CN107971486A - 一种烧结治具及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种烧结治具，包括中间凸柱部和围绕所述中间凸柱部的槽部，所述中间凸柱部的端面形状与内圈生坯的形状相适配以在烧结时支撑内圈生坯，所述槽部盛装有流质耐火颗粒，所述外圈生坯能够被所述流质耐火颗粒托住，使用所述烧结治具来生产烧结复合的凸轮，通过与凸轮外圈生坯和凸轮内圈生坯的材料适配，使烧结性能差异所带来的收缩率差异问题基本能通过烧结治具得到控制。

Description

一种烧结治具及其使用方法
技术领域
本申请涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种烧结治具及其使用方法，该烧结治具主要用于制造环状复合的烧结部件，该烧结治具的使用方法主要涉及其在烧结凸轮中的使用。
背景技术
粉末冶金技术是一项先进的金属材料或复合材料制造和连接技术，可以实现普通加工工艺无法实现的制造、修复或连接。当采用粉末冶金工艺进行部件连接时，常会遇到需要将两部分部件环套在一起或者使其中一种部件局部包围另一种部件的情况，在某些情况下，需要连接的两部分部件材料是相同的，此时，只需要将两部分部件紧密配合好，放于烧结炉中烧结即可，但是，很多情况下，需要连接的两部分部件材料是不同的，典型的例子如粉末冶金凸轮的生产。
凸轮是装配式凸轮轴上所需的一种部件，比较先进的制作工艺是粉末烧结法，装配式凸轮轴是指芯轴和凸轮分开制造，然后再组装在一起的凸轮轴，通常芯轴选择的是预定规格的管材或棒材，而凸轮是单独制造而成的环，将凸轮安装到芯轴上，一般可以采用压入/挤入法、热装法、焊接法或粉末冶金烧结法。
由于凸轮的工作表面需要很高的强度和耐磨度，而凸轮与芯轴连接的部分又需要有一定塑性和可加工性，因此，衍生出一种双材料粉末冶金凸轮，双材料粉末冶金凸轮是通过将凸轮生坯分成外圈和内圈，外圈生坯和内圈生坯采用具有不同性能的材料制成，然后将外圈生坯和内圈生坯环套在一起进行烧结后连接到芯轴上，或者仅仅是将外圈生坯和内圈生坯进行预烧结，连接到芯轴上之后再与芯轴一起进行最终烧结，两种方法在现有技术中均有采用。
本发明人在实施将外圈生坯和内圈生坯环套在一起进行烧结的方法时，发现强度指标达不到控制标准，对烧结品切片观察发现烧结后的外圈和内圈结合面处组织疏松，分析认为，这是由于外圈生坯和内圈生坯在相同烧结条件下收缩率不一致，凸轮外圈材料在烧结时收缩率低，凸轮内圈材料在烧结时收缩率高，导致内外圈在烧结结合时产生离间力。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种烧结治具，该烧结治具能够根据需要促进或干涉需要连接的两部分部件在烧结中的收缩行为，以减轻两部分部件在烧结中因收缩不一致而产生的离间力，本发明还提出该烧结治具在烧结凸轮中的应用，与凸轮内外圈成分的选择相配合，提高烧结凸轮的机械性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种烧结治具，用于在不同生坯的烧结复合过程中支撑所述不同生坯，所述不同生坯在烧结时是通过使外圈生坯环套或局部包围内圈生坯的形式进行装配，其特征在于，所述烧结治具包括中间凸柱部和围绕所述中间凸柱部的槽部，所述中间凸柱部的端面形状与所述内圈生坯的形状相适配以在烧结时支撑所述内圈生坯；所述槽部的截面形状可以与所述外圈生坯的形状相适配，也可以是在整个周向都超出所述外圈生坯的规则形状，例如圆形、方形；所述槽部盛装有流质耐火颗粒，所述流质耐火颗粒的盛装量符合以下要求：当将装配好的所述外圈生坯和所述内圈生坯放置到该烧结治具上时，所述内圈生坯能够被所述中间凸柱部托住，所述外圈生坯能够被所述流质耐火颗粒托住。
如上所述的烧结治具，其特征在于，还包括上盖部，所述上盖部的截面形状与所述内圈生坯的形状相适配以在烧结时压住所述内圈生坯。
如上所述的烧结治具，其特征在于，所述中间凸柱部的端面尺寸符合下列要求：无论在烧结开始前还是烧结完成后，所述内圈生坯始终能够完整覆盖所述中间凸柱部的端面。
如上所述的烧结治具，其特征在于，所述流质耐火颗粒是粒度为200目或者比200目更细的砂。
上述烧结治具的使用方法，其特征在于，使用所述烧结治具来生产烧结复合的凸轮，所述烧结复合的凸轮是由凸轮外圈生坯环套凸轮内圈生坯装配而成，所述凸轮内圈生坯具有中间孔以便于烧结后向凸轮轴芯轴安装所述凸轮，所述烧结治具的中间凸柱部在烧结时支撑所述凸轮内圈生坯，所述流质耐火颗粒在烧结时托住所述凸轮外圈生坯；所述凸轮外圈生坯包括如下成分（重量百分比）：9.5-10%的Cr,0.8-1.0%的C，0.5-1.2%的Cu，0.05-0.2%的P，总量为1.5-2.0%的Si和W，基体金属为Fe；所述凸轮内圈生坯包括如下成分（重量百分比）：4.5-6.0%的Cr,0.5-0.7%的C，3.0-3.5%的Cu，0.05-0.2%的P，总量为0-2.0%的Si和W，基体金属为Fe。
上述烧结治具的使用方法，其特征在于，所述凸轮外圈生坯和/或所述凸轮内圈生坯中，除了所述成分外，其余为不可避免的杂质。
上述烧结治具的使用方法，其特征在于，所述凸轮外圈生坯和所述凸轮内圈生坯在装配前进行不超过2小时的热压处理，热压温度为850℃以下。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的烧结治具能够根据需要促进或干涉需要连接的两部分部件在烧结中的收缩行为，以减轻两部分部件在烧结中因收缩不一致而产生的离间力，这是因为实体的凸柱部在烧结过程中对生坯的收缩具有干涉作用，而流质耐火颗粒在烧结过程中能适应生坯的收缩；
2、本发明的烧结治具在烧结凸轮中应用时，与凸轮内外圈成分的选择相配合，提高烧结凸轮的机械性能，本申请对粉末冶金凸轮的内外圈材料进行了改进，首先碳元素的差异化被改良，其次通过Cr与Cu元素的调节作用使得内外圈生坯的烧结性能差异得到一定控制，不必过分牺牲凸轮内圈的强度性能来满足单一需要，而烧结性能差异所带来的收缩率差异问题又基本能通过适用本发明的烧结治具得到控制，烧结产品性能得到整体提高。
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为本发明的烧结治具结构示意图。
图2为应用本发明的烧结治具生产的烧结复合凸轮内外圈生坯组装结构示意图。
图中各附图标记所代表的组件为：1、中间凸柱部，2、槽部，3、外圈生坯，4、内圈生坯，5、上盖部，6、凸轮外圈生坯，7、凸轮内圈生坯，8、中间孔。
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
参见图1，图1为本发明的烧结治具结构示意图。该烧结治具用于在不同生坯的烧结复合过程中支撑所述不同生坯，所述不同生坯在烧结时是通过使外圈生坯3环套或局部包围内圈生坯4的形式进行装配，所述烧结治具包括中间凸柱部1和围绕所述中间凸柱部的槽部2，所述中间凸柱部1的端面形状与所述内圈生坯4的形状相适配以在烧结时支撑所述内圈生坯4；所述槽部2的截面形状可以与所述外圈生坯3的形状相适配，也可以是在整个周向都超出所述外圈生坯3的规则形状，例如圆形、方形；所述槽部2盛装有流质耐火颗粒，所述流质耐火颗粒的盛装量符合以下要求：当将装配好的所述外圈生坯3和所述内圈生坯4放置到该烧结治具上时，所述内圈生坯4能够被所述中间凸柱部1托住，所述外圈生坯3能够被所述流质耐火颗粒托住。所述的烧结治具还包括上盖部5，所述上盖部5的截面形状与所述内圈生坯4的形状相适配以在烧结时压住所述内圈生坯4。
上述烧结治具能够根据需要促进或干涉需要连接的两部分生坯在烧结中的收缩行为，以减轻两部分生坯在烧结中因收缩不一致而产生的离间力，这是因为实体的中间凸柱部1在烧结过程中对生坯的收缩具有干涉作用，而流质耐火颗粒在烧结过程中能适应生坯的收缩。
根据上述原理，所述中间凸柱部1的端面尺寸最好符合下列要求：无论在烧结开始前还是烧结完成后，所述内圈生坯4始终能够完整覆盖所述中间凸柱部1的端面。
根据上述原理，所述流质耐火颗粒至少具有耐火性能，最符合期望的材料是砂，例如石英砂，其粒度理论上越细越好，但从成本方面考虑，只要达到200目或者比200目更细即可。
根据上述原理，所述中间凸柱部1和/或所述上盖部5应当为具有一定粗糙度的不易与所述内圈生坯4烧结并且易于去除的耐火材料。
实施例2
本实施例是针对实施例1提出的烧结治具的具体应用。在该应用中，使用所述烧结治具来生产烧结复合的凸轮，所述烧结复合的凸轮是由凸轮外圈生坯6环套凸轮内圈生坯7装配而成，所述凸轮内圈生坯7具有中间孔8以便于烧结后向凸轮轴芯轴安装所述凸轮，所述烧结治具的中间凸柱部1在烧结时支撑所述凸轮内圈生坯7，所述流质耐火颗粒在烧结时托住所述凸轮外圈生坯6。
上述烧结治具的使用应当与所述凸轮外圈生坯6和所述凸轮内圈生坯7的收缩特性相适应，本申请对所述凸轮外圈生坯6和所述凸轮内圈生坯7的材料性能进行了研究。
在公开号为CN106541139A的中国发明专利申请公开了一种粉末冶金凸轮的制备方法，该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，并认为这样制作的凸轮，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，该技术将凸轮外圈与凸轮内圈严格区分为高碳材料和低碳材料，使得外圈生坯与内圈生坯的烧结性能差异很大，而凸轮内圈采用低碳烧结钢只是为了满足激光焊接的需要，弱化了最终要的使用性能。
本申请对上述粉末冶金凸轮的内外圈材料进行了改进，使内外圈生坯的烧结性能差异显著减小，而该差异所带来的收缩率差异问题又基本能通过适用本发明的烧结治具得到控制。
具体地，所述凸轮外圈生坯6包括如下成分（重量百分比）：9.5-10%的Cr,0.8-1.0%的C，0.5-1.2%的Cu，0.05-0.2%的P，总量为1.5-2.0%的Si和W，基体金属为Fe；所述凸轮内圈生坯7包括如下成分（重量百分比）：4.5-6.0%的Cr,0.5-0.7%的C，3.0-3.5%的Cu，0.05-0.2%的P，总量为0-2.0%的Si和W，基体金属为Fe。上述配方中，首先碳元素的差异化被改良，不必过分牺牲凸轮内圈的强度性能来满足单一需要，其次通过Cr与Cu元素的调节作用使得内外圈生坯的烧结性能差异得到一定控制，而该差异所带来的收缩率差异问题又基本能通过适用本发明的烧结治具得到控制，烧结产品性能得到整体提高。
尤其应当指出的，所述凸轮外圈生坯6和/或所述凸轮内圈生坯7中，除了所述成分外，其余优选为不可避免的杂质，这是因为任何其他元素的引入都可能给上述材料性能尤其是烧结性能带来不可预知的影响。
作为一种辅助方案，所述凸轮外圈生坯6和所述凸轮内圈生坯7在装配前进行不超过2小时的热压处理，热压温度为850℃以下。
实施例3
该实施例是对实施例2中所述凸轮外圈生坯6和所述凸轮内圈生坯7的成分的进一步优选，所述凸轮外圈生坯6包括如下成分（重量百分比）：9.5%的Cr,1.0%的C，0.6%的Cu，0.2%的P，0.8%的Si,0.7%的W，其余为Fe和不可避免的杂质；所述凸轮内圈生坯7包括如下成分（重量百分比）：4.5%的Cr,0.5%的C，3.2%的Cu，0.2%的P，0.2%的Si,0.1%的W，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例4
本实施例与实施例3不同之处在于：所述凸轮外圈生坯6包括如下成分（重量百分比）：9.9%的Cr,0.8%的C，1.1%的Cu，0.1%的P，1.0%的Si,0.8%的W，其余为Fe和不可避免的杂质；所述凸轮内圈生坯7包括如下成分（重量百分比）：5.9%的Cr，0.7%的C，3.4 %的Cu，0.1%的P，0.6%的Si,0.5%的W，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例5
本实施例与实施例3不同之处在于：所述凸轮外圈生坯6和所述凸轮内圈生坯7中均不含W。
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 (7)

1.一种烧结治具，用于在不同生坯的烧结复合过程中支撑所述不同生坯，所述不同生坯在烧结时是通过使外圈生坯环套或局部包围内圈生坯的形式进行装配，其特征在于，所述烧结治具包括中间凸柱部和围绕所述中间凸柱部的槽部，所述中间凸柱部的端面形状与所述内圈生坯的形状相适配以在烧结时支撑所述内圈生坯；所述槽部的截面形状可以与所述外圈生坯的形状相适配，也可以是在整个周向都超出所述外圈生坯的规则形状，例如圆形、方形；所述槽部盛装有流质耐火颗粒，所述流质耐火颗粒的盛装量符合以下要求：当将装配好的所述外圈生坯和所述内圈生坯放置到该烧结治具上时，所述内圈生坯能够被所述中间凸柱部托住，所述外圈生坯能够被所述流质耐火颗粒托住。
2.根据权利要求1所述的烧结治具，其特征在于，还包括上盖部，所述上盖部的截面形状与所述内圈生坯的形状相适配以在烧结时压住所述内圈生坯。
3.根据权利要求1所述的烧结治具，其特征在于，所述中间凸柱部的端面尺寸符合下列要求：无论在烧结开始前还是烧结完成后，所述内圈生坯始终能够完整覆盖所述中间凸柱部的端面。
4.根据权利要求1所述的烧结治具，其特征在于，所述流质耐火颗粒是粒度为200目或者比200目更细的砂。
5.一种权利要求1-4任一项所述的烧结治具的使用方法，其特征在于，使用所述烧结治具来生产烧结复合的凸轮，所述烧结复合的凸轮是由凸轮外圈生坯环套凸轮内圈生坯装配而成，所述凸轮内圈生坯具有中间孔以便于烧结后向凸轮轴芯轴安装所述凸轮，所述烧结治具的中间凸柱部在烧结时支撑所述凸轮内圈生坯，所述流质耐火颗粒在烧结时托住所述凸轮外圈生坯；所述凸轮外圈生坯包括如下成分（重量百分比）：9.5-10%的Cr,0.8-1.0%的C，0.5-1.2%的Cu，0.05-0.2%的P，总量为1.5-2.0%的Si和W，基体金属为Fe；所述凸轮内圈生坯包括如下成分（重量百分比）：4.5-6.0%的Cr,0.5-0.7%的C，3.0-3.5%的Cu，0.05-0.2%的P，总量为0-2.0%的Si和W，基体金属为Fe。
6.根据权利要求5所述的烧结治具的使用方法，其特征在于，所述凸轮外圈生坯和/或所述凸轮内圈生坯中，除了所述成分外，其余为不可避免的杂质。
7.根据权利要求5所述的烧结治具的使用方法，其特征在于，所述凸轮外圈生坯和所述凸轮内圈生坯在装配前进行不超过2小时的热压处理，热压温度为850℃以下。
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