CN109695004A - 一种铁基粉末冶金零件的制造方法 - Google Patents

一种铁基粉末冶金零件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铁基粉末冶金零件的制造方法，步骤：设计材料组成；混料；成型；烧结；感应加热；致密化；淬火和回火。本发明采用感应加热后立即进行热态致密化，致密化的力较小，效率高，致密化层的厚度较大，与传统粉末冶金工艺相比，本发明的制备方法成本较低，效率较高，制备的产品的密度更高，整体密度可以超过7.60g/cm3，接近粉末锻造的水平，而表面相对密度可以达到99％以上，基本实现表面致密化，大大提高高碳粉末冶金产品的整体密度或/和局部密度，有效提升零件的力学性能。

Description

一种铁基粉末冶金零件的制造方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，尤其涉及一种铁基粉末冶金零件的制造方法。
背景技术
粉末冶金是生产高强度和形状复杂的齿轮有效的工艺。目前，通过使用高性能的粉末、成型、烧结和特殊的后加工，粉末冶金工艺已经可以生产出密度超过7.4g/cm3的零件。复压复烧技术可以大幅提升产品的密度。采用普通的雾化铁粉经成形和烧结，铁基粉末冶金零件的密度只能达到7.1g/cm3左右。要想进一步提高粉末冶金零件的密度，可以采用成形-预烧结-复压-二次烧结的复压复烧工艺。预烧结有两个作用。其一，对成形时已经加工硬化的粉末进行退火，降低铁粉颗粒的屈服强度，利于二次压制时提高密度。其二，脱出产品中的有机润滑剂。有机润滑剂由于密度较低，在产品中占据较大的空间，成形时这些润滑剂难以压缩，密度的提高受到限制。而预烧时95％以上的润滑剂都能够脱出，复压时润滑剂占据的位置就可以压缩，利于提高密度。
碳是铁基粉末冶金材料的重要合金元素。一般的零件都不可避免地含有0.3％以上的碳。在铁基粉末冶金中，碳基本以石墨的形态在混料时加入。由铁粉与石墨粉的混合粉制成的结构零件，其材料的强度同样随着含碳量增加而增高。由铁粉与石墨粉的混合粉成形的压坯，在烧结时，石墨中的碳扩散到铁中，形成奥氏体(碳在高温形态铁中的固溶体)压坯烧结后冷却到室温时，奥氏体发生相变，化合碳含量为0.80％时，形成珠光体(铁素体与渗碳体的共晶混合物)；化合碳含量低于0.80％(即亚共析钢)时，形成铁素体与珠光体的混合物；化合碳含量高于0.80％(即过共析钢)时，形成珠光体与渗碳体的混合物。
为了避免或减缓碳的扩散，保留更多的铁素体，一般预烧结温度通常为780～850℃左右，随着预烧结温度的提升，碳的扩散增加，珠光体等组织比例显著增加。随着珠光体含量增加，复压的压力增加，同时模具损耗也增加。
但是，由于预烧结温度太低，预烧结坯的强度不高，而现在产品的要求越来越高，需要较高的密度和表面致密度，例如密度要求大于等7.4g/cm3。对于高碳的铁基粉末冶金零件来说，由于碳含量较高使得成形生坯的密度较低，因此要达到如此高要求的密度和表面致密度，需要预烧坯进行较大变形量的加工包括复压、滚压等。但由于预烧结坯的强度不高，在这些机械加工过程中极易发生齿部脱落、零件开裂等问题，难以达到所需的密度和表面致密度。
为了解决这个问题,现有专利号为201310353629.X的中国专利《一种铁基粉末冶金零件的制造方法》，其特征在于步骤：1)设计材料组成；2)混料：其中碳元素采用镀铜石墨粉；3)成型：将上述已混合粉末进行压制，得到生坯；4)预烧结：将生坯在非氧化性气氛中进行预烧结，烧结温度800℃～1090℃，预烧结时间1～120分钟；5)加工：包括复压、机械加工、挤压、表面滚压；6)烧结：在非氧化性气氛中进行二次烧结，烧结温度大于1090℃。将石墨粉表面采用电镀处理，在1090摄氏度以下预烧结，通过电镀的铜层阻止碳的扩散，使得预烧坯的强度较大且硬度较低，便于进行表面致密化，然后在1090摄氏度以上进行高温烧结，使碳扩散到基体中，得到满足所需强度、硬度以及表面致密度等要求的成品。但是，该种方法需要使用镀铜石墨粉，对于石墨粉的处理步骤较为繁琐，且成本较高。
还有专利号为201410156417.7的中国专利《一种粉末冶金齿轮、链轮的制备方法》，步骤：将碳、铁、铬、钼、铜、镍按以下质量百分比混合成混分粉，碳：0.1～1.5％，铜：0～4％，镍：0～5％，钼：0～2％，铬：0～18％，不超过2％不可避免杂质，铁：余量；将上述混合粉在压力大于400MPa压机上压制成密度为6.6～7.4g/cm3的齿(链)轮生坯；然后在1000℃～1350℃进行烧结，烧结时间为5～180分钟；在非氧化性气氛中退火，退火温度750～1080℃，时间5～200分钟；通过挤压成型机或精整压机改装压机上进行均匀挤压，挤压量大于齿顶圆与齿根圆直径之差的2％；热处理即为成品。其提出了采用退火的方式改善组织，降低硬度，但是对于碳含量较高的产品，退火降低的硬度有限，且退火时间过长，生产效率低下。
因此，对于高碳铁基粉末冶金零件来说，通过挤压成形、整形、复压、表面滚压、横向轧制等加工难以提高密度或/和表面致密度，达不到改善力学性能和强度的目的。目前，高碳粉末冶金产品的致密化对于业界而言仍是一个急需解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、效率高的铁基粉末冶金零件的制造方法，可有效提高高碳粉末冶金产品的整体密度或/和局部密度，提升零件的力学性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铁基粉末冶金零件的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1)设计材料组成：碳：0.4～1.5％、铜：0～4％，镍：0～5％，钼：0～2％，铬：0～6％，锰：0～5％，不超过2％的不可避免的杂质，铁：余量(均为质量分数)；
2)混料：根据需要将铁、铬、钼、镍、锰、碳及铜等按质量百分比混合成混合粉，其中，铬、钼、铜、镍、锰可以以铁合金或母合金形式加入，碳以石墨形式加入，然后加入质量百分比含量为0.1～1％的润滑剂；
3)成型：将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述混合粉末进行压制，得到生坯；
4)烧结：将成型的所述生坯在非氧化性气氛中进行烧结，烧结温度1000℃～1300℃，烧结时间1～300分钟，得到烧结件；
5)感应加热：可根据致密化程度的要求，将烧结的工件需要致密化的部位置于感应线圈的磁场中进行感应加热，工件加热部位的温度500～1200℃，加热的部位可为整体，也可为局部区域；
6)致密化：根据致密化程度的要求和部位，选用挤压成形、整形、复压、表面滚压或横向轧制方法进行致密化处理；
7)淬火和回火：将零件进行淬火和回火。
进一步，所述步骤6)致密化前包含步骤5)感应加热工序。
进一步，所述步骤4)烧结或/和步骤6)致密化后可增加精整、机械加工工序。
进一步，所述步骤5)的加热方式不局限于感应加热，还可采用电加热、气体加热或激光加热方式。
优选的，所述步骤5)的感应加热中对于整体加热，选用中频加热或中高频结合的加热方式；对于内外齿部位的加热选用高频加热或中高频结合的加热方式。
进一步，所述步骤6)的致密化中，对于外齿表面需要致密化的情况，采用表面滚压、或者横向轧制方式加工致密化。
最后，所述步骤6)致密化之后可立即进行淬火冷却，取消步骤7)淬火和回火中的淬火。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用感应加热后立即进行热态致密化，致密化的力较小，效率高，致密化层的厚度较大。与传统粉末冶金工艺相比，本发明的制备方法成本较低，效率较高，制备的产品的密度更高，整体密度可以超过7.60g/cm3，接近粉末锻造的水平，而表面相对密度可以达到99％以上，基本实现表面致密化，大大提高高碳粉末冶金产品的整体密度或/和局部密度，提升零件的力学性能。
附图说明
图1是本发明提供的实施例1烧结后的孔隙分布图；
图2为实施例1加工(表面滚压)后的孔隙分布图；
图3为实施例1表面滚压后齿顶部的孔隙分布图；
图4为实施例1表面致密化后齿根部的孔隙分布图；
图5为实施例1表面致密化后齿侧的孔隙分布图；
图6为实施例1回火后齿根部的金相组织图；
图7为实施例1的齿轮烧结后的金相组织图；
图8a～8b为本发明实施例制备的凸轮的结构示意图；
图9为本发明实施例制备的单向离合器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
下述实施例的材料组成可以根据需要选用Ni，Cu，Mn，Cr，Mo等合金元素；下述实施例的烧结或预烧结可以选用网带炉、推杆炉、钟罩炉或真空炉等。
实施例1
准备好原料，其配比为(质量百分比)：含钼0.85％铁钼合金粉为98.85％；碳为0.65％，以及含量为0.5％的润滑剂；将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.10g/cm3的齿轮生坯；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1120℃，烧结时间30分钟；
感应加热：将已经烧结的齿轮放置在感应线圈中，进行感应加热，电源频率120kHZ，加热时间1.8S，采用红外辐射方式测量表面温度950℃，齿根部位加热深度2.0mm；
致密化：将工件转移至表面滚压设备中，进行表面滚压致密化，致密化后冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.4mm；
淬火和回火：将零件进行淬火和回火，达到所需的力学性能；
喷丸处理，提升零件的抗疲劳性能。
图1至图5为本实施例的相关试验图片，其中图1烧结态的齿部形貌，图2为工序“加工”后的齿部形貌，图3到图5为齿的不同部位的形貌；
图6为齿部经高频热处理后的金相组织，回火后表面硬度HV5达到680；
图7为齿轮烧结态的金相组织，可以看出，经过加热滚压致密化处理，明显提升了齿部密度，且没有对零件造成破坏。
实施例2
准备好原料，其配比为(质量百分比)：含钼0.85％铁钼合金粉为98.85％；碳为0.65％，以及含量为0.5％的润滑剂；将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.10g/cm3的齿轮生坯，生坯外径80mm，内径40mm；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1250℃，烧结时间30分钟；
感应加热：将已经烧结的齿轮放置在感应线圈中，进行感应加热，电源频率25kHZ，加热时间15S，采用红外辐射方式测量零件温度980℃；
致密化：将工件转移至复压压机中，进行复压致密化，致密化后冷却至室温；
淬火和回火：将零件进行淬火和回火，达到所需的力学性能。
回火后零件整体密度7.5g/cm3。
实施例3
准备好原料，其配比为：铁合金粉(铬为3.0％，钼为0.5％，不可避免的其他物质小于1％，铁为余量)为50％，纯铁粉为48.7％；碳为0.8％，然后加入含量为0.5％的润滑剂；将上述混合粉在700MPa的压力下压制为密度7.2g/cm3的凸轮生坯；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1250℃，烧结时间30分钟；
感应加热：将已经烧结的凸轮放置在感应线圈中，进行感应加热，电源频率20kHZ，加热时间17S，采用红外辐射方式测量表面温度980℃；
致密化：将工件转移至挤压致密化设备中，进行挤压致密化，致密化后冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.8mm；
淬火和回火：将零件进行淬火和回火，硬度HRC大于58。
实施例4
准备好原料，其配比为：铁合金粉(钼为0.5％，铜为1.5％；镍为1.75％；不可避免的其他物质小于1％，铁为余量)为98.7％；碳为0.8％，然后加入含量为0.5％的润滑剂；将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.15g/cm3的单向离合器生坯；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1250℃，烧结时间30分钟；
感应加热：将感应线圈放置于已经烧结的单向离合器内孔中，进行感应加热，电源频率20kHZ，加热时间20S，采用红外辐射方式测量表面温度1000℃；
致密化：将工件转移至挤压致密化设备中，进行挤压致密化，致密化后冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.4mm；
淬火和回火：将零件进行淬火和回火，硬度HRC大于55。
实施例5
准备好原料，其配比为(质量百分比)：含钼0.50％，镍0.5％铁钼镍合金粉为98.85％；碳为0.65％，以及含量为0.5％的润滑剂；将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.15g/cm3的齿轮生坯；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1200℃，烧结时间20分钟；
感应加热：将已经烧结的齿轮放置在感应线圈中，进行感应加热，电源频率120kHZ，加热时间1.5S，采用红外辐射方式测量表面温度1050℃，齿根部位加热深度2.5mm；
致密化：将工件转移至表面滚压设备中，进行表面滚压致密化，致密化后通过喷淋水基淬火介质将齿轮冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.6mm；
淬火和回火：将零件进行回火，齿部硬度HV5大于700。
实施例6
准备好原料，其配比为(质量百分比)：纯铁粉为96.85％，碳为0.65％，铜含量2％，以及含量为0.5％的润滑剂；将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.15g/cm3的齿轮生坯；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1120℃，烧结时间25分钟；
精整：将烧结齿轮在精整模具中进行整形，修正除齿形外的其他尺寸。
感应加热：将已经烧结的齿轮放置在感应线圈中，进行感应加热，电源频率120kHZ，加热时间1.9S，采用红外辐射方式测量表面温度1030℃，齿根部位加热深度2.4mm；
致密化：将工件转移至表面滚压设备中，进行表面滚压致密化，致密化后通过喷淋水基淬火介质将齿轮冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.9mm；
淬火和回火：将零件进行回火，齿部硬度HV5大于690。
实施例7
准备好原料，其配比为(质量百分比)：纯铁粉为98.55％，碳为0.65％，以及含量为0.8％的润滑剂；将上述混合粉在700MPa的压力下压制为密度7.25g/cm3的齿轮生坯；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1120℃，烧结时间25分钟；
感应加热：将已经烧结的齿轮放置在感应线圈中，进行感应加热，电源频率120kHZ，加热时间2.1S，采用红外辐射方式测量表面温度980℃，齿根部位加热深度1.5mm；
致密化：将工件转移至表面滚压设备中，进行表面滚压致密化，致密化后通过喷淋水基淬火介质将齿轮冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.5mm；
淬火和回火：将零件进行回火，齿部硬度HV5大于670。
实施例8
准备好原料，其配比为(质量百分比)：纯铁粉为96.65％，碳为0.85％，锰含量1.8％，以及含量为0.7％的润滑剂；将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.05g/cm3的齿轮生坯；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1200℃，烧结时间40分钟；
感应加热：将已经烧结的齿轮放置在感应线圈中，进行感应加热，电源频率120kHZ，加热时间2.1S，采用红外辐射方式测量表面温度1030℃，齿根部位加热深度1.8mm；
致密化：将工件转移至表面滚压设备中，进行表面滚压致密化，致密化后通过喷淋水基淬火介质将齿轮冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.5mm；
淬火和回火：将零件进行回火，齿部硬度HV5大于690。
实施例9
准备好原料，其配比为(质量百分比)：含钼0.50％，镍0.5％铁钼镍合金粉为98.85％；碳为0.65％，以及含量为0.5％的润滑剂；将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.15g/cm3的齿轮生坯；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1200℃，烧结时间20分钟；
感应加热：将已经烧结的齿轮放置在感应线圈中，进行感应加热，电源频率120kHZ，加热时间1.2S，采用红外辐射方式测量表面温度650℃，齿根部位加热深度1.5mm；
致密化：将工件转移至表面滚压设备中，进行表面滚压致密化，致密化后通过喷淋水基淬火介质将齿轮冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.3mm；
淬火和回火：将零件进行回火，齿部表面硬度HV5大于670。
实施例10
准备好原料，其配比为(质量百分比)：含钼0.50％，镍0.5％铁钼镍合金粉为98.85％；碳为0.65％，以及含量为0.5％的润滑剂；将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.15g/cm3的齿轮生坯；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1200℃，烧结时间20分钟；
感应加热：将已经烧结的齿轮放置在感应线圈中，进行感应加热，电源频率120kHZ，加热时间1.2S，采用红外辐射方式测量表面温度650℃，齿根部位加热深度1.5mm；
致密化：将工件转移至表面滚压设备中，进行表面滚压致密化，致密化后通过喷淋水基淬火介质将齿轮冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.3mm；
精整：将致密化的工件放入到精整模具中，进行整形，达到要求的精度；
淬火和回火：将零件进行回火，齿部表面硬度HV5大于670。
实施例11
准备好原料，其配比为(质量百分比)：含钼0.85％铁钼合金粉为98.85％；碳为0.65％，以及含量为0.5％的润滑剂；将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.10g/cm3的齿轮生坯，生坯外径80mm，内径40mm；
烧结：在含3vol％氢气的氮气中进行烧结，烧结温度1250℃，烧结时间30分钟；
加热：将已经烧结的齿轮在转炉中进行加热，加热温度890摄氏度，时间30分钟；
致密化：将工件转移至表面滚压设备中，进行表面滚压致密化，致密化后通过喷淋水基淬火介质将齿轮冷却至室温，测量致密化层深度，深度0.5mm；
淬火和回火：将零件进行淬火和回火，达到所需的力学性能。
回火后零件整体密度7.5g/cm3。

Claims (7)

1.一种铁基粉末冶金零件的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1)设计材料组成：碳：0.4～1.5％、铜：0～4％，镍：0～5％，钼：0～2％，铬：0～6％，锰：0～5％，不超过2％的不可避免的杂质，铁：余量，均为质量分数；
2)混料：根据需要将铁、铬、钼、镍、锰、碳及铜等按质量百分比混合成混合粉，其中，铬、钼、铜、镍、锰以铁合金或母合金形式加入，碳以石墨形式加入，然后加入质量百分比含量为0.1～1％的润滑剂；
3)成型：将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述混合粉末进行压制，得到生坯；
4)烧结：将成型的所述生坯在非氧化性气氛中进行烧结，烧结温度1000℃～1300℃，烧结时间1～300分钟，得到烧结件；
5)感应加热：根据致密化程度的要求，将烧结的工件需要致密化的部位置于感应线圈的磁场中进行感应加热，工件加热部位的温度500～1200℃，加热的部位可为整体，也可为局部区域；
6)致密化：根据致密化程度的要求和部位，选用挤压成形、整形、复压、表面滚压或横向轧制方法进行致密化处理；
7)淬火和回火：将零件进行淬火和回火。
2.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金零件的制造方法，其特征在于：所述步骤6)致密化前包含步骤5)感应加热工序。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤4)烧结或/和步骤6)致密化后可增加精整、机械加工工序。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤5)的加热方式不局限于感应加热，还可采用电加热、气体加热或激光加热方式。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤5)的感应加热中对于整体加热，选用中频加热或中高频结合的加热方式；对于内外齿部位的加热选用高频加热或中高频结合的加热方式。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤6)的致密化中，对于外齿表面需要致密化的情况，采用表面滚压或者横向轧制方式加工致密化。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤6)致密化之后可立即进行淬火冷却，取消步骤7)淬火和回火中的淬火。
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