CN107761002A

CN107761002A - 一种带有梯度层的双材质粉锻齿轮及其制备方法

Info

Publication number: CN107761002A
Application number: CN201710814928.7A
Authority: CN
Inventors: 张广明; 江峰; 王华磊
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Xi'an Tiangezhicheng Material Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: CN107761002B

Abstract

本发明属于粉末冶金汽车零部件制备领域，特别涉及一种高性能、低成本的双材质粉锻齿轮及其制备方法。本发明的齿轮结构包括齿轮齿部、齿轮芯部以及中间梯度层，其中，齿轮齿部为含有Ni、Cr、Mo等合金元素，硬度高和耐磨性能好的Fe基合金，齿轮芯部为成本较为低廉Fe‑C‑Cu合金。界面为两种粉末按特定比例组成的合金粉末，按梯度层设计方式添加。通过齿部、梯度层、芯部三部分材料的设计和粉锻成型，降低齿轮的生产成本，提升齿轮的性能，并且通过梯度层的设计解决了双材质粉锻齿轮两侧因成分差异较大引起的界面开裂和弯曲变形等界面不匹配问题。

Description

一种带有梯度层的双材质粉锻齿轮及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，主要针对齿轮这一类产品，特别提供了一种具有良好界面过渡的双材质粉锻齿轮及其制备方法。

背景技术

随着汽车工业的不断发展，围绕汽车产业需求的粉末冶金行业也得到了快速的发展。粉末冶金热锻技术（简称“粉锻”）是将常规粉末冶金与高温锻造相结合而形成的一种加工技术，粉锻可以将制造近终或最终形状零件和高的材料力学性能相结合，实现常规粉末冶金与锻造工艺优点的结合。

随着技术的发展，粉末冶金成形已经能够通过现有的模具技术在大规模生产的环境下将不同的粉末原材料混合粉输送到要制备的零部件的不同部位，也可以改变送粉技术将高强度的粉末送到零部件最需要高强度的部位。

针对齿轮这一类产品，由于齿轮的失效方式主要为轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合等方式，所有的失效方式都与齿轮的齿部有关。因此，齿轮齿部和齿轮芯部的受力情况差异较大。针对齿轮的失效方式和工况下的受力特点，齿轮的齿部需要耐磨性优异的材料，而远离表面的芯部不存在耐磨性的要求，但良好的可加工性有利于降低后续加工的成本。同时，齿轮两侧成分存在较大的差异，双材质界面两侧会出现界面开裂和弯曲变形等界面不匹配问题，因此迫切需要提供一种解决这些问题的齿轮以及制备方法。

基于以上事实，申请人提出了带有梯度层的双材质粉锻齿轮的发明专利申请。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善使用寿命、降低生产成本的双材质粉锻齿轮及其制备方法，基于该双材质粉锻合金提供一种界面问题的解决方法。

一种低成本、高性能的双材质粉锻齿轮，其特征在于：齿轮结构包括齿轮芯部、齿轮齿部以及中间梯度层，所述齿轮齿部采用强度高和耐磨性较好的Fe-C-Cu-Mn-Mo-Ni-Cr合金，齿轮芯部采用成本较低的Fe-C-Cu合金；

所述双材质粉锻齿轮的芯部材料各组分的质量百分比为：铜1.00-2.00%、石墨0.5-0.64%、润滑剂0.45-0.6%，余量为铁；

所述双材质粉锻齿轮的齿部材料各组分的质量百分比为：铜1.00-2.00%、石墨0.5-0.64%、润滑剂0.45-0.6%、Ni 1.5%-2.5%、Mo 0.5-1%、Mn 0.6-1%、Cr 2-5%，余量为铁；

所述双材质粉锻齿轮的芯部和齿部材料中铁粉的粒度为100目－200目，氧含量控制在0.1wt.%以下；

双材质粉锻齿轮芯部和齿轮齿部之间采用梯度层设计，所述梯度层包括两层，梯度层的成分由齿轮芯部成分和齿部成分以特定比例混合而成；

其中，连接齿轮齿部一层材料的成分为质量分数为75%的齿部材料粉末和25%的芯部材料粉末混合而成，连接齿轮芯部材料一层的成分为质量分数为25%的齿部材料和75%的芯部材料；

所述双材质粉锻齿轮的梯度层厚度为2-4mm。

综合考虑使用寿命及生产成本的双材质粉锻齿轮的制备工艺如下：

步骤1. 配料：

分别按齿轮的芯部和齿部材料成分比例称取各原料粉并分别混合均匀，获得芯部材料和齿部材料备用；

分别按连接齿轮齿部材料一层的成分，即质量分数为75%的齿部材料和25%的芯部材料；连接齿轮芯部材料一层的成分，即质量分数为25%的齿部材料和75%的芯部材料，分别配料，将配制好的两层梯度层粉分别加入送料机的两个送料管中，备用；

步骤2. 梯度层的制备：

将厚度小于0.1mm的隔料环焊接到送粉靴上，通过送料靴，将两层梯度层粉填至模腔内隔料环的两侧；对填料后的模腔进行预压，预压压力为250MPa；获得中间梯度层环；

步骤3. 将步骤2获得的中间梯度层环放入齿轮成型模具中，并以中间梯度层环为齿轮齿部材料和齿轮芯部材料的隔料环，将齿轮芯部和齿轮齿部材料的预混粉填充到模腔中；

步骤4. 预压成型及表面致密化

将步骤3得到的装有粉体的中模进行预压成型，压力设定为650MPa进行预压，将得到的预压件进行脱脂，脱脂处理后表面通过喷丸进行致密化；

步骤5.烧结、热锻及后处理

将步骤4得到的预压件在1000℃-1150℃下，真空或还原气氛中烧结40分钟，将烧结后的预压件放入热锻中模腔内锻造，热锻中模腔温度为250-300℃，锻造后抛丸去除表面氧化层并强化表面，即得到所述低成本、高性能双材质粉锻齿轮，其表面硬度为55-62HRc，拉伸测试的试样以中间梯度层为中心，最终样品在芯部材料一侧断裂，拉伸强度为840-870MPa。

本发明的有益效果如下：

1.通过粉末锻造实现双材质齿轮的成型，齿部材料在原有的粉末冶金齿轮材料基础上增加Cr、Mo、Ni成分和含量，并优化其组成，进一步增加齿轮齿部的强度，提高齿轮的寿命；与此同时，芯部使用成本更低的普通Fe-C-Cu合金，实现原材料成本的降低；同时芯部使用的Fe-C-Cu合金具有较好的可加工性，又可降低后续加工成本。

2.齿轮的芯部材料和齿部材料成分的差异较大，两者在流动性、松装密度、可压缩性、升温烧结时的相变温度、烧结导致的尺寸变化、锻造时的流动应力上都有差异，在界面处存在不匹配性，特别是在锻后的风冷过程中，齿轮的齿部材料在某一个温度范围内，微观组织由奥氏体转变成马氏体，伴随着体积的膨胀和剧烈的变形，而齿轮芯部材料在锻后的空冷过程中由奥氏体转变成铁素体和珠光体，有体积的膨胀而变形很小，导致了齿轮芯部材料和齿部材料之间的膨胀大小和变形上的不匹配性，通过本申请中间梯度层的加入、特定的制备工艺显著改善两者之间的不匹配性。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例

具体实施方式一：

步骤1.配料：

（1）双材质粉锻齿轮的齿部材料的质量百分比：铜1.0%、石墨0.5%、润滑剂0.5%、Ni1.5%、Mo 0.5%、Mn 0.7%、Cr 3.5%，余量为铁。芯部材料的质量百分比：铜1.0%、石墨0.5%、润滑剂0.5%，余量为铁。铁粉的粒度为200目以下，氧含量为0.08wt.%。分别按齿轮的芯部和齿部材料成分比例称取各原料并混合均匀，获得芯部材料和齿部材料。

（2）分别按连接齿轮齿部一层的成分，即质量分数为75%的齿部材料和25%的芯部材料；连接齿轮芯部一层的成分，即质量分数为25%的齿部材料和75%的芯部材料，分别配料，将配制好的两层梯度层粉分别加入送料机的两个送料管中，备用；

步骤2. 梯度层的制备

将厚度为0.096mm的隔料环焊接到送粉靴上，通过送料靴对梯度层模具型腔进行填料。对填料后的模腔进行预压，预压压力为250MPa。获得中间梯度层环，备用。

步骤3. 将步骤2获得的中间梯度层环放入齿轮成型模具中，并以中间梯度层环为齿轮齿部和齿轮芯部材料的隔料环，将齿轮芯部和齿轮齿部材料的预混粉填充到模腔中，备用。

步骤4. 预压成型及表面致密化

步骤5.烧结热锻及后处理

将步骤4得到的预压件，在1000℃下，真空或还原气氛中烧结40分钟，将烧结后的预压件放入热锻中模腔内锻造，热锻中模腔温度为280℃，锻造后通过抛丸处理进行表面除氧化层及表面硬化。

最终获得的双材质粉锻齿轮的表面硬度为60HRC。并从双材质粉锻齿轮上切取棒状拉伸试样，试样以中间梯度层为中心，最终样品在芯部材料一侧断裂，拉伸强度为841MPa。

具体实施方式二：

步骤1 配料：

（1）双材质粉锻齿轮的齿部材料的质量百分比：铜1.0%、石墨0.5%、润滑剂0.5%、Ni2.0 %、Mo 0.5%、Mn 0.6%、Cr 3%，余量为铁。芯部材料各组分的质量百分比：铜1.5%、石墨0.5%、润滑剂0.5%，余量为铁。铁粉末的粒度为200目以下，氧含量为0.096wt.%。分别按齿轮的内齿部材料成分比例称取各原料并混合均匀，获得芯部材料和齿部材料。

（2）分别按连接齿轮齿部的成分，即质量分数为75%的齿部材料和25%的芯部材料；连接齿轮芯部的成分，即质量分数为25%的齿部材料和75%的芯部材料，分别配料，将配制好的两层梯度层粉分别加入送料机的两个送料管中，备用；

步骤2. 梯度层的制备

将厚度小于0.093mm的隔料环焊接到送粉靴上，通过送料靴对梯度层模具型腔进行填料。对填料后的模腔进行预压，预压压力为250MPa。获得梯度层环，备用。

步骤4. 预压成型及表面致密化

步骤5.烧结热锻及后处理

将步骤4得到的预压件，在1150℃下，真空或还原气氛中烧结40分钟，将烧结后的预压件放入热锻中模腔内锻造，热锻中模腔温度为280℃，锻造后通过抛丸处理进行表面除氧化层及表面硬化。

最终获得的双材质粉锻齿轮的表面硬度为62HRC。并从双材质粉锻齿轮上切取棒状拉伸试样，试样以中间梯度层为中心，最终样品在芯部材料一侧断裂，拉伸强度为868MPa。

Claims

1.一种低成本、高性能的双材质粉锻齿轮，其特征在于：齿轮结构包括齿轮芯部、齿轮齿部以及中间梯度层，所述齿轮齿部采用强度高和耐磨性较好的Fe-C-Cu-Mn-Mo-Ni-Cr合金，齿轮芯部采用成本较低的Fe-C-Cu合金；

其中，连接齿轮齿部一层材料的成分为质量分数为75%的齿部材料粉末和25%的芯部材料粉末混合而成，连接齿轮芯部材料一层的成分为质量分数为25%的齿部材料和75%的芯部材料；所述双材质粉锻齿轮的梯度层厚度约为2-4mm左右；其表面硬度为55-62HRc，拉伸测试的试样以中间梯度层为中心，最终样品在芯部材料一侧断裂，拉伸强度为840-870MPa。

2.一种如权利要求1所述的低成本、高性能的双材质粉锻齿轮的制备方法，其特征在于：其按照如下步骤制备而成，

步骤1. 配料：

步骤2. 梯度层的制备：

步骤4. 预压成型及表面致密化

步骤5.烧结、热锻及后处理

将步骤4得到的预压件在1000℃-1150℃下，真空或还原气氛中烧结40分钟，将烧结后的预压件放入热锻中模腔内锻造，热锻中模腔温度为250-300℃，锻造后抛丸去除表面氧化层并强化表面，即得到所述低成本、高性能双材质粉锻齿轮。