CN108620591A - 一种高性能粉末锻造齿轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能粉末锻造齿轮及其制备方法,所述制备方法利用Deform设计出预压件的形状和尺寸,将预压件在烧结之后取出,通过锻造、淬火等方式处理。通过控制锻造过程的参数,使得预压件在形变过程中,齿轮齿部由部分芯部的材料在模具中挤压形成,齿部因受到挤压呈致密状态,芯部受到挤压力较小,形变量小而未达到致密状态,得到了致密的齿部与不致密的芯部。相对于传统的粉末冶金齿轮,本发明公开的方法,增加一道锻造工序,制备出的齿轮性能大幅度提高,制备过程不需要购买昂贵的滚齿设备,且时间成本大幅减小;该制备方法适用于规模化生产,经济高效。
Description
【技术领域】
本发明属于粉末冶金领域,具体涉及一种高性能粉末锻造齿轮及其制备方法。
【背景技术】
齿轮作为重要的传动零件,不仅需要高硬度,好的耐磨性能,最好还可以有孔隙便于吸收噪音降低振动。传统机械加工出来的铸钢或锻钢齿轮,具有力学性能好,精度高的优点,但是材料利用率低,机械加工成本高,耗时长。粉末冶金齿轮,由于烧结产品没有达到全致密,力学性能不及机械加工出的齿轮,接触强度比较低,不能传递大扭矩;若使用油浸润这些齿轮中未致密的连通孔隙,增强其润滑性即可增强耐磨性,这些含油齿轮也可以形成免润滑零件。此外,由于其中的孔隙具有吸震降噪的效果,用齿轮噪声试验机试验的结果表明,粉末冶金齿轮比普通钢制齿轮的噪声等级小。现有提高粉末冶金齿轮性能的方法,主要是对齿轮的齿部进行滚压以提高其硬度以及抗冲击性能,但是滚压设备价格高昂,工序耗时长。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种高性能粉末锻造齿轮及其制备方法。本发明利用粉末锻造技术,通过设计预压件,得到致密的齿轮齿部,以及有孔隙不致密的齿轮芯部,相比于滚压得到的粉末冶金齿轮,关键工作部位的齿部密度达到理论致密,力学性能好,设备投入更少,成本更低。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,包括以下步骤:
1)制备或购买市售符合目标齿轮成分的合金粉末;
2)根据目标齿轮的尺寸确定预压件的尺寸和形状,设计冷压模具;将步骤1)制备的合金粉末装入冷压模具,进行冷压,获得预压件;
3)烧结预压件,得到烧结后的预压件;
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙,高频感应加热喷丸密封处理后的预压件;
5)热锻预压件后空冷,得到齿轮;精整齿轮;
6)淬火处理齿轮后,得到所述高性能粉末锻造齿轮。
本发明的进一步改进在于:
步骤2)中选用Deform有限元模拟软件确定预压件的尺寸和形状;步骤2)中冷压压力为500-600MPa。
步骤3)中脱脂温度为400-500℃,脱脂时间为10-20min,脱脂气氛选用真空或还原性气氛。
步骤3)中烧结温度根据《MPIF Standard 35-2012》确定;烧结时间为40-60min;烧结气氛选用真空或还原性气氛。
步骤4)中喷丸强度Almen A为0.1-0.3mm。
步骤4)中高频感应加热时间为5-10s,加热温度为1100-1200℃。
步骤5)中热锻温度为900-1200℃。
步骤6)中淬火处理为将步骤5)得到的齿轮加热至900-1100℃,放入水中冷却。
一种采用上述制备方法制得的高性能粉末锻造齿轮,包括依次接触的齿部(1)、过渡区(2)和芯部(3);齿部(1)的孔隙度<2%,芯部(3)的孔隙度>10%,2%≤过渡区(2)的孔隙度≤10%。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明公开了一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,所述制备方法利用Deform设计出预压件的形状和尺寸,将预压件在烧结之后取出,通过锻造、淬火等方式处理。通过控制锻造过程的参数,使得预压件在形变过程中,齿轮齿部由部分芯部的材料在模具中挤压形成,齿部因受到挤压呈致密状态,芯部受到挤压力较小,形变量小而未达到致密状态,得到了致密的齿部与不致密的芯部。对表面进行喷丸密封处理使得表面的孔隙被封,提高齿轮表面的抗氧化性;高频加热使预压件形成热度梯度,表面温度高于芯部,为热锻过程表面和芯部的形变量不同做准备;相对于传统的粉末冶金齿轮,本发明公开的方法,增加了一道锻造工序,制备出的齿轮性能大幅度提高,制备过程不需要购买昂贵的滚齿设备,且时间成本大幅减小;该制备方法适用于规模化生产,经济高效。
通过本发明公开的制备方法制得的齿轮,根据实际服役要求,使主要接触受力的部位是全致密材料,而不接触受力的地方为有孔隙的材料,有吸震降噪的作用。使齿轮的齿部具有好的力学性能的同时,芯部的孔隙具有抗震降噪的功能。而制备过程的成本降低,更易于自动化,通过本方法制备出的齿轮能够用于高扭矩的传动齿轮上。
【附图说明】
图1为本发明预压件设计图的正视剖面结构示意图;
图2为本发明预压件设计图的俯视结构示意图;
图3为本发明齿轮最终成型图以及实际锻造产品图;
图4为本发明齿轮齿部的金相组织;
图5为本发明齿轮芯部的金相组织。
其中:1-齿部;2-过渡区;3-芯部。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
本发明公开了一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,具体包括以下步骤:
1)制备合金粉末;若制作齿轮的粉末成分为已有牌号,则购买市售的合金粉末备用;若无现成牌号,单独购买每一种合金材料粉末,根据目标合金粉末成分,对材料进行配料,在混料机中充分搅拌,混合均匀,制得合金粉末备用;
2)根据目标齿轮的尺寸确定预压件的尺寸形状;利用Deform有限元模拟软件设计冷压模具,确定预压件的尺寸形状;将步骤1)中制备的合金粉末装入冷压模具,进行冷压,冷压压力为500-600MPa,获得预定形状和尺寸的预压件;
3)对预压件在400-500℃,真空或还原性气氛中,保温10-20分钟脱脂,得到脱脂后的预压件;烧结脱脂后的预压件,根据《MPIF Standard 35-2012》标准确定合适的烧结温度,然后在烧结温度,真空或还原性气氛中烧结40-60min,得到烧结后的预压件;
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙,喷丸强度Almen A为0.1-0.3mm;将喷丸后的预压件放至高频感应加热炉中加热,加热时间为5-10s,加热温度为1100-1200℃;本发明的喷丸密封处理表面利用传统的喷丸工艺处理烧结后预压件,即通过喷丸工艺密封齿轮表面的孔隙,齿轮表面的孔隙率低,使得齿轮在服役过程中,表面抗氧化性能好。
5)将高频加热后的预压件放入至热锻模具中进行热锻,热锻模具为目标齿轮的形状及尺寸;热锻温度为900-1200℃;热锻后得到齿轮,将齿轮进行空冷后机加工,以去除齿轮表面氧化层及结构余量,得到目标尺寸与形状的齿轮。
6)将机加工后的齿轮加热至900-1100℃,放入至室温的水中冷却,为对齿轮进行淬火处理,得到高性能的粉末锻造齿轮。
得到的高性能粉末锻造齿轮由外向内分为三部分,为依次接触的齿部1、过渡区2和芯部3;参见图4,齿部1为致密度最高的结构,孔隙率<2%,HRC>60;参见图5,芯部3的孔隙率>10%(图中黑色的点为孔),使芯部有吸震降噪的作用;过渡区2在齿部1和芯部3之间,2%≤孔隙率≤10%。
实施例1:Fe-C-Cu齿轮
1)直接购买成品Fe-C-Cu粉末,粉末的成分质量比为:Cu:2.5%,C:0.5-0.64%,润滑剂0.45-0.6%,余量为铁;
2)利用Deform有限元模拟软件设计冷压模具,将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总,在600MPa下进行冷压,获得预定形状和尺寸的预压件;
3)对预压件在400℃,90%N2-10%H2的还原性气氛中,保温10分钟脱脂;然后在1280℃下,在90%N2-10%H2的还原性气氛中烧结40分钟;
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙,喷丸强度为Almen A:0.1mm;将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热,加热时间为6s,加热温度为1100℃;
5)热锻并机加工处理预压件,热锻温度为1000℃;
6)将机加工的齿轮加热至900℃后放入至水中冷却,得到高性能的粉末锻造齿轮。
实施例2:Fe-C-Ni-Mo-Cu齿轮
1)对Fe-C-Ni-Mo-Cu合成粉末进行配料,成分质量百分比为:镍0.5-4%,钼0.2-4%,铜0.5-3.2%,石墨0.5-0.8%,润滑剂0.4-0.9%,余量为铁;按照上述成分分别称取原料粉末,在混粉机内分别充分混合均匀;
2)利用Deform有限元模拟软件设计冷压模具,将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总,在500MPa下进行冷压,获得预定形状和尺寸的预压件;
3)对预压件在500℃,90%N2-10%H2的还原性气氛中,保温12分钟脱脂;然后在1350℃下,在90%N2-10%H2的还原性气氛中烧结60分钟;
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙,喷丸强度为Almen A:0.2mm;将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热,加热时间为5s,加热温度为1200℃;
5)热锻并机加工处理预压件,热锻温度为900℃;
6)将机加工的齿轮加热至1000℃后放入至水中冷却,得到高性能的粉末锻造齿轮。
实施例3:Fe-C-Cu齿轮
1)直接购买成品Fe-C-Cu粉末,粉末的成分质量比为:Cu:2.5%,C:0.5-0.64%,润滑剂0.45-0.6%,余量为铁;
2)利用Deform有限元模拟软件设计冷压模具,将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总,在560MPa下进行冷压,获得预定形状和尺寸的预压件;
3)对预压件在420℃,真空气氛中,保温20分钟脱脂;然后在1280℃下,在真空气氛中烧结42分钟;
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙,喷丸强度为Almen A:0.3mm;将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热,加热时间为8s,加热温度为1140℃;
5)热锻并机加工处理预压件,热锻温度为1000℃;
6)将机加工的齿轮加热至1000℃后放入至水中冷却,得到高性能的粉末锻造齿轮。
实施例4:Fe-C-Ni-Mo-Cu齿轮
1)对Fe-C-Ni-Mo-Cu合成粉末进行配料,成分质量百分比为:镍0.5-4%,钼0.2-4%,铜0.5-3.2%,石墨0.5-0.8%,润滑剂0.4-0.9%,余量为铁;按照上述成分分别称取原料粉末,在混粉机内分别充分混合均匀;
2)利用Deform有限元模拟软件设计冷压模具,将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总,在540MPa下进行冷压,获得预定形状和尺寸的预压件;
3)对预压件在440℃,真空气氛中,保温16分钟脱脂;然后在1350℃下,在90%N2-10%H2的还原性气氛中烧结46分钟;
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙,喷丸强度为Almen A:0.3mm;将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热,加热时间为10s,加热温度为1150℃;
5)热锻并机加工处理预压件,热锻温度为1100℃;
6)将机加工的齿轮加热至950℃后放入至水中冷却,得到高性能的粉末锻造齿轮。
实施例5:Fe-C-Cu齿轮
1)直接购买成品Fe-C-Cu粉末,粉末的成分质量比为:Cu:2.5%,C:0.5-0.64%,润滑剂0.45-0.6%,余量为铁;
2)利用Deform有限元模拟软件设计冷压模具,将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总,在520MPa下进行冷压,获得预定形状和尺寸的预压件;
3)对预压件在480℃,90%N2-10%H2的还原性气氛中,保温18分钟脱脂;然后在1280℃下,在真空气氛中烧结48分钟;
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙,喷丸强度为Almen A:0.1mm;将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热,加热时间为7s,加热温度为1180℃;
5)热锻并机加工处理预压件,热锻温度为1000℃;
6)将机加工的齿轮加热至1050℃后放入至水中冷却,得到高性能的粉末锻造齿轮。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)制备或购买市售符合目标齿轮成分的合金粉末;
2)根据目标齿轮的尺寸确定预压件的尺寸和形状,设计冷压模具;将步骤1)制备的合金粉末装入冷压模具,进行冷压,获得预压件;
3)烧结预压件,得到烧结后的预压件;
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙,高频感应加热喷丸密封处理后的预压件;
5)热锻预压件后空冷,得到齿轮;精整齿轮;
6)淬火处理齿轮后,得到所述高性能粉末锻造齿轮。
2.根据权利要求1所述的一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,其特征在于,步骤2)中选用Deform有限元模拟软件确定预压件的尺寸和形状;步骤2)中冷压压力为500-600MPa。
3.根据权利要求1所述的一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,其特征在于,步骤3)中脱脂温度为400-500℃,脱脂时间为10-20min,脱脂气氛选用真空或还原性气氛。
4.根据权利要求1所述的一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,其特征在于,步骤3)中烧结温度根据《MPIF Standard 35-2012》确定;烧结时间为40-60min;烧结气氛选用真空或还原性气氛。
5.根据权利要求1所述的一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,其特征在于,步骤4)中喷丸强度Almen A为0.1-0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,其特征在于,步骤4)中高频感应加热时间为5-10s,加热温度为1100-1200℃。
7.根据权利要求1所述的一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,其特征在于,步骤5)中热锻温度为900-1200℃。
8.根据权利要求1所述的一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法,其特征在于,步骤6)中淬火处理为将步骤5)得到的齿轮加热至900-1100℃,放入水中冷却。
9.一种采用权利要求1-8任意一项所述制备方法制得的高性能粉末锻造齿轮,其特征在于,包括依次接触的齿部(1)、过渡区(2)和芯部(3);齿部(1)的孔隙度<2%,芯部(3)的孔隙度>10%,2%≤过渡区(2)的孔隙度≤10%。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181009 |
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