CN107876781B

CN107876781B - 一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法

Info

Publication number: CN107876781B
Application number: CN201711305364.0A
Authority: CN
Inventors: 王锐
Original assignee: CIXI YONGLI ELECTRIC TOOLS Co Ltd
Current assignee: CIXI YONGLI ELECTRIC TOOLS CO., LTD.
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-12-13
Anticipated expiration: 2037-12-11
Also published as: CN107876781A

Abstract

一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，选择直径与所需成品轴直径相同的无缝管作为芯轴材料，对所述芯轴材料进行打标后将标记出的所述需要安装凸轮和/或其他凸部的部位加工成轻微的凹陷部，在所述芯轴材料的所述凹陷部包裹一层铜合金薄片，将预制的所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与芯轴进行装配，使所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯安装在包裹有铜合金薄片的凹陷部，将装配件放入烧结炉中进行烧结之后精加工，即得成品，在此基础上，对所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯组分进行了合理设计。

Description

一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法

技术领域

本申请涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种基于粉末烧结的复合制造方法，该方法主要用于制造例如凸轮轴的轴类零件。

背景技术

粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金工艺突出的优点是可以容易地实现多种类型的材料的复合或多种部件的复合，当实现前者复合时，可以使材料充分发挥各组元各自的特性，当实现后者复合时，可以实现各种普通加工工艺无法实现的连接、修复或制造。

凸轮轴是发动机配气系统关键零部件，粉末冶金组合烧结工艺是一种新型的组合式凸轮轴制备工艺，相对于传统如铸造、锻造工艺所生产的一体式实心凸轮轴，组合式凸轮轴具有中空结构减重明显、尺寸精度高、加工余量小、设计灵活、节能节材等多种优势，广泛应用于多种中、高档汽油发动机和柴油发动机。目前，欧美等国家生产的汽车凸轮轴中，粉末冶金凸轮轴已经占了很大比例，而我国国产凸轮轴中，粉末冶金凸轮轴尚没有达到产业规模，但我国一些相关制造企业或高校、研究所也开展了一系列粉末冶金凸轮轴的研究，例如申请号为201510599200.8中国专利申请涉及一种粉末冶金凸轮的制备方法，将凸轮生坯分割为内外二部分，凸轮外圈采用高碳烧结钢，凸轮内圈为低碳烧结钢，分别将上述混合粉在压机上压制成密度为 6.25 ～ 7.4g/cm3的凸轮外圈生坯和密度为 6.5 ～ 7.4g/cm3的凸轮内圈生坯，将凸轮内圈装入凸轮外圈的内孔，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。

上述将凸轮外圈、内圈采用不同性能粉末冶金材料组合的技术实际上已经是本领域早已着手研究的技术，这类技术关注点在于内外圈材料强度的差异化设计，对材料本身的强度、切削性及可烧结性等之间的关系未有深刻揭示，也未在烧结工艺方面提出更有效的建议，其本身还存在工艺复杂、成本高的缺陷。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，通过改进芯轴与凸轮或其他凸部的烧结连接工艺，合理设计与连接强度和工作性能需要密切相关的粉末原料，使用更低的成本获得高品质的烧结凸轮轴产品。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，选择直径与所需成品轴直径相同的无缝管作为芯轴材料，切割成所需长度，对切口进行清理或打磨，所述切割方式为切割锯切割，等离子切割或激光切割，所述无缝管材质为碳素钢；

步骤2，对步骤1获得的所述芯轴材料进行打标，以标记出需要安装凸轮和/或其他凸部的部位，所述其他凸部为端头、轴颈、挡环、或感应环中的一种或多种；

步骤3，对步骤2获得的所述芯轴材料进行机械加工或化学腐蚀，将标记出的所述需要安装凸轮和/或其他凸部的部位加工成轻微的凹陷部，所述的轻微的凹陷部是指深度尺寸小于1.5毫米的凹陷部；

步骤4，在步骤3获得的所述芯轴材料的所述凹陷部包裹一层铜合金薄片，所述铜合金薄片的厚度等于或略大于所述凹陷部的深度，所述略大于是指所述铜合金薄片的厚度超出所述凹陷的深度的尺寸不超过所述铜合金薄片自身厚度的1/2；

步骤5，将预制的所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与步骤4得到的所述芯轴进行装配，将所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯安装在包裹有铜合金薄片的凹陷部，所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯的轴向长度与所述凹陷的轴向长度适配，等于或略大于所述铜合金薄片在该轴向方向上的长度，所述略大于是指超出的尺寸控制在4毫米以内；

步骤6，将步骤5获得的装配件放入烧结炉中进行烧结，先以不低于9℃/min的升温速率升至940℃-980℃保温5-30min，再以5-10℃/min的升温速率升至1070℃-1190℃保温25-300min，依靠所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯的进一步烧结收缩作用和所述铜合金薄片熔化所产生的钎焊作用将所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与所述芯轴结合为牢固的一体；

步骤7，仅对步骤6获得的烧结产品的凸轮和/或其他凸部进行精加工，即得成品。

上述基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯成分选择依据如下原则：

对于凸轮粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分：2.5%≤ Cr含量≤4.0%，2.0%≤ C含量≤3.5%，0.4%≤ Si含量≤1.2%，0.1%≤ Zr含量≤0.7%，0.1%≤ W含量≤0.7%，且同时满足：Zr含量+ W含量≤0.4×（C含量+Si含量），Cu含量≤0.02%，Mn含量≤0.02%；

对于其他凸部的粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分：1.5%≤ Cr含量≤3.0%，1.2%≤ C含量≤2.3%，0.4%≤ Si含量≤0.8%，0.1%≤ Zr含量≤0.7%，0.1%≤ W含量≤0.7%，且同时满足：Zr含量+ W含量≤0.35×（C含量+Si含量），Cu含量≤0.02%，Mn含量≤0.02%。

上述基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，所述铜合金薄片的成分包括至少2.0%至多4.0%的Mn，且同时满足：Cu含量≥90.0%，Zn含量+Sn含量≤5.0%，Si含量≤2.0%。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法,首先选择成品无缝管作为芯轴，精度高且无论是装配前还是装配后，烧结前还是烧结后，均不需机械加工；

2、本发明的基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法,与现有技术相比，另一重要改进点在于对芯轴材料进行机械加工或化学腐蚀，将需要安装凸轮和/或其他凸部的部位加工成轻微的凹陷部，该处理方式一方面节省了在装配环节对芯轴装配部位的清洗和打磨步骤，最重要的是构建出凸轮和/或其他凸部和芯轴的烧结面的机械咬合，通过限定轻微的凹陷部的结构尺寸使得后续的烧结动态过程能完全封闭该凹陷部，依靠所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯的进一步烧结收缩作用和所述铜合金薄片熔化所产生的钎焊作用将所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与所述芯轴结合为牢固的一体；

3、本发明的基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法, 所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯成分选择合理，由于通过构建出凸轮和/或其他凸部和芯轴的烧结面的机械咬合而将所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与所述芯轴在烧结中结合为牢固的一体，因此可以将Cr、 C等含量限定在合理的范围之内，而不必单纯为了提高烧结界面的强度而使这些元素含量变得很高，从而影响加工性能，通过对Zr、 W等含量的限定，避免了单一碳化物的富集，而通过对所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯成分中Cu和Mn的限制以及对铜合金薄片成分中Cu和Mn的限定，使得Cu和Mn更可能地集中在所述凸轮和/或其他凸部与芯轴的烧结界面，从而降低烧结界面在机械载荷或冲击下的脆性，使得烧结产品的强度、切削性及可烧结性得到协调统一；

4、本发明的基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法,整体工艺简单，使用更低的成本获得高品质的烧结凸轮轴产品。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明各实施例中采用的烧结装配结构的示意图。

图中各附图标记所代表的组件为：1、芯轴，2、铜合金薄片，3、凸轮或其他凸部的粉末冶金预烧结坯。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，所述轴类零件是凸轮轴，包括如下步骤：

步骤1，选择直径与所需凸轮轴直径相同的无缝管作为芯轴1材料，切割成所需长度，对切口进行清理或打磨，所述切割方式为切割锯切割，等离子切割或激光切割，所述无缝管材质为碳素钢；

步骤3，对步骤2获得的所述芯轴材料进行机械加工或化学腐蚀，将标记出的所述需要安装凸轮和/或其他凸部的部位加工成轻微的凹陷部，所述的轻微的凹陷部是指深度尺寸为0.4毫米的凹陷部；

步骤4，在步骤3获得的所述芯轴1材料的所述凹陷部包裹一层铜合金薄片2，所述铜合金薄片2的厚度为0.5毫米；

步骤5，将预制的所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与步骤4得到的所述芯轴1进行装配，将所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯安装在包裹有铜合金薄片2的凹陷部，所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯的轴向长度与所述凹陷的轴向长度适配，等于所述铜合金薄片2在该轴向方向上的长度；

步骤6，将步骤5获得的装配件放入烧结炉中进行烧结，先以12℃/min的升温速率升至950℃保温25min，再以7℃/min的升温速率升至1070℃-1190℃保温25-300min，依靠所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯的进一步烧结收缩作用和所述铜合金薄片熔化所产生的钎焊作用将所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与所述芯轴结合为牢固的一体；

上述基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，所述其他凸部指的是轴颈，所述的粉末冶金预烧结坯成分选择依据如下原则：

对于凸轮粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分（基体为Fe）： Cr含量为2.5%，C含量为3.5%，Si含量为0.6%， Zr含量为0.2%，W含量为0.5%，Cu含量为0.01%，Mn含量为0.01%；

对于轴颈的粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分（基体为Fe）：Cr含量为1.6%，C含量为2.3%，Si含量为0.7%，Zr含量为0.2%，W含量为0.5%，Cu含量为0.02%，Mn含量为0.02%。

上述基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，所述铜合金薄片2的成分包括4.0%的Mn，4.0%的Zn，其余为Cu和不可避免的杂质。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：

对于凸轮粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分（基体为Fe）： Cr含量为3.9%，C含量为2.0%，Si含量为1.1%， Zr含量为0.7%，W含量为0.1%，Cu含量为0.01%，Mn含量为0.01%；

对于轴颈的粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分（基体为Fe）：Cr含量为3.0%，C含量为1.3%，Si含量为0.4%，Zr含量为0.7%，W含量为0.1%，Cu含量为0.02%，Mn含量为0.02%。

上述基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，所述铜合金薄片2的成分包括2.0%的Mn，2.0%的Zn，2.0的Sn，1.0%的Si，其余为Cu和不可避免的杂质。

实施例3

本实施例与实施例1不同之处在于：

对于凸轮粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分（基体为Fe）： Cr含量为3.2%，C含量为2.8%，Si含量为0.9%， Zr含量为0.4%，W含量为0.3%，Cu含量为0.01%，Mn含量为0.01%；

对于轴颈的粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分（基体为Fe）：Cr含量为2.3%，C含量为1.8%，Si含量为0.6%，Zr含量为0.4%，W含量为0.4%，Cu含量为0.02%，Mn含量为0.02%。

实施例4

本实施例与实施例3不同之处在于，所述其他凸部指的是端头。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，选择直径与所需成品轴直径相同的无缝管作为芯轴材料，切割成所需长度，对切口进行清理或打磨；

该步骤1中所述无缝管材质为碳素钢；

步骤2，对步骤1获得的所述芯轴材料进行打标，以标记出需要安装凸轮和/或其他凸部的部位；

步骤5，将预制的所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与步骤4得到的所述芯轴进行装配，将所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯安装在包裹有铜合金薄片的凹陷部；

所采用的所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯成分选择依据如下原则：

该步骤5对于凸轮粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分：2.5％≤Cr含量≤4.0％，2.0％≤C含量≤3.5％，0.4％≤Si含量≤1.2％，0.1％≤Zr含量≤0.7％，0.1％≤W含量≤0.7％，且同时满足：Zr含量+W含量≤0.4×(C含量+Si含量)，Cu含量≤0.02％，Mn含量≤0.02％；

对于其他凸部的粉末冶金预烧结坯，其包括如下重量百分比的成分：1.5％≤Cr含量≤3.0％，1.2％≤C含量≤2.3％，0.4％≤Si含量≤0.8％，0.1％≤Zr含量≤0.7％，0.1％≤W含量≤0.7％，且同时满足：Zr含量+W含量≤0.35×(C含量+Si含量)，Cu含量≤0.02％，Mn含量≤0.02％；

步骤6，将步骤5获得的装配件放入烧结炉中进行烧结，将所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与所述芯轴结合为牢固的一体；

2.根据权利要求1所述的一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，其特征在于，所述步骤4中采用的所述铜合金薄片的成分包括至少2.0％至多4.0％的Mn，且同时满足：Cu含量≥90.0％，Zn含量+Sn含量≤5.0％，Si含量≤2.0％。

3.根据权利要求1所述的一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，其特征在于，所述步骤1中所述切割方式为切割锯切割，等离子切割或激光切割。

4.根据权利要求1所述的一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，其特征在于，所述步骤5中，所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯的轴向长度与所述凹陷的轴向长度适配，等于或略大于所述铜合金薄片在该轴向方向上的长度，所述略大于是指超出的尺寸控制在4毫米以内。

5.根据权利要求1所述的一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，其特征在于，所述步骤6中，所述烧结是先以不低于9℃/min的升温速率升至940℃-980℃保温5-30min，再以5-10℃/min的升温速率升至1070℃-1190℃保温25-300min，依靠所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯的进一步烧结收缩作用和所述铜合金薄片熔化所产生的钎焊作用将所述凸轮和/或其他凸部的粉末冶金预烧结坯与所述芯轴结合为牢固的一体。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于粉末烧结的轴类零件复合制造方法，其特征在于，所述其他凸部为端头、轴颈、挡环、或感应环中的一种或多种。