CN107552800B

CN107552800B - 一种齿轮轴套

Info

Publication number: CN107552800B
Application number: CN201710622890.3A
Authority: CN
Inventors: 蔡健翰; 张小芬
Original assignee: Ningbo Jinzhong Powder Metallurgy Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jinzhong Powder Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: CN107552800A

Abstract

本发明涉及一种轴套，具体涉及一种齿轮轴套，属于粉末冶金技术领域。所述齿轮轴套材料由以下重量百分数成分组成：C0.6‑0.9％，Cu1.3‑1.7％，Ni1.55‑1.95％，Ce0.03‑0.05％，Mo0.4‑0.6％，Mn0.05‑0.30％，硬脂酸0.8‑1.4％，其余为铁。本发明齿轮轴套配伍合理，在传统粉末冶金一次压制一次烧结的基础上在增加了二次压制，克服烧结后生坯件孔隙过多，结构疏松的问题，使粉末冶金后产品硬度和密度大幅度提高。且本发明二次压制前生坯件表面涂覆保护剂，保护剂能填充生坯件表面孔隙，后升高温度，使保护剂向生坯件内部扩散，从而获得致密的烧结齿轮轴套，提高其密度和硬度。

Description

一种齿轮轴套

技术领域

本发明涉及一种轴套，具体涉及一种齿轮轴套，属于粉末冶金技术领域。

技术背景

齿轮是机械设计中的重要部件，轴套通常套设在齿轮转轴上对齿轮转轴起保护作用，齿轮轴套拥有两者功能，拥有齿轮部分和轴套部分。粉末冶金是目前普遍采用的齿轮轴套加工方法，该方法不仅工艺链短，而且机械加工少，大大节约金属材料，降低成本。但目前一般能冷压出的齿轮轴套的强度和耐磨性能不佳，不利于应用于汽车发动机、变速器等高强度作业设备中。中国专利申请(公开号： CN106111976A)公开了一种原料包括水雾化铁粉、铜粉、钼粉、钒粉、镍粉、钇粉、铝粉、镁粉、钴粉、铅粉、钢渣粉、化铁炉渣粉、铁合金渣粉、改性树木灰烬粉、石墨粉、氨基树脂、聚醚改性硅油、羟丙基甲基纤维素、硬脂酸锌、聚乙二醇、乙撑双硬脂酸酰胺、硬酯酸、碳素纤维、玻璃纤维、氮化硼、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、二氧化硅、硫化锰、丙烯酸酯、抑制剂、粘结剂、强化剂、切削剂、润滑剂、偶联剂、分散剂的粉末冶金齿轮，虽然产品耐磨性和强度有所提高，但材料组成过于复杂，不利于大规模工业生产。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种高强度、高硬度的齿轮轴套。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：一种齿轮轴套，所述齿轮轴套材料由以下重量百分数成分组成：C：0.6-0.9％，Cu： 1.3-1.7％，Ni：1.55-1.95％，Ce：0.03-0.05％，Mo：0.4-0.6％，Mn： 0.05-0.30％，硬脂酸：0.8-1.4％，其余为铁。

本发明中齿轮轴套毛坯件为铁基合金，组份中含有碳，它能与铁形成间隙固溶体，铜起固溶强化作用，提高材料密度和强度，镍主要提高材料强度和硬度，它和铜同时进行合金化，以稳定整体烧结结构，稀土元素Ce能除去合金中的杂质元素，使各金属结合更为紧密，钼能提高材料强度和淬透性，减小回火脆性，锰作为脱氧剂，防止材料表面存在太空隙，结构更为致密，提高材料强度，本发明中还添加了润滑剂，在金属成型时它可减少摩擦应力，增加金属流动性，从而达到延长使用寿命和降低温升的作用。

本发明的另一个目的在于提供一种齿轮轴套的制备方法，该方法包括以下步骤：

混料：将齿轮轴套材料加入混料机中，搅拌均匀获得其粉末混合物；

压制：将粉末混合物放入预设的产品模具中，并在500-600MPa 的压力下压制成生坯件；

烧结：在氢气和氮气的保护下将生坯件进行烧结；

二次压制：在烧结后生坯件表面涂覆一层保护剂后，重复压制步骤，且在压制过程中升高温度，在800-900℃保温30-60min后获得半成品坯件；

后处理：用数控机床加工后直接进行蒸汽处理。

齿部高频淬火：将半成品坯件置于高频电流工作区，设定电流频率400-500KHz，淬火5-10s，室温冷却得到齿轮轴套成品。

粉末冶金采用一次压制一次烧结后获得的产品，其表面及其内部会存在大量的孔隙，会使其抗疲劳性能大大降低，也是粉末冶金成品耐磨性、强度和硬度降低的主要原因。本发明在烧结后又进行了二次压制，且压制前在生坯件表面涂覆保护剂，该保护剂能填充生坯件表面孔隙，二次压制需要升高温度，使保护剂向生坯件内部扩散，从而获得致密的烧结齿轮轴套，提高其密度和硬度。

所述的烧结其工艺设定为烧结温度1100-1200℃，烧结时间3-4h。

所述的氢气和氮气通入的体积比为2-3:1。烧结过程中烧结气氛能影响到烧结体的孔隙率、致密度、强度和硬度等。本发明通入了氢气和氮气，氢气是还原性气氛，能保护金属不被氧化和压坯中金属氧化物被还原，且氢气气体原子尺寸小，扩散系数大，有利于烧结气孔排除。氮气是一种惰性气氛，能够使炉内毛坯件不被氧化和环境中的杂质黏着。其中氢气需参与反应达到效果，通过量略多于氮气，但过多氢气氛围下混入氧气极不安全。

涂覆保护剂的厚度为0.2mm-1mm。所述的保护剂包括以下重量份数的组分：氟素油：30-50份、羟丙基甲基纤维素：10-20份、甘油醇：10-15份、氧化镁：2-5份、氧化硅：2-5份、碳化钨：2-5份。本发明中保护剂包括氟素油、羟丙基甲基纤维素、甘油醇、氧化镁、氧化硅、碳化钨，氟素油是一种很好的金属润滑剂，能极大改善金属的抗疲劳性能，羟丙基甲基纤维素通过甘油醇在氟素油中快速扩散，加热后能使溶液变得粘稠方便涂覆，且羟丙基甲基纤维素是一种有效的韧性填充剂，能够起到填充和封闭生坯件孔隙的作用，再次压制也能避免开裂等现象，增加粉末合金的抗冲击韧性和耐磨性能。氧化镁、氧化硅添加能改善金属的耐磨、韧性、抗冲击强度，碳化钨硬度极高，高温下三者能附着在生坯件表面，改善生坯件表面硬度和强度。

所述的烧结其工艺设定为烧结温度1100-1200℃，烧结时间3-4h。

所述的氧化镁、氧化硅、碳化钨的粒度均为纳米级。纳米材料粒度细便于在保护剂溶剂相中快速分散，且活性强，对合金表面有增强作用，附着在表面后能快速渗透，增强合金表面硬度和密度。

所述的蒸汽处理具体步骤为将半成品坯件置于反应炉中，先升温至500-600℃，然后通入氮气30-50min，接着进行二段式通入水蒸气。

所述的二段式通入水蒸气中第一段的炉胆压力为1-5Kpa时，水蒸汽通入时间为80-150min；第二段的炉胆压力为25-35Kpa，水蒸汽通入时间为60-120min。

蒸汽处理只要目的是在铁基合金表面形成一层致密、连续、分布均匀的Fe₃O₄保护膜，提高表面光洁度硬度、气密性、耐磨性和耐腐蚀性等。但由于Fe在不同的条件下，会生成三种氧化物，即FeO、 Fe₂O₃、Fe₃O₄，FeO不稳定，且具有多孔结构，Fe2O3是非常疏松的氧化物，它们两者与铁基体的结合力都不强，不利于提高零件的硬度、气密性，所以蒸汽处理时需要控制严格控制温度、时间、反应压力来得到理想的Fe₃O₄氧化膜。

现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明齿轮轴套的生坯件为铁基合金，组份包括C、Cu、Ni、 Ce、Mo、Mn等金属元素，通过组分之间产生的协同作用提高齿轮轴套的强度和密度。

2、本发明在传统粉末冶金一次压制一次烧结的基础上在增加了二次压制，克服了烧结后生坯件孔隙过多，结构疏松等问题，提高齿轮轴套的硬度和密度。

3、本发明二次压制前生坯件表面涂覆保护剂，保护剂能填充生坯件表面孔隙，后升高温度，使保护剂向生坯件内部扩散，从而获得致密的烧结齿轮轴套，提高其密度和硬度，还能润滑增韧整个合金，防止高压高温下合金变脆、出现开裂等现象。

4、本发明粉末冶金制备方法省去了烧结后整体的淬火、回火，能够减少生产成本，提高生产效率。

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

混料：按表1将齿轮轴套材料加入混料机中，搅拌均匀获得其粉末混合物；所述的齿轮轴套材料包括以下组成元素及其重量百分数： C：0.6％，Cu：1.3％，Ni：1.55％，Ce：0.03％，Mo：0.4％，Mn： 0.05％，硬脂酸：0.8％，其余为铁。

压制：将粉末混合物放入预设的产品模具中，并在500MPa的压力下压制成生坯件；

烧结：将生坯件放入网带式烧结炉内，充入体积比为2:1的氢气和氮气，在1100℃温度下烧结3h；

二次压制：在烧结后生坯件表面涂覆一层保护剂后，重复压制步骤，且在压制过程中升高温度，在800℃保温30min后获得半成品坯件；所述的保护剂包括以下重量份数的组分：氟素油：30份、羟丙基甲基纤维素：10份、甘油醇：10份、纳米氧化镁：2份、纳米氧化硅：2份、纳米氧化硅：2份，将保护剂材料在水浴加热下混合均匀，获得保护剂浆料。

后处理：用数控机床加工半成品坯件后直接进行蒸汽处理，将半成品坯件置于反应炉中，先升温至500℃，然后通入氮气30min，接着进行二段式通入水蒸气。所述的二段式通入水蒸气中第一段的炉胆压力为1Kpa时，水蒸汽通入时间为80min；第二段的炉胆压力为 25Kpa，水蒸汽通入时间为60min。

齿部高频淬火：将半成品坯件置于高频电流工作区，设定电流频率400KHz，淬火5s，室温冷却得到齿轮轴套成品。

实施例2

混料：将齿轮轴套材料加入混料机中，搅拌均匀获得其粉末混合物；所述的齿轮轴套材料包括以下组成元素及其重量百分数：C： 0.7％，Cu：1.5％，Ni：1.7％，Ce：0.04％，Mo：0.5％，Mn：0.1％，硬脂酸：1％，其余为铁。

压制：将粉末混合物放入预设的产品模具中，并在530MPa的压力下压制成生坯件；

烧结：将生坯件放入网带式烧结炉内，充入体积比为2.5:1的氢气和氮气，在1120℃温度下烧结3.4h；

二次压制：在烧结后生坯件表面涂覆一层保护剂后，重复压制步骤，且在压制过程中升高温度，在830℃保温40min后获得半成品坯件；所述的保护剂包括以下重量份数的组分：氟素油：40份、羟丙基甲基纤维素：14份、甘油醇：12份、纳米氧化镁：3份、纳米氧化硅：3份、纳米氧化硅：3份，将保护剂材料在水浴加热下混合均匀，获得保护剂浆料。

后处理：用数控机床加工半成品坯件后直接进行蒸汽处理，将半成品坯件置于反应炉中，先升温至550℃，然后通入氮气40min，接着进行二段式通入水蒸气。所述的二段式通入水蒸气中第一段的炉胆压力为1Kpa时，水蒸汽通入时间为80min；第二段的炉胆压力为 25Kpa，水蒸汽通入时间为60min。

齿部高频淬火：将半成品坯件置于高频电流工作区，设定电流频率430KHz，淬火7s，室温冷却得到齿轮轴套成品。

实施例3

混料：将齿轮轴套材料加入混料机中，搅拌均匀获得其粉末混合物；所述的齿轮轴套材料包括以下组成元素及其重量百分数：C： 0.8％，Cu：1.6％，Ni：1.85％，Ce：0.05％，Mo：0.55％，Mn：0.2％，硬脂酸：1.2％，其余为铁。

烧结：将生坯件放入网带式烧结炉内，充入体积比为2.5:1的氢气和氮气，在1180℃温度下烧结3.8h；

二次压制：在烧结后生坯件表面涂覆一层保护剂后，重复压制步骤，且在压制过程中升高温度，在880℃保温50min后获得半成品坯件；所述的保护剂包括以下重量份数的组分：氟素油：45份、羟丙基甲基纤维素：18份、甘油醇：14份、纳米氧化镁：4份、纳米氧化硅：4份、纳米氧化硅：4份，将保护剂材料在水浴加热下混合均匀，获得保护剂浆料。

后处理：用数控机床加工半成品坯件后直接进行蒸汽处理，将半成品坯件置于反应炉中，先升温至580℃，然后通入氮气45min，接着进行二段式通入水蒸气。所述的二段式通入水蒸气中第一段的炉胆压力为1Kpa时，水蒸汽通入时间为80min；第二段的炉胆压力为 25Kpa，水蒸汽通入时间为60min。

实施例4

混料：将齿轮轴套材料加入混料机中，搅拌均匀获得其粉末混合物；所述的齿轮轴套材料包括以下组成元素及其重量百分数：C： 0.9％，Cu：1.7％，Ni：1.95％，Ce：0.06％，Mo：0.6％，Mn：0.3％，硬脂酸：1.4％，其余为铁。

压制：将粉末混合物放入预设的产品模具中，并在600MPa的压力下压制成生坯件；

烧结：将生坯件放入网带式烧结炉内，充入体积比为3:1的氢气和氮气，在1200℃温度下烧结4h；

二次压制：在烧结后生坯件表面涂覆一层保护剂后，重复压制步骤，且在压制过程中升高温度，在900℃保温60min后获得半成品坯件；所述的保护剂包括以下重量份数的组分：氟素油：50份、羟丙基甲基纤维素：20份、甘油醇：15份、纳米氧化镁：5份、纳米氧化硅：5份、纳米氧化硅：5份，将保护剂材料在水浴加热下混合均匀，获得保护剂浆料。

后处理：用数控机床加工半成品坯件后直接进行蒸汽处理，将半成品坯件置于反应炉中，先升温至600℃，然后通入氮气50min，接着进行二段式通入水蒸气。所述的二段式通入水蒸气中第一段的炉胆压力为1Kpa时，水蒸汽通入时间为80min；第二段的炉胆压力为 25Kpa，水蒸汽通入时间为60min。

齿部高频淬火：将半成品坯件置于高频电流工作区，设定电流频率500KHz，淬火10s，室温冷却得到齿轮轴套成品。

对比例1

与实施例1的区别在于，没有进行二次压制。

对比例2

与实施例1的区别在于，二次压制工艺中没有加入保护剂。

对比例3

与实施例1的区别在于，省去蒸汽处理。

对比例4

与实施例1的区别在于，省去齿部高频淬火。

对实施1-4及对比例1-4的齿轮轴套成品进行性能测试，其测试数据如表1所示。

表1对实施1-4及对比例1-4的齿轮轴套成品性能测试结果

从表1可看出本发明齿轮轴套通过合理的配比，以及制备中的二次压制大幅度提高了齿轮轴套的密度、硬度、强度等。

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

1.一种齿轮轴套的制备方法，其特征在于，所述齿轮轴套材料由以下重量百分数的成分组成： C：0.6-0.9%，Cu：1.3-1.7%，Ni：1.55-1.95%， Ce：0.03-0.05%，Mo：0.4-0.6%，Mn：0.05-0.30% ，硬脂酸：0.8-1.4%，其余为铁；

所述的方法包括以下步骤：

压制：将粉末混合物放入预设的产品模具中，并在500-600MPa的压力下压制成生坯件；

烧结：在氢气和氮气的保护下将生坯件进行烧结；

二次压制：在烧结后生坯件表面涂覆一层保护剂后，重复压制步骤，且在压制过程中升高温度，在800-900℃保温30-60min后获得半成品坯件，所述涂覆保护剂的厚度为0.2mm-1mm，所述的保护剂包括以下重量份数的组分：氟素油：30-50份、羟丙基甲基纤维素：10-20份、甘油醇：10-15份、氧化镁：2-5份、氧化硅：2-5份、碳化钨：2-5份；

后处理：数控车床加工后进行蒸汽处理；

2.根据权利要求1所述的齿轮轴套的制备方法，其特征在于，所述的烧结其工艺设定为烧结温度1100-1200℃，烧结时间3-4h。

3.根据权利要求1所述的齿轮轴套的制备方法，其特征在于，所述的蒸汽处理具体步骤为将半成品坯件置于反应炉中，先升温至500-600℃，然后通入氮气30-50min，接着进行二段式通入水蒸汽。

4.根据权利要求3所述的齿轮轴套的制备方法，其特征在于，二段式通入水蒸汽中第一段的炉胆压力为1-5Kpa时，水蒸汽通入时间为80-150min；第二段的炉胆压力为25-35Kpa，水蒸汽通入时间为60-120min。