CN1858288A - 装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及其制备处理方法 - Google Patents

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李月英
曹占义
安健
杨晓红
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Abstract

本发明涉及一种粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及其制备、表面强化处理方法，特别是涉及汽车用装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及其制备处理方法。目的在于克服上述常规的铸、锻、切削加工工艺制造凸轮的诸多缺点。技术方案是：合金成分范围为：C 0.4－0.6％，Cr 1.0－1.5％，Ni 1.5－2.0％，Mo 0.6－1.0％，Cu 2－2.5％，其余为粒度小于45μm、纯度高于96％的还原铁粉Fe，并加入8－10％的硬脂酸锌粉末作为固体润滑剂。凸轮材料的制备方法分别采用两种工艺：压制烧结法和粉末锻造法；对采用压制烧结法制备的凸轮材料还要进行两种表面强化处理：在电子管变频装置上进行高频淬火和在激光加工系统上进行宽带激光表面淬火；对采用粉末锻造法制备的凸轮材料进行锻造后直接进行油淬+低温回火的方法。

Description

装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及其制备处理方法
技术领域
本发明涉及一种粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及其制备、表面强化处理方法，特别是涉及汽车用装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及其制备处理方法。
背景技术
汽车工业先进国家在汽车上大量使用粉末冶金零件，平均每车达12kg以上，高强度结构件如粉末冶金传动器齿毂、发动机连杆屡见不鲜。对粉末冶金空心凸轮轴的研究，始于80年代，由丰田公司首创。进入20世纪90年代以后，这种凸轮轴主要用于高速汽油机，并有向车用柴油机推广的趋势。因凸轮轴的服役条件有较大的改变，故对粉末冶金凸轮材料要求更加苛刻，并刺激了材料的研究进展。美、德、日等国对粉末冶金凸轮材料的研究主要着眼于铬、镍、钼等贵重合金元素的调整和搭配，但未见对粉末冶金凸轮进行表面强化处理和粉末锻造工艺的研究报道。国际最新研究成果包括粉末冶金加铸造方式，过赢压配，轴和凸轮都用粉末冶金制造再加烧结成型等方式。可是，在整体地铸造凸轮凸起部的方法中，后续工序的切削、磨削等机械加工成本相当高，在注射成型凸轮的方法中，材料和烧结工序的成本也较高，在压入凸轮零件的方法中，存在着压入时应力引起的凸角裂纹或轴的弯曲等问题，扩散结合制成者，烧结成本高同时需要变形矫正。
我国汽车工业使用粉末冶金材料较少，平均3kg/车左右，且多为导管、轴套之类，高强度结构件几乎为空白，迄今尚未见到国产的粉末冶金空心凸轮轴的正规产品。据报道，上海通用公司生产的别克轿车使用了装配式空心凸轮轴，但其凸轮是用锻造工艺成型的钢件。国内有人申请了一项用于凸轮制品的生产工艺，其采用的是复压、复烧和碳氮共渗工艺，其凸轮材料的成分范围为Fe95.35％，Cu1.5％，C0.5％，Mn0.4％，Mo0.5％，Cr1.5％，S0.15％，20#机油0.1％。但是这种工艺比较复杂，设备要求比较高，不适合大批量生产。国内还有人申请了有关凸轮与空心轴连接技术的专利，但这些技术都存在某些缺点，对凸轮材料没有进行研究，也没有考虑表面强化的应用，对装配方式也缺乏系统的研究结果，因此很难在大量生产中应用。
近年来，我国的粉末冶金技术取得了长足的进步，如合金粉末的制备、高密度粉末冶金材料的压制和烧结技术都有发展，为粉末冶金空心凸轮轴的研制和生产创造了条件。
粉末冶金空心凸轮轴在汽车工业先进国家如美、德、日得到较为广泛的应用，1996年粉末冶金空心凸轮轴已占领美国凸轮轴市场的9％，预计到2006年市场份额将达到25％。我国尚没有这种产品，目前国内许多发动机制造厂家及凸轮轴专业生产厂对凸轮轴制造新技术给予高度重视，急需采用该技术，迫切需要国内自行开发、研制的装配式凸轮轴，以求替代进口、节省资金、带来更显著的经济效益。因此，此项技术具有十分广阔的市场和非常美好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服上述常规的铸、锻、切削加工工艺、复压复烧工艺等制造凸轮的诸多缺点，提供一种汽车用装配式中空凸轮轴的凸轮材料及其三种制备工艺方法。
本发明的上述目的是这样实现的：一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料，其特征是合金成分范围为：C 0.4-0.6％，Cr 1.0-1.5％，Ni 1.5-2.0％，Mo 0.6-1.0％，Cu 2-2.5％，其余为粒度小于45μm、纯度高于96％的还原铁粉Fe，并加入8-10％的硬脂酸锌粉末作为固体润滑剂。
一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的压制烧结制备方法，其特征是首先在混料机中将各种粉末进行混合，混合时间为40-60分钟；然后进行压制，压制模具采用金属模，压制压力为600-700MPa，保压时间为30-60秒；最后在烧结炉中进行烧结，保护气氛为分解氨，烧结温度为1130-1200℃，烧结时间为1-1.5小时。
一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的粉末锻造制备方法，其特征是首先在混料机中将各种粉末进行混合，混合时间为40-60分钟；然后进行压制，压制模具采用金属模，压制压力为600-700MPa，保压时间为30-60秒；取出样件在烧结炉中进行烧结，保护气氛为分解氨，烧结温度为1130-1200℃，烧结时间为1-1.5小时；然后在热处理炉中将样件重新加热到800-900℃，取出并放入金属模中进行锻造，锻造压力为600-700MPa，保压时间为5-10秒；然后脱模并淬入油中，在热处理炉中进行低温回火，回火温度为200℃，保温时间为1小时。
一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的表面强化处理方法，其特征是对用上述压制烧结法制备的凸轮材料在Y6-100-250电子管变频装置上进行高频淬火，处理参数为：振荡频率为250千赫，振荡功率为100千瓦，输入功率为180千伏安，电源电压为400伏，灯丝电压为11伏，阳极电流为2.9安，栅极电流为0.8安，阳极电压为7000-9000伏，淬火介质为水。
一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的表面强化处理方法，其特征是对用上述压制烧结法制备的凸轮材料在5kW HJ-4型CO2横流式激光加工系统上进行激光表面淬火，该机带有JKJ-5型转镜式宽带扫描装置，可以获得线型光束，激光处理前对金属表面进行适当的黑化处理，吸能涂料由纯基矿醛树脂、稀土和工业酒精组成，激光处理的参数为：线形光束带宽为10-15mm，激光输出功率为2.8-3.2kW，扫描速度为8-12mm/s。
本发明具有以下优点：粉末冶金工艺是一种近净形的制造工艺，与常规的铸、锻、切削加工工艺制造同样的零件相比，具有少、无切削加工、节材、节能、高效、质量均一、适合于大批量生产、无环境污染、价格低廉等特点，可大大提高材料利用率和生产效率，从而降低生产成本。本研究中的粉末冶金成型工艺简单，凸轮成型后可直接用来装配，无需后续加工，并且高频淬火和激光淬火都是效率高，质量稳定的表面强化工艺，这些优点使本生产工艺下，在提高凸轮轴使用性能基础上又可以有效降低凸轮轴的生产成本。
附图说明
图1(a)是凸轮材料压制烧结态的显微组织；
图1(b)是凸轮材料经压制烧结+高频淬火处理后的显微组织；
图1(c)是凸轮材料经压制烧结+激光表面淬火处理后的显微组织；
图1(d)是凸轮材料经压制烧结+锻造+淬火+回火后的显微组织；
图2是不同工艺下凸轮材料的磨损率曲线。
附表说明
表1为45#钢及不同工艺下凸轮材料的密度、表面硬度和硬化层深度。
具体实施方式
下面结合附图及附表所示实施例进一步说明本发明的具体内容。
例1：采用压制烧结+高频淬火工艺制造的凸轮，其材料的密度为6.7～7.25g/cm3，表面硬度为HV0.3598～678，硬化层深度为0.8～1.3mm(如表1所示)。
表1普通淬火45#钢及不同工艺下凸轮材料的密度、表面硬度和硬化层深度
凸轮材料烧结态的显微组织如图1(a)所示，其组织为铁素体+珠光体。经过高频淬火后的显微组织如图1(b)所示，其表面层组织为针状马氏体+少量残余奥氏体，这种组织使表面层得到强化。图2为不同工艺下粉末冶金凸轮材料同传统的经高频淬火的球墨铸铁凸轮材料的耐磨性比较。由图中可以看出，经过压制烧结+高频淬火工艺处理后的凸轮材料的耐磨性优于45#钢。
例2：采用压制烧结+激光表面淬火工艺制造的凸轮，其材料的密度为6.7～7.25g/cm3，表面硬度为HV0.3690～849，硬化层深度为1.2～1.9mm(如表1所示)。经过激光表面淬火后的显微组织如图1(c)所示，其表面层组织为细针状马氏体+少量残余奥氏体，这种组织使表面层进一步得到强化。由图2可知，经过此工艺处理后的凸轮材料的耐磨性优于45#钢，也略优于压制烧结+高频淬火工艺处理后的凸轮材料。
例3：采用压制烧结+锻造+淬火+回火工艺制造的凸轮，其材料的密度为7.6～7.71g/cm3，表面硬度为HRC54～56(如表1所示)。经过此工艺制备的凸轮材料的显微组织如图1(d)所示，其组织为回火马氏体。这种高密度的凸轮材料可以有效地强化凸轮表面，提高其耐磨性。由图2可知，经过此种工艺制备的凸轮材料的耐磨性优于上述两种工艺及45#钢。

Claims (5)

1、一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料，其特征是合金成分范围为：C 0.4-0.6％，Cr 1.0-1.5％，Ni 1.5-2.0％，Mo 0.6-1.0％，Cu 2-2.5％，其余为粒度小于45μm、纯度高于96％的还原铁粉Fe，并加入8-10％的硬脂酸锌粉末作为固体润滑剂。
2、一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的压制烧结制备方法，其特征是首先在混料机中将各种粉末进行混合，混合时间为40-60分钟；然后进行压制，压制模具采用金属模，压制压力为600-700MPa，保压时间为30-60秒；最后在烧结炉中进行烧结，保护气氛为分解氨，烧结温度为1130-1200℃，烧结时间为1-1.5小时。
3、一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的粉末锻造制备方法，其特征是首先在混料机中将各种粉末进行混合，混合时间为40-60分钟；然后进行压制，压制模具采用金属模，压制压力为600-700MPa，保压时间为30-60秒；取出样件在烧结炉中进行烧结，保护气氛为分解氨，烧结温度为1130-1200℃，烧结时间为1-1.5小时；然后在热处理炉中将样件重新加热到800-900℃，取出并放入金属模中进行锻造，锻造压力为600-700MPa，保压时间为5-10秒；然后脱模并淬入油中，在热处理炉中进行低温回火，回火温度为200℃，保温时间为1小时。
4、一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的表面强化处理方法，其特征是对用上述压制烧结法制备的凸轮材料在Y6-100-250电子管变频装置上进行高频淬火，处理参数为：振荡频率为250千赫，振荡功率为100千瓦，输入功率为180千伏安，电源电压为400伏，灯丝电压为11伏，阳极电流为2.9安，栅极电流为0.8安，阳极电压为7000-9000伏，淬火介质为水。
5、一种装配式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的表面强化处理方法，其特征是对用上述压制烧结法制备的凸轮材料在5kW HJ-4型CO2横流式激光加工系统上进行激光表面淬火，该机带有JKJ-5型转镜式宽带扫描装置，可以获得线型光束，激光处理前对金属表面进行适当的黑化处理，吸能涂料由纯基矿醛树脂、稀土和工业酒精组成，激光处理的参数为：线形光束带宽为10-15mm，激光输出功率为2.8-3.2kW，扫描速度为8-12mm/s。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20061108