CN115283680B - 一种钢-钛异种金属圆柱直齿轮的粉末冶金成形方法 - Google Patents
一种钢-钛异种金属圆柱直齿轮的粉末冶金成形方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种钢‑钛异种金属圆柱直齿轮坯料的粉末冶金成形方法，该粉末冶金成形方法将钢粉和钛粉混合后置于一个成形筒(4)内，在成形筒(4)外圆周的侧壁上设置磁力器(6)，在成形筒(4)旋转过程中，利用磁力器(6)的磁力使成形筒(4)内的钢粉更靠近成形筒(4)的内表面侧壁，形成成形筒(4)内从外向内的钢粉到钛粉的不同程度地聚集，然后通过加热和加压使成形筒(4)内的金属粉末成型，冷却后得到饼状钢‑钛异种金属圆柱直齿轮坯料，经机加工、吹砂、打磨后，获得最终的钢‑钛异种金属圆柱直齿轮构件。该方法不仅能够实现钢‑钛异种金属圆柱直齿轮构件的一次精密成形，而且能够提高材料利用率，提高成形极限。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮构件加工制造技术领域，更具体地说，涉及一种钢-钛异种金属圆柱直齿轮的粉末冶金成形方法。
背景技术
齿轮组件是航空发动机、直升机以及其它武器装备机械传动系统中的关键构件，广泛应用于传递精确运动和动力的精密零件，要求高精度、高强度、高耐磨性。但是高性能的齿轮组件必然带来材料性能的升级，目前大部分齿轮组件都是由齿轮钢制备而成，但是齿轮钢具有密度大的缺陷，因此如何在不降低齿轮组件性能的基础上实现齿轮组件减重，是目前的一个研究热点方向。
国内外针对齿轮组件的减重方法主要是把对性能要求低的齿轮齿圆部分采用有色金属或者其它低密度金属替代，方法主要有铸造和3D打印等方法，铸造构件后续还需要经过锻打开坯成形，双金属界面控制难度大，影响构件的双性能特点，而3D打印构件往往性能要差于锻件，而且双金属界面结合要配合扩散焊等工艺，界面控制难度大。
发明内容
本发明针对上述现有技术状况设计提供了一种钢-钛异种金属圆柱直齿轮的粉末冶金成形方法，该不仅能够实现钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料的一次成形，而且能够提高材料利用率，提高成形极限。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提出的钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料的粉末冶金成形方法是将钢粉和钛粉混合后置于一个成形筒4内，在成形筒4外圆周的侧壁上设置磁力器6，在成形筒4旋转过程中，利用磁力器6的磁力使成形筒4内的钢粉更靠近成形筒4的内表面侧壁，形成成形筒4内从外向内的钢粉到钛粉的不同程度地聚集，然后通过加热和加压使成形筒4内的金属粉末成型，冷却后得到饼状钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料，经机加工、吹砂、打磨后，获得最终的钢-钛异种金属圆柱直齿轮构件。
在实施时，按照钢-钛异种金属圆柱直齿轮的结构称取相应的钢粉和钛粉，装入成形筒4之前在真空环境中混合均匀，混合过程中环境温度为0℃以避免粉末升温氧化。
在实施时，所述成形筒4和磁力器6与成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3、加热器5、堵头7组成成型模具，其中：堵头7安装在成形筒4的底部，加热器5和磁力器6均匀分布在成形筒4外圆周的侧壁上，成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3安装在成形筒4的前端，钛圆成形环2套装在成形杆1上，钢齿成形环3套装在钛圆成形环2上，成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3、成形筒4、堵头7同轴，成形杆1和钛圆成形环2之间、钛圆成形环2和钢齿成形环3之间、钢齿成形环3和成形筒4之间、堵头7和成形筒4之间均为过渡配合，成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3和堵头7可以沿着成形筒4的轴线做左、右进给运动，成形筒4可以绕圆周做旋转运动。
进一步，成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3、成形筒4和堵头7均由高强钢制备而成。
在实施时，成形筒4在进行钢粉和钛粉的分离时，旋转的转速为50～100rad/s，旋转时间为10～20min。
在实施时，本发明技术方案的所述的具体成形步骤如下：
步骤一、粉末准备
按照钢-钛异种金属圆柱直齿轮的结构属性称取相应的钢粉和钛粉，并在真空环境中混合均匀，混合过程中环境温度为0℃，避免粉末升温氧化，将混合好的粉末混合物放入成形模具中；
步骤二、成形模具准备
所述成形筒4和磁力器6与成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3、加热器5、堵头7组成成型模具，其中：堵头7安装在成形筒4的底部，加热器5和磁力器6均匀分布在成形筒4外圆周的侧壁上，成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3安装在成形筒4的前端，钛圆成形环2套装在成形杆1上，钢齿成形环3套装在钛圆成形环2上，成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3、成形筒4、堵头7同轴，成形杆1和钛圆成形环2之间、钛圆成形环2和钢齿成形环3之间、钢齿成形环3和成形筒4之间、堵头7和成形筒4之间均为过渡配合，成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3和堵头7可以沿着成形筒4的轴线做左、右进给运动，成形筒4可以绕圆周做旋转运动；
成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3、成形筒4和堵头7均由高强钢制备而成；
步骤三、钢-钛异种金属坯料成形
同时启动成形筒4和磁力器6，其中成形筒4的转速为50～100rad/s，此时，钢粉和钛粉渐渐分离，在磁力器6的作用下，钢粉更靠近成形筒4，旋转10～20min后，成形杆1向成形筒4的成形型腔8中慢慢移动，移动速度为0.5～2mm/s，移动过程中确保成形杆1所受到的压力不大于5～10MPa，直至成形杆1与堵头7的距离不大于10mm，此时启动加热器5，当预热温度达到500～700℃时，保温0.5～1h，同时钛圆成形环2向成形型腔8中慢慢移动，移动速度为0.5～2mm/s，当压力达到30～50MPa时，停止移动，保温的同时进行保压，待保温保压结束后，继续升高温度至900～950℃，保温0.5～1h，同时成形筒4的转速升高为150～200rad/s，钛圆成形环2和钢齿成形环3同时向成形型腔8中慢慢移动，移动速度为0.5～2mm/s，当压力达到70～200MPa时，停止移动，保温的同时进行保压，待保温保压结束后，继续升高温度至1000～1050℃，钛圆成形环2和钢齿成形环3同时向成形筒4的成形型腔8中慢慢移动，移动速度为0.5～2mm/s，当压力达到500～700MPa时，停止移动，保温的同时进行保压，时间为0.5～1h，待保温保压结束后，成形筒4停止转动，关闭加热器5和磁力器6，自然冷却；
步骤四、后处理
冷却后得到饼状钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料，经机加工、吹砂、打磨后，获得最终的钢-钛异种金属圆柱直齿轮构件。
本发明技术方案与现有技术相比，其特点及有益的技术效果如下：
1、关于成形方法
用粉末冶金的方法代替传统的3D打印和铸造等方法，实现双合金钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料的一次成形，借助粉末冶金的优势，齿轮坯料所用粉末具有更多种更大量的强化元素，并在成形过程中实现均匀细化的组织状态，可以提高构件的整体性能；
2、关于成形方案
2.1、构件成形前，异种金属钢和钛混合粉末同时投料，可以增加构件的整体性，促进异种金属粉末界面结合，通过在低温状态下充分混合，避免了混合过程中两种粉末颗粒摩擦碰撞生热，进而导致钛粉末发生氧化，影响构件整体致密性；
2.2、构件成形过程中，通过在不同加热温度阶段保温加压，分别可以促使钛粉末固化、钢粉末固化和异种金属钢-钛界面结合，即低温阶段，大部分的钢粉夹杂着混合阶段碾碎的细小钛粉已经被聚集在齿轮坯料的外围，此时借助相应装置动作，齿轮坯料中的钛圆部分实现固化，中温阶段，齿轮坯料的外圆中的钢粉实现固化，高温阶段，齿轮坯料的外围中已经固化的钢粉和中间夹杂的钛粉，以及前两个阶段已经固化的钢粉和钛粉实现界面结合，在三个阶段中，压力越来越高，主要由粉末自身的强度和工艺设计下决定；
2.3、构件成形过程中，借助磁力器以及成形筒旋转，促使钢粉和钛粉始终处于一种近分隔状态，成形筒转速的提高，增加了离心力，促进了异种金属钢-钛界面结合；
3、关于成形装置
3.1、成形装置上具有磁力器，在成形过程中，磁力器始终处于工作状态，通过磁力将大部分钢粉末吸引到轮齿部分，轮圆部分保留大部分钛，实现了双合金齿轮的构造，相比于传统双合金齿轮的成形方法，本发明中的方案更能增加齿轮的整体性；
3.2、成形筒能够旋转，对磁力器进行了一定的功能性加强；
4、通过本发明方案，传统的单合金齿轮坯料的轮圆部分可以使用纯钛及钛合金粉末代替，在不影响齿轮坯料整体性的情况下，实现齿轮构件有效减重。
附图说明
图1为本发明所述的钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料成形模具示意图；
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例
采用发明技术方案的成形步骤如下：
步骤一：粉末准备
按照钢-钛异种金属圆柱直齿轮的结构属性称取相应的钢粉和钛粉，并在真空环境中混合均匀，混合过程中环境温度为0℃，避免粉末升温氧化，将混合好的粉末混合物放入成形模具中；
步骤二：成形模具准备
成形模具主要由成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3、成形筒4、加热器5、磁力器6、堵头7和成形型腔8组成，其中成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3、成形筒4、堵头7和成形型腔8同轴，加热器5和磁力器6均匀分布在成形筒4的外壁上，成形杆1和钛圆成形环2之间、钛圆成形环2和钢齿成形环3之间、钢齿成形环3和成形筒4之间、堵头7和成形筒4之间均为过渡配合，成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3和堵头7可以沿着轴线做左右进给运动，成形筒4可以绕圆周做旋转运动，其中成形杆1、钛圆成形环2、钢齿成形环3、成形筒4和堵头7均由高强钢制备而成；
步骤三：直钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料
同时启动成形筒4和磁力器6，其中成形筒4的转速为50rad/s，此时，钢粉和钛粉渐渐分离，在磁力器6的作用下，钢粉更靠近成形筒4，旋转10min后，成形杆1向成形筒4内的成形型腔8中慢慢移动，移动速度为0.5mm/s，移动过程中确保成形杆1所受到的压力不大于5MPa，直至成形杆1与堵头7的距离不大于10mm，此时启动加热器5，当预热温度达到500℃时，保温0.5h，同时钛圆成形环2成形型腔8中慢慢移动，移动速度为0.5mm/s，当压力达到30MPa时，停止移动，保温的同时进行保压，待保温保压结束后，继续升高温度至900℃，保温0.5h，同时成形筒4的转速升高为150rad/s，钛圆成形环2和钢齿成形环3同时向成形筒4内的成形型腔8中慢慢移动，移动速度为0.5mm/s，当压力达到70MPa时，停止移动，保温的同时进行保压，待保温保压结束后，继续升高温度至1000℃，钛圆成形环2和钢齿成形环3同时向成形型腔8中慢慢移动，移动速度为0.5mm/s，当压力达到500MPa时，停止移动，保温的同时进行保压，时间为0.5h，待保温保压结束后，成形筒4停止转动，关闭加热器5和磁力器6，自然冷却；
步骤四：后处理
待冷却至室温后，取出钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料，经过吹砂打磨后，即获得最终的钢-钛异种金属圆柱直齿轮构件。
Claims (3)
1.一种钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料的粉末冶金成形方法，其特征在于：该粉末冶金成形方法将钢粉和钛粉混合后置于一个成形筒(4)内，在成形筒(4)外圆周的侧壁上设置磁力器(6)，在成形筒(4)旋转过程中，利用磁力器(6)的磁力使成形筒(4)内的钢粉更靠近成形筒(4)的内表面侧壁，形成成形筒(4)内从外向内的钢粉到钛粉的不同程度地聚集，然后通过加热和加压使成形筒(4)内的金属粉末成型，冷却后得到饼状钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料，经机加工、吹砂、打磨后，获得最终的钢-钛异种金属圆柱直齿轮构件；
该成形方法的步骤如下：
步骤一、粉末准备
按照钢-钛异种金属圆柱直齿轮的结构属性称取相应的钢粉和钛粉，并在真空环境中混合均匀，混合过程中环境温度为0℃，避免粉末升温氧化，将混合好的粉末混合物放入成形模具中；
步骤二、成形模具准备
所述成形筒(4)和磁力器(6)与成形杆(1)、钛圆成形环(2)、钢齿成形环(3)、加热器(5)、堵头(7)组成成型模具，其中：堵头(7)安装在成形筒(4)的底部，加热器(5)和磁力器(6)均匀分布在成形筒(4)外圆周的侧壁上，成形杆(1)、钛圆成形环(2)、钢齿成形环(3)安装在成形筒(4)的前端，钛圆成形环(2)套装在成形杆(1)上，钢齿成形环(3)套装在钛圆成形环(2)上，成形杆(1)、钛圆成形环(2)、钢齿成形环(3)、成形筒(4)、堵头(7)同轴，成形杆(1)和钛圆成形环(2)之间、钛圆成形环(2)和钢齿成形环(3)之间、钢齿成形环(3)和成形筒(4)之间、堵头(7)和成形筒(4)之间均为过渡配合，成形杆(1)、钛圆成形环(2)、钢齿成形环(3)和堵头(7)可以沿着成形筒(4)的轴线做左、右进给运动，成形筒(4)可以绕圆周做旋转运动；
步骤三、钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料成形
同时启动成形筒(4)和磁力器(6)，其中成形筒(4)的转速为50～100rad/s，此时，钢粉和钛粉渐渐分离，在磁力器(6)的作用下，钢粉更靠近成形筒(4)，旋转10～20min后，成形杆(1)向成形型腔(8)中慢慢移动，移动速度为0.5～2mm/s，移动过程中确保成形杆(1)所受到的压力不大于5～10MPa，直至成形杆(1)与堵头(7)的距离不大于10mm，此时启动加热器(5)，当预热温度达到500～700℃时，保温0.5～1h，同时钛圆成形环(2)向成形型腔(8)中慢慢移动，移动速度为0.5～2mm/s，当压力达到30～50MPa时，停止移动，保温的同时进行保压，待保温保压结束后，继续升高温度至900～950℃，保温0.5～1h，同时成形筒(4)的转速升高为150～200rad/s，钛圆成形环(2)和钢齿成形环(3)同时向成形型腔(8)中慢慢移动，移动速度为0.5～2mm/s，当压力达到70～200MPa时，停止移动，保温的同时进行保压，待保温保压结束后，继续升高温度至1000～1050℃，钛圆成形环(2)和钢齿成形环(3)同时向成形型腔(8)中慢慢移动，移动速度为0.5～2mm/s，当压力达到500～700MPa时，停止移动，保温的同时进行保压，时间为0.5～1h，待保温保压结束后，成形筒(4)停止转动，关闭加热器(5)和磁力器(6)，自然冷却；
步骤四、后处理
冷却后得到饼状钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料，经机加、吹砂、打磨后，获得最终的钢-钛异种金属圆柱直齿轮构件。
2.根据权利要求1所述的钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料的粉末冶金成形方法，其特征在于：成形筒(4)开始旋转的转速为50rad/s，以实现钢粉和钛粉渐渐分离，旋转时间为10min。
3.根据权利要求1所述的钢-钛异种金属圆柱直齿轮坯料的粉末冶金成形方法，其特征在于：钢-钛异种金属坯料最终成形的温度为1000℃，压力为500MPa，保温保压的时间为0.5h。
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