CN109482889A - 一种汽车转向结构零件球碗的材料及粉末冶金制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种汽车转向结构零件球碗的材料及粉末冶金制备工艺，所述材料包括基础粉末与添加粉末，所述基础粉末为水雾化铁基粉末，所述添加粉末为铜粉、铬合金粉、碳粉、碳化钨粉；其制备工艺是按设计的球碗材料组分配比，配取粉末混合均匀，在真空条件下加热保温，进行预扩散；向预扩散后的粉末中添加设计含量的WC粉，同时添加润滑剂进行混炼并温压成球碗坯；将球碗坯烧结后炉冷至室温；机加工后，加热至指定温度油淬，回火后炉冷至室温。本发明合金组分配比合理、制备工艺简单、操作方便，可有效保证产品的尺寸精度及稳定性，强度、韧性匹配良好，产品耐磨性好，寿命是同类型产品的1.5倍以上，适于作为汽车转向结构零件球碗的制备。

Description

一种汽车转向结构零件球碗的材料及粉末冶金制备工艺

技术领域

本发明涉及一种汽车转向结构用零部件材料及制备工艺，特别是指一种汽车转向结构零件球碗的材料及粉末冶金制备工艺。属于粉末冶金技术领域。

背景技术

粉末冶金是一种新型的材料制备技术，很多复杂形状的制品都可以通过粉末冶金一次成型或者减少后续的机加工。由于直接从金属粉末成形，无需切削加工就可以达到高的精确度，可以在短时间内以较低的成本进行大规模生产，所以粉末冶金结构的汽车零件正在替代已有的齿轮、凸轮、链轮、各种形状的铸件、锻件、切削加工件。

转向系统是汽车的优先保障系统，是汽车驾驶安全的基础，故转向系统使用的可靠性、安装的方便性和调整的灵活性就具有举足轻重的作用。汽车转向系统中，球头是非常关键的部件，其主要包括转向球头杆、球头座、尘封、氢化铁片制成的垫片和弹簧以及一个用于支撑的球碗，球碗位于球头座内转向球头杆的球头下方，垫片支撑在球碗的底面上，球碗的圆周面和底面上设有均匀的相互贯通的防滑槽。球碗与球头座内壁之间存在摩擦阻力，长时间使用容易产生磨损，磨损是主要的失效形式，因此球碗和球头的材质都必须具备很好的耐磨性。见附图1，球碗2安装在球头座1内，转向球头杆3安装在球碗中。

在使用过程中，球接头将承受各种动态载荷。基于车辆的重量，可以确定最大径向载荷，该载荷将直接分布在球碗和壳体的球之间。

另外，因球碗内外表面都是装配面，内外表面的粗糙度及尺寸精度要求较高，表面粗糙度需达到Ra0.8以内，尺寸精度控制在0.05（单向公差）以内。这大大加大了球碗的制造加工难度。同时球碗不是一个完整的球，有一些几毫米不同规格大小的缺口，这种结构在制造生产中会产生变形，加大了产品尺寸控制的难度。

现有技术中，通常采用传统的铸造或者锻造等方法生产球碗，产品内部组织不均匀，精度不高，后续加工繁琐。粉末冶金相对传统的铸造、锻造等成型技术有着独特的优势，用于制备球碗是一种可行的选择。但是，由于球碗要求有良好的强韧性匹配，且尺寸精度要求高，因此，需要对球碗的材料及粉末冶金制备工艺进行优化，才能制备满足设计要求的球碗产品。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是提供一种汽车转向结构零件球碗的材料及粉末冶金制备工艺。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的材料，包括基础粉末与添加粉末，所述基础粉末为水雾化铁基粉末，所述添加粉末为铜粉、铬粉、碳粉、碳化钨粉；各组分的质量百分比为：

铜粉 1.0-3.0%,

铬粉 1.5-2.5%

碳粉 0.5-1.0%

WC粉 1.0-4.0%，余量为水雾化铁基粉末。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的材料，所述基础粉末水雾化铁基粉末选自北美Hoeganaes公司生产的Ancorsteel 4600粉，其粒度分布为D50=80um，D90=150 um；其具体组分质量百分比为0.15%Mn、0.55%Mo、1.83%Ni、余量Fe。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的材料，所述铜粉是粒度≤75um（-200目）的水雾化粉末；碳粉是粒度为10-40um的石墨粉；WC粉的粒径为5-10um。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，包括下述步骤：

第一步：预扩散

按设计的球碗材料组分配比，配取Ancorsteel 4600粉、铜粉、石墨，铬粉以FeCr₅₅C₆₀₀合金粉的形式配取，FeCr₅₅C₆₀₀合金粉的平均粒径10um，将配取的粉末混合均匀，在真空条件下加热至850℃以下保温，进行预扩散；

第二步：压制成型

向预扩散后的粉末中添加设计含量的WC粉，同时添加润滑剂进行混炼，混炼后温压成球碗坯；

第三步：烧结：

将球碗坯在真空条件下，以≤6℃/min的速率升温到400℃以下，保温后通入H₂以≤9℃/min的速率升温至950℃以下，保温预烧结后以≤5℃/min的速率升温到烧结温度，烧结后炉冷至室温；

第四步：热处理

将烧结后的球碗坯进行机加工后，以≤8℃/min的升温速率加热至920℃以下，保温后油淬，淬后球碗坯以≤4℃/min的升温速率加热至220℃以下，保温回火，回火后炉冷至室温。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，球碗材料，包括下述组分按质量百分比组成：

铜粉 1.0-3.0%,

铬粉 1.5-2.5%

碳粉 0.5-1.0%

WC粉 1.0-4.0%，余量为水雾化铁基粉末；

水雾化铁基粉末选自北美Hoeganaes公司生产的Ancorsteel 4600粉。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，第一步中，预扩散在真空度为10^-1-10^-3帕的条件下加热至750-850℃保温1-2h。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，第二步中，向预扩散后的粉末中添加占预扩散粉末质量1-4%的WC粉；同时，添加占预扩散粉末与WC粉总质量3-6%的石蜡作为润滑剂，在V型混料机中混炼2-5h，转速为50-70r/min。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，第二步中，温压工艺参数为：温度100-150℃，压力600-700MPa，在球碗模具中成型。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，第三步中，将球碗坯在真空度10^-3Pa以下，以2-6℃/min的速率升温到300-400℃，保温1-3h；然后通入H₂以5-9℃/min的速率升温到850-950℃，保温60-90min进行预烧结，然后以2-5℃/min的速率升到1150-1250℃，保温60-120min进行烧结后，炉冷至室温。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，第四步中，将烧结后的球碗坯进行机加工是指采用CNC工艺，对烧结坯按照设计的规格尺寸加工球碗内径及两端面。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，第四步中，机加工后的球碗坯，以2-8℃/min的升温速率加热至850-920℃，保温1-2h，油淬后，球碗坯以1-4℃/min的升温速率加热至180-220℃，保温1-4h进行回火。

本发明一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，第四步中，回火后经表面抛光、局部线切割至所需形状后，得产品。

本发明的优点及机理简述于下：

1）、本发明中Cr元素以FeCr₅₅C₆₀₀合金粉的形式加入到混合粉末中，可以有效避免在烧结过程中Cr被氧化。一方面，利用Cr的固溶强化作用，提高合金的强度；由于Cr和C的亲和力较大，Cr在铁基体中扩散速度缓慢，同时会有效降低C的扩散速度，从而引起钢的临界冷却速度降低，促进合金发生马氏体相变，使组织中出现更多的马氏体、贝氏体，提高合金硬度。

另一方面，Cr元素能够起到提高过冷奥氏体的稳定性的作用，延长孕育期，使C曲线右移，提高钢的淬透性。Cr在珠光体的转变中，能扩散到珠光体的渗碳体中，形成合金渗碳体(Fe,Cr)C3，阻碍C的扩散，使珠光体细化，提高铁合金的综合力学性能。

2）、本发明的混合粉末是由Ancorsteel4600粉为基础，加入铜粉、石墨、FeCr₅₅C₆₀₀合金粉组成的烧结硬化铁基粉末，由于没有进行整体预合金化处理，粉末均匀性不好。本发明通过在750-850℃真空下保温进行预扩散，使Cr元素扩散层厚度和扩散量不断增加，为Cr元素向Fe扩散提供了条件。在后续烧结过程中，己经预扩散的Cr元素可以优先于C元素扩散，起到更好的固溶强化作用，最终合金中的Cr元素分布更为均匀。除此外，预扩散整体改善了所有合金元素分布不均的问题，能提高粉末冶金产品的致密度。

3）、本发明混合粉末采用的是一种烧结硬化粉末。烧结硬化工艺快速冷却阶段的冷却速度一般要求在2～4℃/s，而随炉冷却速度一般仅仅在1.5℃/s以下，球碗零件较大（超过100g），2～4℃/s的冷却速度难以保证球碗的淬透性，因此，本发明在烧结冷却后又进行油淬热处理，冷却速度可以根据需求通过设置油温来进行调控，最快可以达到100℃/s，这样确保合金获得理想的马氏体组织及含量，使制备的材料达到期望的硬度和力学性能。另外，Ancorsteel4600粉中本身含有的Mo、Mn、Ni合金元素及添加的Cr、Cu等合金元素也会增加材料的淬透性，更进一步促进材料中马氏体的形成。保证球碗的淬透性，最终得到的基本上都是马氏体相。通过随后的回火处理，得到回火马氏体组织，确保最终产品使用过程中尺寸的稳定性。

4）、本发明在合金中添加WC细粉，利用WC硬质颗粒均匀分布于奥氏体中，一方面，使基体合金的晶粒细化，另一方面，提高材料的强度和硬度；在烧结后通过热处理，细小的WC硬质相，起到弥散强化的作用，使球碗获得更好的耐磨性，满足球碗的使用要求。但是，WC的加入会使材料的冲击韧性下降，所以控制了其加入量，在增加其耐磨能力的同时韧性仍然能够达到产品的使用要求。

本发明通过上述几方面的协同作用，最终生产出尺寸精度高、耐磨性好、强度与硬度匹配良好的球碗。

综上所述，本发明通过材料组分的合理匹配得到一种烧结硬化铁基粉末，通过预扩散，整体改善所有合金元素分布不均的问题，提高粉末冶金产品的致密度。

另外，添加WC细粉，烧结后WC硬质相起到了弥散强化的作用，提高了产品的耐磨性，另外硬质相的加入会引起基体合金的晶粒细化，导致材料的强度和硬度增加。

采用烧结硬化粉末，并优化烧结硬化工艺，并采用烧结后的油淬+回火热处理工艺，得到的显微组织不含有或只含有很少的残留奥氏体，但含有回火马氏体，这样的显微组织尺寸最稳定，同时力学性能优良。

本发明合金组分配比合理、制备工艺简单、操作方便，可有效保证最终产品的尺寸精度及稳定性，且强度、韧性匹配良好，适于作为汽车转向结构零件球碗的制备。

附图说明：

附图1是汽车转向结构中球碗装配结构示意图。

附图2是本发明实施例1添加了WC粉的混合粉末SEM形貌；

附图3是本发明实施例1制备的球碗的实物图；

附图4是本发明实施例1制备的球碗烧结胚体的金相组织图；

附图5是本发明烧结工艺图。

附图1中，1---球头座，2---球碗，3---转向球头杆。

从附图2可以看出混合粉末颗粒整体分布均匀。

从附图4可以看出烧结后WC硬质相在基体中呈弥散分布，整体比较均匀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种汽车转向结构中的零件-球碗的制备工艺，

制备球碗的材料由Ancorsteel4600粉+铜粉+石墨+FeCr₅₅C₆₀₀合金粉混合而成，具体质量百分比是2.0%Cu、0.8%C、1.8%Cr、余量Ancorsteel4600粉。

制备工艺过程是：

预扩散：将铜粉、石墨、FeCr₅₅C₆₀₀与Ancorsteel4600粉混合，在真空炉中，真空度为10^-3帕，850℃保温2h进行预扩散；

压制成型：将预扩散后的粉末按照质量百分比加入2%的细粉WC作为硬质相，再加入6%的石蜡作为润滑剂，在V型混料机中转速60r/min，混炼5h后于150℃，700MPa的压力下，在球碗模具中温压压制成球碗坯；

烧结：球碗坯在脱脂烧结一体炉中先抽真空10^-3Pa，以4℃/min的速率升高到400℃，保温2h；然后通入H₂以5℃/min的速率升高到950℃，保温90min，达到预烧效果；然后以2℃/min的速率升到1250℃，保温120min，然后炉冷至室温；

CNC加工：按照所需规格加工球碗内径及两端面；

热处理：以速率5℃/min升至900℃，保温2h，然后单液介质油中淬火；回火以3℃/min速率升至在220℃，保温3h，炉冷至室温。

后续加工：内径抛光处理，然后局部线切割至所需形状。

最终产品机械性能见表5。

对比例1：(没有添加元素Cr)

本对比例1与实施例1的区别是：球碗材料中不含Cr；

制备球碗的材料由Ancorsteel4600粉+铜粉+石墨混合而成，具体质量百分比是2.0%Cu、0.8%C、余量Ancorsteel4600粉。

本对比例1与实施例1的制备工艺相同，最终产品机械性能见表5。

对比例2：（没有进行预扩散）

本对比例2与实施例1的球碗材料组分相同，制备工艺的不同在于本对比例2没有进行预扩散。

最终产品机械性能见表5。

对比例3：（没有添加WC）

本对比例3与实施例1的材料组分区别在于本对比例3不添加WC粉，制备工艺与实施例1相同。

最终产品机械性能见表1。

表1 不同实例产品烧结后热处理态合金的力学性能

从以上实施例1与对比例2、3、4制备的球碗性能指标可以看出：本发明制备的球碗综合性能指标较对比例的好。

以上所述设计参数仅为本发明部分实例，故不能以此限定本发明的实施范围，依本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种汽车转向结构零件球碗的材料，包括基础粉末与添加粉末，所述基础粉末为水雾化铁基粉末，所述添加粉末为铜粉、铬粉、碳粉、碳化钨粉；各组分的质量百分比为：

铜粉 1.0-3.0%,

铬粉 1.5-2.5%

碳粉 0.5-1.0%

WC粉 1.0-4.0%，余量为水雾化铁基粉末。

2.根据权利要求1所述的一种汽车转向结构零件球碗的材料，其特征在于：所述基础粉末水雾化铁基粉末选自北美Hoeganaes公司生产的Ancorsteel 4600粉，其粒度分布为D50=80um，D90=150 um。

3.根据权利要求1所述的一种汽车转向结构零件球碗的材料，其特征在于：所述铜粉是粒度≤75um（-200目）的水雾化粉末；碳粉是粒度为10-40um的石墨粉；WC粉的粒径为5-10um。

4.一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，包括下述步骤：

第一步：预扩散

按设计的球碗材料组分配比，配取Ancorsteel 4600粉、铜粉、石墨、铬粉以FeCr₅₅C₆₀₀合金粉的形式配取，FeCr₅₅C₆₀₀合金粉的平均粒径10um，将配取的粉末混合均匀，在真空条件下加热至850℃以下保温，进行预扩散；

第二步：压制成型

向预扩散后的粉末中添加设计含量的WC粉，同时添加润滑剂进行混炼，混炼后温压成球碗坯；

第三步：烧结：

将球碗坯在真空条件下，以≤6℃/min的速率升温到400℃以下，保温后通入H₂以≤9℃/min的速率升温至950℃以下，保温预烧结后以≤5℃/min的速率升温到烧结温度，烧结后炉冷至室温；

第四步：热处理

将烧结后的球碗坯进行机加工后，以≤8℃/min的升温速率加热至920℃以下，保温后油淬，淬后球碗坯以≤4℃/min的升温速率加热至220℃以下，保温回火，回火后炉冷至室温。

5.根据权利要求4所述的一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，其特征在于：球碗材料，包括下述组分按质量百分比组成：

铜粉 1.0-3.0%,

铬粉 1.5-2.5%

碳粉 0.5-1.0%

WC粉 1.0-4.0%，余量为水雾化铁基粉末；

水雾化铁基粉末选自北美Hoeganaes公司生产的Ancorsteel 4600粉。

6.根据权利要求4所述的一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，其特征在于：第一步中，预扩散在真空度为10^-1-10^-3帕的条件下加热至750-850℃保温1-2h。

7.根据权利要求4所述的一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，其特征在于：第二步中，向预扩散后的粉末中添加占预扩散粉末质量1-4%的WC粉；同时，添加占预扩散粉末与WC粉总质量3-6%的石蜡作为润滑剂，在V型混料机中混炼2-5h，转速为50-70r/min；温压工艺参数为：温度100-150℃，压力600-700MPa，在球碗模具中成型。

8.根据权利要求4所述的一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，其特征在于：第三步中，将球碗坯在真空度10^-3Pa以下，以2-6℃/min的速率升温到300-400℃，保温1-3h；然后通入H₂以5-9℃/min的速率升温到850-950℃，保温60-90min进行预烧结，然后以2-5℃/min的速率升到1150-1250℃，保温60-120min进行烧结后，炉冷至室温。

9.根据权利要求4所述的一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，其特征在于：第四步中，机加工后的球碗坯，以2-8℃/min的升温速率加热至850-920℃，保温1-2h，油淬后，球碗坯以1-4℃/min的升温速率加热至180-220℃，保温1-4h进行回火。

10.根据权利要求4-9任意一项所述的一种汽车转向结构零件球碗的粉末冶金制备工艺，其特征在于：第四步中，回火后经表面抛光、局部线切割至所需形状后，得产品。