CN114054757A - 一种粉末冶金致密化零件及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种粉末冶金致密化零件及其制造工艺。该工艺主要包括以下步骤：该工艺主要包括以下步骤：（S1）配料、（S2）压制、（S3）烧结、（S4）整形多元致密、（S5）热处理。该工艺材料利用率高；模具直接成型，生产效率高；车削加工少；整体成本低；质量稳定性好。其中，多元致密整形工艺，即能将工件整体密度提高到7.4 g/cm3以上，又能将局部、表面提高到接近100%理论密度水平，工件机械性能显著提升，达到16MnCr5钢材95%左右强度。此外，针对实际工况要求苛刻的情况，例如外齿齿侧和齿根位置，该工艺可以把相应部位密度提高到7.6 g/cm3以上，有效深度大于0.15mm，达到大部分汽车高强度齿轮的使用要求。

Description

一种粉末冶金致密化零件及其制造工艺
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种粉末冶金致密化零件及其制造工艺。
背景技术
齿轮作为传动元件，需要比较高的强度性能。比如变速箱锁止齿轮(驻车齿轮)主要应用于自动档家用汽车中，在汽车驻车(P档)时驻车齿轮通过驻车棘爪相扣起到锁止机构，防止溜车的作用。
齿轮需要承载一些极限工况下的异常冲击，一般选用高强度钢材制成，通过热处理保证高强度、高硬度和韧性。为保证性能，现有技术中的高负载齿轮主要通过切削加工或者采用精密锻造与切削加工结合的方式来加工，生产成本高、效率低、工装模具费用高，且批次质量稳定性差、报废率高。
粉末冶金工艺有着生产效率高、接近净成型，因而只需要少量或者无机加工切削、材料利用率高、环保、轻量化、批次质量稳定性好、成本低的优势。随着近些年乘用车市场的快速发展，粉末冶金汽车零部件的应用也越来越多，发动机正时系统、平衡轴齿轮、轴承盖、变速箱同步器齿毂、转向齿轮等应用。但是由于压制粉末冶金零件的种种技术限制，零件密度不能突破7.4g/cm3，致使其机械性能不满足高负载应用的要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种粉末冶金致密化驻车齿轮及其制造工艺，特别是驻车齿轮以及实现该零件阶梯密度的制造工艺。本发明能够提高零件的机械性能，满足高性能齿轮，如锁止元件(驻车齿轮)工况要求。另外，本专利工艺非常容易成型减重孔、减重槽设计，实现零件减重。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
(S1)配料：以铁粉为基体，配入粉末状碳、铜、镍、钼等合金元素，以提升零件的机械性能，改善淬透行为。少量润滑剂用来降低压制成型时的摩擦力。原料按重量百分比计包括以下组分：Cu:0～3％、Mo:0～2％、Ni:0～3％、C:0.1～0.6％、润滑剂：0.2～0.8％、Fe:余量。均匀混合后，粉末的松装密度为2.8–3.5g/cm3。
(S2)压制成型：将(S1)得到的粉末填入模具，上下模冲将松装粉末压实到合金理论密度的85％-91％。同一零件使用统一的一个密度，比如：7.0g/cm3或90％的理论密度。
(S3)烧结：(S2)制作的生坯，经过高温烧结，形成金属键结合。烧结温度在1100摄氏度到1200摄氏度之间，烧结过程要在保护气氛中进行，以氮气为主体，氢气含量不超过10％体积比。烧结时间不超过30分钟，然后在氮气中自然冷却。烧结后工件的密度与之前的生坯密度接近。
(S4)多元致密整形：为了提升工件的拉伸强度、延伸率、硬度和疲劳强度，本发明开发“多元致密整形”技术，即工件一次通过模具，一来其整体密度突破7.4g/cm3，二来工件局部产生密度大于7.6g/cm3的高密度层。整体提高粉末冶金零件强度的同时，针对一些特殊设计或特殊工况条件下的零件高载荷、高应力区域进一步提高密度从而实现机械性能接近传统铸造、锻造零件。
为实现“多元致密”，本发明开发了横向尺寸(直径)沿轴向渐变模具，实现整体致密化和表面致密化在同一套模具中实现，具体实现时，可以先表面后整体致密；也可以相反，先整体致密，再表面致密。
以下，以先整体致密化后表面致密化且表面致密化位于外轮廓为例据介绍其模具及工艺过程，其他情况可根据该情况进行适当调整。
模具如图1所示，其中，X表示为工件。模具包括外模、芯棒、第一冲头、第二冲头；外模中具有通孔，芯棒位于通孔中，在外模与芯棒之间形成整形腔；第一冲头和第二冲头相向设于该成整形腔两端；外模内壁包括依次相连的整体致密段、表面致密段、导向段；整体致密段和导向段各自的截面保持不变，且整体致密段的截面大于导向段；表面致密段的截面从与整体致密段一致逐渐缩小至与导向段一致。
先整体致密化后表面致密化的多元致密工艺过程和原理。整体致密化在整体致密段内，毛坯工件被第一冲头和第二冲头挤压，将毛坯工件中的孔隙部分压实，使工件体积缩小4％-12％，此时需要冲压力超过工件的屈服极限，保证塑性变形后，工件整体密度超过7.4g/cm3。工件高度减少4％-12％，横向尺寸不变或有微小变化。表面致密化用于提高工件毛坯局部密度，需要把工件在整形腔中从一端推移到另一端，模具渐变范围大于0.1mm，不超过1毫米。经过以上处理，工件局部能够达到理论密度的96％-99％以上的深度可以超过0.15毫米。
由以上工艺可知，若需要增加密度的区域在工件外轮廓上，模腔内的相关尺寸从一端到另一端递减，逐步缩小到小于毛坯的外部尺寸。反之，若需要增加密度的区域在工件内轮廓，则模具芯棒的相关尺寸从一端到另一端递增，逐步扩大到大于毛坯的内轮廓尺寸。
进一步地，在(S4)多元致密整形步骤之后，还可进行热处理，具体可根据需要选用现有技术中适合粉末冶金零件的热处理方法，优选为碳氮共渗热处理。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的粉末冶金多元致密化零件的制造工艺，粉末冶金工艺材料利用率高，模具直接成型，生产效率高、车削加工少，整体成本低，质量稳定性好。经过本发明整体致密化和表面致密化的多元致密后得到的零件，机械性能显著提升，达到16MnCr5钢材90％强度，致密化后，零件芯部和表面密度都大于7.4g/cm3；另外，针对驻车齿轮实际工况要求更高的外齿齿侧和齿根位置，通过整形工艺进一步提高密度，达7.6g/cm3，有效深度大于0.2mm。最终再外发碳氮共渗热处理达到较高的强度。粉末冶金同种材料和工艺下，机械性能和密度成正比，所以致密化后的粉末冶金齿轮机械性能提高，可以适用大部分驻车齿轮。
附图说明
图1为模具的结构示意图。
图2为实施例1的产品的结构示意图。
图3为实施例2的产品的结构示意图。
图4为实施例3的产品的结构示意图。
图中，外模1、芯棒2、第一冲头3、第二冲头4、整体致密段11、表面致密段12、导向段13。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步阐明本发明，这些实施例是示例性的，旨在说明问题和解释本发明，并不是一种限制。
实施例1
粉末冶金致密化工艺制造如图2所示的齿轮。
粉末冶金材料——化学成分：Cu:0％、Mo:1.0％、Ni:0％、C:0.4％、润滑剂CaplubeK：0.75％、Fe:余量，上述百分比为质量百分比。生产工序：压制-烧结-整形-热处理。
压制——用成型压机将合金粉末压到密度:6.9g/cm3。
烧结——烧结炉，烧结温度：1120℃，保温时间30分钟，烧结气氛：95％N2+5％H2。少量丙烷，调整碳势，以保持工件内碳含量。
多元致密化整形——设备：粉末冶金整形500吨压机，润滑油：粉末冶金整形润滑油，模具：粉末冶金整形模具一套，整型量直径方向单边-0.02mm，高度方向整形降低零件高度10％(齿部高度和内花键位置分别降低各自高度10％)。
热处理——碳氮共渗热处理，设备：普通碳氮共渗箱式炉/连续炉，热处理工艺：渗碳热处理，温度870℃，油冷淬火，回火180℃；指标如下：表面硬度：HRC53，700HV5，芯部硬度:200HV5，硬化层深度:0.4mm(550HV0.1)。
本实施例制得的粉末冶金致密化齿轮的性能如表1所示。
表1性能测试结果
测试项目 性能数据 单位 测试方法
最小抗拉强度 1170 MPa DIN50125；ISO 2740；MPIF 10-2016
整体密度 7.4 g/cm<sup>3</sup> 排水发
表面密度 7.6 g/cm<sup>3</sup> 显微镜孔隙率计算法
表面硬度 700 HV5 DIN EN ISO4498；DIN 30 911-4
极限抗拉强度 1300 MPa DN50125；ISO2740；MPIF 10-2016
杨氏模量 180 GPa DN50125；ISO2740；MPIF 10-2016
交变弯曲疲劳 505 MPa DIN30912-6；DIN50100
实施例2
粉末冶金致密化工艺制造如图3所示的齿轮。
粉末冶金材料——化学成分：Cu:1.0％、Mo:0.5％、Ni:0.5％、C:0.4％、润滑剂Intrlube：0.7％、Fe:余量，上述百分比为质量百分比。生产工序：压制-烧结-整形-热处理。
压制——用成型压机将合金粉末压到密度:6.95g/cm3。
烧结——烧结炉，烧结温度：1125℃，保温时间28分钟，烧结气氛：93％N2+7％H2。少量丙烷，调整碳势，以保持工件内碳含量。
多元致密化整形——设备：粉末冶金整形500吨压机，润滑油：粉末冶金整形润滑油，模具：粉末冶金整形模具一套，整型量直径方向单边+0.01mm，高度方向整形降低零件高度11％。
热处理——碳氮共渗热处理，设备：普通碳氮共渗箱式炉/连续炉，热处理工艺参数如下：渗碳热处理，温度850℃，油冷淬火，回火180℃；指标如下：表面硬度：HRC54，710HV5，芯部硬度:230HV5，硬化层深度:0.4mm(550HV0.1)。
本实施例制得的粉末冶金致密化齿轮的性能如表2所示
表2性能测试结果
测试项目 性能数据 单位 测试方法
最小抗拉强度 1190 MPa DIN EN ISO4498；DIN 30 911-4
整体密度 7.43 g/cm<sup>3</sup> 排水发
表面密度 7.65 g/cm<sup>3</sup> 显微镜孔隙率计算法
表面硬度 720 HV5 DIN EN ISO4498；DIN 30 911-4
极限抗拉强度 1330 MPa DN50125；ISO2740；MPIF 10-2016
杨氏模量 180 GPa DN50125；ISO2740；MPIF 10-2016
交变弯曲疲劳 505 MPa DIN30912-6；DIN50100
实施例3
粉末冶金致密化工艺制造如图4所示的齿轮。
粉末冶金材料——化学成分：Cu:1.0％、Mo:0.85％、Ni:0％、C:0.30％、润滑剂Lube E：0.7％、Fe:余量，上述百分比为质量百分比。生产工序：压制-烧结-整形-热处理。
压制——用成型压机将合金粉末压到密度:7.0g/cm3。
烧结——烧结炉，烧结温度：1125℃，保温时间29分钟，烧结气氛：93％N2+7％H2。少量丙烷，调整碳势，以保持工件内碳含量。
多元致密化整形——设备：粉末冶金整形500吨压机，润滑油：粉末冶金整形润滑油，模具：粉末冶金整形模具一套，整型量直径方向单边-0.01mm，高度方向整形降低零件高度9％(齿部高度和内台阶位置分别降低各自高度9％)。
热处理——碳氮共渗热处理，设备：普通碳氮共渗箱式炉/连续炉，热处理工艺参数如下：渗碳热处理，温度850℃，油冷淬火，回火180℃；指标如下：表面硬度：HRC50，690HV5，芯部硬度:200HV5，硬化层深度:0.35mm(550HV0.1)本实施例制得的粉末冶金致密化齿轮的密度如表3所示。
表3性能测试结果
测试项目 性能数据 单位 测试方法
最小抗拉强度 1190 MPa DIN EN ISO4498；DIN 30 911-4
整体密度 7.40 g/cm<sup>3</sup> 排水发
表面密度 7.61 g/cm<sup>3</sup> 显微镜孔隙率计算法
表面硬度 695 HV5 DIN EN ISO4498；DIN 30 911-4
极限抗拉强度 1290 MPa DN50125；ISO2740；MPIF 10-2016
杨氏模量 180 GPa DN50125；ISO2740；MPIF 10-2016
交变弯曲疲劳 485 MPa DIN30912-6；DIN50100
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种粉末冶金致密化零件的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：（S1）配料、（S2）压制、（S3）烧结、（S4）多元致密技化、（S5）热处理；
步骤（S1）中，原料按重量百分比计包括以下组分：Cu:0~3%、Mo:0~2%、Ni:0~3%、C:0.1~0.7%、润滑剂：0.2~0.8%、Fe:余量；
步骤（S2）中，使用粉末冶金成型压机将粉末压至常规密度，优选为6.8-7.0g/cm3；
步骤（S3）中，使用保护气氛烧结；
步骤（S4）中，使用粉末冶金整形模具进行整形，整型量直径方向单边﹣0.03~+0.05mm，高度方向整型量为4-12%，整型后整体密度≥7.4g/cm3，有效致密层深≥0.15mm。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金致密化零件的制造工艺，其特征在于：步骤（S4）中，整型后零件表面密度≥7.6g/cm3。
3.根据权利要求2所述的粉末冶金致密化零件的制造工艺，其特征在于：步骤（S4）中，在一套粉末冶金整形模具中完成整体致密化和表面致密化过程，可以先整体致密化后表面致密化，也可以先表面致密化后整体致密化。
4.根据权利要求3所述的粉末冶金致密化零件的制造工艺，其特征在于：所述粉末冶金整形模具的模腔含有横截面保持不变的定截面段和横截面逐渐减小的变截面段；
整体致密化在定截面段进行，将零件置于定截面段中，两端的冲头向零件施加相向的及压力，使零件整体的密度提高；
表面致密化在变截面段进行，将零件置于变截面段中，并推动零件从截面较小的一端逐渐移动到截面较大的一端，使零件内侧面和/或外侧面受到挤压并提高密度。
5.根据权利要求4所述的粉末冶金致密化零件的制造工艺，其特征在于：所述粉末冶金整形模具包括外模（1）、芯棒（2）、第一冲头（3）、第二冲头（4）；外模（1）中具有通孔，芯棒（2）位于通孔中，在外模（1）与芯棒（2）之间形成整形腔；第一冲头（3）和第二冲头（4）相向设于该成整形腔两端；外模（1）内壁包括依次相连的整体致密段（11）、表面致密段（12）、导向段（13）；整体致密段（11）和导向段（13）各自的截面保持不变，且整体致密段（11）的截面大于导向段（13）；表面致密段（12）的截面从与整体致密段（11）一致逐渐缩小至与导向段（13）一致。
6.根据权利要求2所述的粉末冶金致密化零件的制造工艺，其特征在于：还包括步骤（S5）的热处理，热处理使用普通碳氮共渗箱式炉进行碳氮共渗热处理。
7.根据权利要求6所述的粉末冶金致密化零件的制造工艺，其特征在于：步骤（S5）中，热处理指标如下：
表面硬度：HRC40min/620HV5min，芯部硬度:140HV5min，硬化层深度:550HV0.1-0.2~0.12mm。
8.根据权利要求2所述的粉末冶金致密化零件的制造工艺，其特征在于：步骤（S4）中整体密度以排水法测得的数据进行计量；有效致密层深和表面的密度使用显微镜孔隙率计算方法测得。
9.一种粉末冶金致密化零件，其特征在于：按照权利要求1至8任一项的制造工艺制得的粉末冶金致密化零件。
10.一种粉末冶金致密化零件，其特征在于：该零件为齿轮，其齿侧和齿根位置的密度≥7.6g/cm3。
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