ferritic to an austenitic microstructure.Repressing is in a die set which is smaller than the part by 10% of thesurface heated depth. The hot skin is compressed and densified between thedie and the cooler, and therefore less malleable core of the part. Followingsurface densification, the part may be resintered and/or heat treated.^[24]”

以上描述的中文翻译为：

“先将烧结后的粉末冶金零部件表面加热，然后二次压制实现表面致密化。表面加热的温度恰好低于合金钢从铁素体转变成奥氏体的临界相变温度，也就是说，表面加热层是铁素体而不是奥氏体。二次压制是通过一套尺寸小于零部件尺寸的模具，过盈量为加热深度的10%。在中模内腔与因为较冷而不易被塑性变形的零部件芯部之间，被加热了的表面层被压制从而被致密。表面致密之后，零部件可以重新被烧结或者热处理。”

1.2.4 室温径向锻造

关于使用室温锻造以达到表面致密效果的唯一报道来自于Planitzer等^[25], 在室温下径向锤击锻造（Radial Forging Process，简称“RFP”）齿数为偶数的齿轮。文献^[25]描述的是在小批量试验RFP之前的有限元分析，研究了预压件以及锻造模具的设计对于表面致密和尺寸精度的影响。然而，没有报道关于RFP的实验结果，与当今广为使用的DensiForm R在原理上有相似之处，主要差异是使用的工具和设备，看不出相对于DensiForm R的任何优势。

发明内容

本发明设计了一种粉末冶金的表面致密方法，其解决了现有整体粉锻工艺存在的形状复杂性受限制、锻造模具磨损、丧失了粉末冶金的尺寸精准性以及生产成本高等技术缺陷。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种粉末冶金的表面致密方法，包括以下步骤：步骤1、粉压成形预压件；步骤2、烧结；步骤3、表面密封；步骤4、加热；步骤5、锻造；步骤6、热处理；步骤7、去毛刺以及步骤8、精加工。其特征在于：所述步骤5锻造采用选区粉锻（Selective Hot-Forging of PowderedMetals, 简称为“SHF” ）：即将零部件根据其最主要的受力部位或最易被磨损部位分为：最需要致密的部位和不需要致密的部位，单击闭模锻打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在锻造时不接触锻造模具或者仅仅作为冲头的限位基准。

进一步，步骤1所得的预压件的裕料分布于锻击方向，利用高频感应加热完成步骤2烧结，步骤3密封表面后的预压件进行步骤4加热至1000-1200℃，步骤4加热的预压件表面层的加热深度覆盖了将致密至理论密度的区域和从理论密度过渡到芯部密度的区域。

“理论密度”本发明定义为“孔隙率低于2 vol.%的密度”,大约为7.85 g/cm³。 “芯部密度”在此就是烧结后零部件的不关键部位的密度，在DensiForm R中是7.0 g/cm³，在SHF中的“芯部密度”预计是6.7-7.1 g/cm³。

进一步，因为步骤5锻造后的零部件被致密部位仍处于奥氏体状态，利用步骤5锻造余热直接淬火完成步骤6热处理。

一种铁基粉末冶金材料的齿轮，使用上述任何一种方法制得。

一种铁基粉末冶金材料的齿环，使用上述任何一种方法制得。

该粉末冶金的表面致密方法具有以下有益效果：

本发明优越于现有的工艺技术，其预压件的裕料分布于锻击方向，利用高频感应加热烧结并密封表面后的预压件，单击闭模锻打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在锻造时不接触锻造模具或者仅仅作为冲头的限位基准。因为锻造后的被致密部位仍处于奥氏体状态，利用余热直接淬火热处理，无需渗碳，节时节能，生产效率高，具有显著的成本优势和广阔的市场前景。

附图说明

图1：本发明中经过选区粉锻的直齿轮立体结构示意图；

图2：图1中被致密的主要位置示意图；

图3：图2中主要位置表面层的加热深度示意图；

图4：图1中对应的预压件结构示意图；

图5：图4中分布在轴向的裕量示意图；

图6：图5局部放大示意图；

图7：本发明在闭模锻打之前预压件在中模的位置示意图；

图8：图7预压件的外轮廓尺寸小于中模的内腔尺寸示意图；

图9：图7中上冲头单击后件结构示意图。

附图标记说明：

1—上冲头；2—下冲头；3—中模；4—预压件。

具体实施方式

下面结合图1至图9，对本发明做进一步说明：

2.1、本发明粉末冶金的表面致密方法的基本工艺过程如下：

2.1.1 粉压成形预压件；

预压件的设计和控制不仅是整体粉锻的关键技术，也是SHF成功的一个关键点，正确的裕量重量分布和尺寸需要通过计算机模拟来确定，优化的裕量重量分布和尺寸要达到以下目的：

1）锻后的齿面和齿根在离表面2 mm的范围内完全致密；

2）锻造过程中，预压件关键部位先致密后闪边；

3）锻后冷却到室温时，恰好达到了理想的尺寸；

4）其它显而易见的常识性要求（比如，没有折叠、裂纹等缺陷）。

一个经过选区粉锻的直齿轮如图1所示，被致密的主要位置是齿面和齿根如图2所示。表面层的加热深度如图3所示，覆盖了被致密到了理论密度的区域和从理论密度过渡到芯部密度的区域。与该齿轮产品对应的预压件如图4所示，分布在轴向的裕量如图5和图6所示，密度均匀一致，热影响的深度远大于裕量的深度。

2.1.2 烧结和表面密封；

生坯从粉压机上顶出之后，直接进入下一道烧结工序。烧结的温度是1120℃，约30分钟，随后，在保护气氛下冷却到室温。

特别值得强调的是，烧结后的预压件表面的孔隙与内部贯通，空气中的氧气和水蒸气会在数小时内进入预压件内部，导致在下一道工序时快速氧化脱碳，因此，需要利用发明专利^[26]来密封烧结后的表面，如果在烧结后马上密封表面，在不考虑任何其它因素的情况下，能够将脱碳深度降低70%以上，将氧化深度降低50%以上。

2.1.3 加热和锻造；

加热和锻造是本发明的核心工艺步骤。生坯经过烧结和表面密封后，通过高频感应将关键部位重新加热到锻造温度1000-1200℃。齿轮的芯部没有被加热，就能在选区热锻时成为被热锻区的边界约束，因此，锻造模具不需要芯棒，除非作为最理想的定位基准。从将零部件加热到锻造温度时起到单击锻造，间隔时间越短越好，最好能控制在4秒之内，务必不超过8秒，否则，零部件表面层内部的氧化和脱碳层加深，无法在后来的工序中消除。因此，此本发明技术实施的一个例子是将一台高频感应加热单元摆放在锻造压机附近，这样，被加热到了锻造温度的预压件能够方便地通过人工或者机械手快速地传递到锻造模腔内。锻后的表面层达到了理论密度，氧化与脱碳速度与锻钢没有差别。

在闭模锻打之前，预压件在中模的位置如图7所示，预压件的外轮廓尺寸小于中模的内腔尺寸（如图8所示），上冲头单击使得预压件的裕料先在径向墩粗，然后充满中模内腔和上下冲头的面取（如图9所示），齿轮轮齿的外轮廓局部瞬间致密，而非关键部位，比如，齿轮的芯部，在锻造时不接触锻造模具或者仅仅作为冲头的限位基准（Kissing Block）。

2.1.4 热处理；

锻造时，零部件的高温区由于接触到了温度大约处于200-400℃的模具而导致高温区温度快速降低，在锻后的数秒时间内零部件的高温区仍处于奥氏体状态，当冷却到淬火温度（大约843℃）时，直接投入至搅拌的冷却油里做淬火热处理，并根据具体产品的需要而决定是否退火，比如，在300℃退火2小时。

2.1.5 去毛刺和后续精加工；

就热处理后的生产工艺而言，SHF与钢材切齿或DensiForm R没有差异，在此不做重复。去毛刺工序应该包括了表面氧化皮的去除。齿轮的表面品质与噪声的产生有着密切的关系，主要是渐开线（Involute）的齿轮形状，需要精确地设计、制造以及检验，后续精磨齿面就是要保证表面的品质、尺寸、形状满足该产品高等级的要求。精磨的加工量要彻底消除热锻时脱碳和氧化的深度，预计大约为50μm。

2.2 本发明的主要特征：

众所周知，零部件只在最关键的部位需要致密，SHF正是将关键的部位致密，不关键的部位在锻造时不与锻造冲头接触或者仅仅作为冲头的限位基准。这个只在粉末冶金零部件的关键部位被热锻的工艺，称作为“选区粉锻”。

此专利技术SHF的主要特征是：

1）粉末冶金零部件上没有被热锻的位置保持了烧结后的尺寸、形状以及微观结构组织。

2）利用高频感应加热关键部位，生产效率高，易于自动化。

3）因为预压件上的裕料是分布在轴向，轴向锻击先墩粗预压件的高温区，再充满封闭的模具，达到表面致密的目的，在左、右齿腹之间没有明显差异，最适宜于制备直齿轮或齿环。

4）淬火热处理无需额外的加热。高载荷的齿轮都需要热处理，需要加热到临界相变温度以上，在此专利中，热锻后马上淬火就利用了零部件高温区在锻造之后的余热和温度分布场，一次加热既达到了锻造的高温，又达到了热处理温度。

5）无需在预混粉磨原料里保持低到大约0.2 wt.%的含碳量。DensiForm R中采用这么低的含碳量，一是保证烧结后的硬度较低，易于径向碾压致密；二是保证在粉压成形时能达到较高的生坯密度。然而，对于SHF来说，预压件中的含碳量可以高达0.6 wt.%，在1000-1200℃的温度下用一套闭式模具来锻造含碳量这么高的粉末冶金钢，属于已经成功地应用于大规模生产的成熟技术。只要脱碳在热锻时得到了有效的控制，在淬火之前就无需耗时耗能的渗碳。

6）因为选区粉锻被致密的材料的体积和范围小，比整体热锻更容易控制闪边的一致性，有望首次在大规模化生产的条件下实现无闪边致密，对于熟知粉锻工艺的工程师来说，无闪边致密的意义不言而喻。

2.3 技术要点；

2.3.1 预压件的设计和控制

预压件的设计和控制是粉锻的一项核心技术，在此不作详细的介绍。

2.3.2 锻造模具的设计和制备

锻造模具的设计和制备是粉锻的另一项核心技术，在此不作详细的介绍。

2.3.3 锻造模具的温控和润滑

锻造的中模和上下冲头在锻造前被加热并保持在200-400℃，每次锻造单击零部件，模具都通过喷石墨水溶液来冷却润滑，连续锻造数件之后，模具温度达到一个动态平衡，这是大规模生产粉锻连杆、齿环、齿轮的操作办法。

SHF的实施除了借鉴成熟的锻模的温控和润滑方法之外，将开拓一整套更有竞争力的方法，旨在彻底摆脱喷墨工序。

在SHF的实施过程中，可先使用专利技术^[27]在中模温控上，再应用于上下冲头上，有望取代石墨水溶液的冷却作用，即，通过200-400℃机油的热交换法来强行控制模具温度。

摆脱在锻模上喷石墨水溶液而又能有效地润滑模具的具体操作方法如下：预压件在烧结并密封表面之后，将石墨水溶液浸涂到即将高频感应加热的区域，在空气中晾干之后再做高频感应加热，这样能帮助控制表面的脱碳和氧化，更重要的是避免零部件的高温区在锻造时与模具的粘结，也就是起到润滑模具的作用，再者，模具的润滑可以通过锻造模具的表面镀膜来进一步提升。

通过以上两个措施（即，利用有专利权的模具温控和石墨水溶液浸涂预压件的热影响区）来彻底摆脱喷石墨水溶液至锻造模具表面来实现模具的温控和润滑，对于锻造工业来说是件意义非凡的事情，因为这样可以提高生产效率，减小石墨溶液的消耗，更重要的是显著改善了锻造的工作环境。

2.3.4 脱碳和氧化的控制

脱碳和氧化的控制对于粉锻来说至关重要，是通过以下措施实现的：

1）烧结后的表面密封^[26]；

2）在工件的热影响区浸涂石墨水溶液；

3）缩短从高频感应加热至锻造温度到单击锻造的时间，间隔最好控制在4秒之内，务必不超过8秒；

4）适当地降低锻造温度，从最成功的1200℃降到1000℃（略高于此类材料常用的淬火温度843℃）。经验和计算分析表明，锻造温度每降低100℃，脱碳深度降低29%左右。

2.3.5 尺寸精度和表面粗糙度

因为热处理总是导致某种程度上的变形，这种变形除了一个最大变形量可以有所预测之外，基本上没有规律可循，所以，热处理后经过精磨的齿轮，在尺寸精度和表面粗糙度的水准上远高于热处理后不经过精磨的齿轮。由于SHF的高端定位，精磨热处理后的齿轮轮齿面是必须的。

3 本专利的优势；

3.1与整体锻造技术的比较

选区粉锻的优越之处就在于承接了整体热锻的优点，更具体的，关键部位在选区热锻后实现了100%无空隙密度，力学性能等同锻钢；同时，又大大缓解甚至彻底消除了整体锻造的缺点，更具体的，针对零部件整体热锻的缺点^[9]，SHF做出的改进如下：

1）形状的复杂性。在齿轮的多数位置无需热锻致密，保持了多数位置的形状和尺寸。

2）锻造模具磨损。因为SHF的热锻区域小而又对称分布，从零部件传递到模具的热量大幅减少，模具的磨损自然显著降低，并通过采取许多简单易行的方式进一步缓解，比如，（a）冲头的面取可以大大简化；（b）避免又薄又长的模具特征；（c）热锻时采用镶嵌易更换式的模具。

3）粉末冶金的尺寸精准性。在零部件的芯部因为没有被热锻而保持了尺寸精准性；在热锻的所选区域，由于热锻区域小、对称性高、形状简单，尺寸精准性与不热锻的齿轮和齿环没有大的差别。

4）资本密集。由于简化了加热方式，由常见粉锻的整体加热改变成一小选区的加热，加热设备投入大大减小，能耗降低。锻造机所需吨位和要求的精度也大大降低，预计热锻设备投资降低60%左右。

5）在此值得强调的是，SHF有工件传递上的优势：

首先，SHF中没有被加热的位置微观结构仍然是铁素体，具有磁性，带来的另一个优势是可以利用这个磁性实现自动化传递。相比之下，零部件整体热锻的一个技术难点是：加热使得整体的微观结构转变成了奥氏体，失去了磁性，只能用机械的方法夹持，由此产生了一系列的问题，包括：

1）夹具接触高温的零部件，热量迅速传递到夹具上，夹具随后龟裂、快速磨损、软化弯曲变形，夹具寿命堪忧。

2）热量迅速传递到夹具上还使得零部件在接触到夹具的位置迅速降温，打乱了温度在零部件上分布的均匀性，被冷却的位置在锻造时抗力大，难以致密和成型，冷却到室温时的局部尺寸收缩偏小。

其次，SHF中零部件上没有被加热的位置，比如齿轮芯部的内径处，可以直接作为夹具夹持的位置，夹具不接触加热的表面，不存在夹具热损伤的问题。。

3.2 与表面致密技术的比较

SHF相对于DensiForm R的优势归纳如下：

1）生产效率和成本上的优势。 SHF实施的初期以人工传递零部件为主，一旦样件通过了测试，验证了技术的可行性和总成本的优势，SHF易于实现全自动化连续生产线，每个工序的产能相匹配，很容易达到每分钟7件的生产效率，减少了浪费。相比之下，DensiForm R不易实现完全自动化，也就是说，SHF的生产效率至少提高了数倍！对总成本影响之显著可想而知。

2）原料成分上的优势。SHF无需为了保证混合粉的压缩性高而降低混合粉原料中的石墨含量至0.20 wt.%左右，可以在预混粉原料里就加入0.6 wt.%左右的石墨粉，也就不需要在后期的热处理中渗碳，这就为高频感应淬火提供了基本的条件。因为高频淬火是在空气中进行的，而且高频加热的时间通常为1-5秒，时间太短，即使在碳势高的气氛中高频感应加热也不足以渗碳。选区粉锻因为无需这个耗时耗能的渗碳工艺，实现了：

a）降低整体热处理的变形；

b）缩短生产周期；

c）降低生产成本。

3）致密化深度上的优势。SHF达到的致密化深度不局限在离表面1 mm左右的范围内，按照本发明专利申请揭示的方法，实现的表面致密化深度至少是2 mm，如果从零部件其它的角度（比如，功能、生产工艺的稳定可靠性、质量的一致性，特别是对于总成本的影响）认为有必要加大致密化深度，超过4 mm的致密化深度也是可以实现的。

4）弹性变形方面的优势。SHF被热锻区域的弹性基本可以忽略不计；相比之下，DensiForm R工艺中的弹性变形加上烧结件正常的密度变化是产生废品的几个主要原因之一。

5）与冲压技术竞争时的优势。冲压技术在制备轴向尺寸小于5 mm的零部件时常常表现出综合的竞争优势，然而，当DensiForm R从径向施压于一个轴向尺寸较薄的零部件时，会导致失稳和翘曲，齿面轴向误差（Lead）失控。相比之下，SHF是轴向施压锻造，零部件的轴向尺寸偏薄不是问题。

6）在制备轴向对称性低的零部件时的优势。如果在齿轮轮齿的轴向半高处选取垂直于轴向的平面A，DensiForm R仅仅适用于相对于平面A对称性高的零部件，否则，径向碾压时不对称的弹性变形将导致齿面轴向误差直接失控。然而，SHF不受零部件相对于平面A对称性的限制。

在此需要指出的是，在精磨工序上， DensiForm R没有优越于SHF之处。DensiFormR的回弹导致误差，随后的热处理导致进一步的变形，失去了尺寸精度，所以，DensiForm R表面致密的变速箱齿轮热处理后必须精磨才能达DIN 3962 Q7 或者 AGMA 10的精度；相比之下，SHF被热锻的表面有个脱碳氧化层，深度小于50μm，再加上锻后的表面光洁度不高，同样需要精磨齿面才能满足要求。

至于SHF与“Cadle专利”^[24]的不同之处，可以总结为：

1）致密温度截然不同。SHF强调锻造温度高于临界相变温度；而“Cadle专利” 强调其二次压制（Repressing）温度低于临界相变温度。SHF的基本思想是：热锻后的零部件在数秒内仍然处于奥氏体状态，锻后直接淬火热处理，得到以马氏体为主的微观结构。而“Cadle专利”没有借助锻后余热进行淬火热处理的可能性，仅仅试图借助铁素体的低流变应力来改善二次压制模具的寿命。

2）致密原理截然不同。SHF使用的是闭模锻造，零部件在锻前的外轮廓尺寸小于中模内腔轮廓，在锻造时被墩粗并充满中模内壁与上下冲头面取形成的三维空间；而“Cadle专利” 使用的是一个含糊笼统的二次压制，预压件的外轮廓尺寸大于中模内腔轮廓，完全不是一个以墩粗和充满模腔为主要特征的锻造工艺。

3.3可预计的拓展方向

最后需要指出的是，本发明申请阐述了一套基本原理和思想，但对于熟知粉锻技术的科研工作者来说，以下数个拓展方向是显而易见的，都属于本发明专利将要申请保护的范围：

不局限于高频感应加热方式。还包括了其它的局部加热方法，比如，激光加热、等离子加热；也覆盖了零部件整体加热的方式，比如，电热炉或者天然气炉加热，甚至可以利用现成的网带式烧结炉再次加热并在高温区用机器人掏出。

不局限于齿轮或齿环。还包括了其它部位（比如内花键等）需要热锻的产品，甚至包括在某个小范围的特定位置需要应用选区粉锻的功能性零部件。

不局限于铁基材料。SHF的应用范围很容易复制到铝基、铜基、钛基、镍基高速钢、甚至超硬材料上。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

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Claims

1.一种粉末冶金的表面致密方法，包括以下步骤：步骤1、粉压成形预压件；步骤2、烧结；步骤3、表面密封；步骤4、加热；步骤5、锻造；步骤6、热处理；步骤7、去毛刺以及步骤8、精加工；其特征在于：所述步骤5锻造采用选区粉锻（Selective Hot-Forging of PowderedMetals, 简称为“SHF” ）：即将零部件根据其最主要的受力部位或最易被磨损部位分为：最需要致密的部位和不需要致密的部位，单击闭模锻打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在锻造时不接触锻造模具或者仅仅作为冲头的限位基准。

2.根据权利要求1所述粉末冶金的表面致密方法，其特征在于：步骤1所得的预压件的裕料分布于锻击方向，步骤3密封表面后的预压件进行步骤4利用高频感应加热至1000-1200℃，步骤4加热的预压件表面层的加热深度覆盖了将致密至理论密度的区域和从理论密度过渡到芯部密度的区域。

3.根据权利要求1或2所述粉末冶金的表面致密方法，其特征在于：因为步骤5锻造后的零部件被致密部位仍处于奥氏体状态，利用步骤5锻造余热直接淬火完成步骤6热处理。

4.一种铁基粉末冶金材料的齿轮，其特征在于：使用权利要求1-3中任何一种方法制得。

5.一种铁基粉末冶金材料的齿环，其特征在于：使用权利要求1-3中任何一种方法制得。