燒結齒輪的效能與粉末冶金工藝密切相關,不同工藝和技術路線生產的齒輪,效能差異很大,
而粉末冶金技術的發展促進了燒結齒輪效能的提高和尺寸的穩定。近年來發展起來的溫壓成形、高速成形、燒結硬化、高溫燒結、熔滲和齒輪表面緻密化等技術及其在齒輪製造中的應用可望同時實現高密度、低成本和高精度的齒輪生產。
作為傳動系統重要零件的齒輪,一般都是通過機械加工法制成的。但是隨著****的發展,對齒輪等零件的要求越來越高,
在成本、交貨日期和噪音等方面機加工齒輪難以滿足要求;而粉末冶金則是一項能製造形狀複雜零件的技術,可以節料、節能、省工、優質,
適合大批量生產,能滿足****對零部件的要求。因此,粉末冶金工業與****密切相關。在美國,
鐵基粉末冶金零件的市場有70%以上屬於汽車市場;而在國內,遠未達到這個比例,據中國機協粉末冶金專業委員會2004
年3月的統計,國內粉末冶金行業的汽車市場僅佔19%。對於汽車和其他工業而言,粉末冶金是生產高強度和形狀複雜齒輪的有效工藝。目前,
通過使用高效能的粉末成形、燒結和特殊的後加工,粉末冶金工藝已經可以生產出密度超過7.5g/cm3的齒輪。這些技術的使用,
已經成功地替代了機加工或其他方法加工的零件。粉末冶金工藝的成功,使機械工程師設計高效能和較低成本的零件成為可能。
目前在汽車上使用的齒輪零件有同步器齒轂、離合器齒轂等,隨著****的發展,
必將對粉末冶金工業提出更高的要求。本文作者將從粉末冶金材料工藝和齒輪表面緻密化等方面**粉末冶金工業的最新進展及其在齒輪生產中的應用,為機械工程師在設計齒輪時提供參考。1粉末冶金新技術在燒結齒輪中的應用
齒輪作為重要的傳動零件,在汽車上起著關鍵的作用。齒輪的密度、硬度等與材料的效能及製備工藝息息相關。
先進的壓形技術提高了粉末壓坯的密度,改進了粉末冶金製品的效能;同時,零件的尺寸精度可以獲得提高,
形狀也可以更加複雜。下面首先討論粉末冶金新工藝及其對齒輪的影響。1. 1溫壓成形溫壓技術是由hêgan?s
公司在20世紀90年代開發並獲得工業應用的製造高強度鐵基粉末冶金零部件的新型剛性模成形技術。該技術既保持了傳統模壓工藝的高生產率和尺寸精度高等基本特點,又以較低的成本提高了零部件的密度(7.20～7.
35g/cm3)
。由於零部件密度提高,其綜合力學效能大幅度改善,應用範圍迅速擴大,為充分發揮粉末冶金的技術優勢創造了條件。
溫壓技術的緻密化主要通過在溫壓溫度下鐵粉顆粒的加工硬化速率降低和程度減輕,以及鐵粉顆粒塑性變形阻力減小來實現的。此外,
在成形過程中的顆粒重新排列,也可以使密度提高。目前已經製備出抗拉強度達1500 mpa的燒結鐵基零件。ford
汽車公司已將質量達1.2kg的溫壓流體變速渦輪轂用在發動機上。溫壓工藝的關鍵在於以較低的成本製造出高效能的鐵基粉末冶金零件,
為汽車的零部件在效能與成本之間找到乙個較佳的結合點。溫壓的優勢在於:壓坯密度和燒結密度高,壓坯強度高,脫模壓力低,彈性後效小。1. 2高速壓制
瑞典開發了高速壓制的工藝。這種工藝的開發使高密度和超過5kg的大型粉末冶金零件的開發成為可能,它使粉末能在20ms以內被壓縮,
而且在300ms內多次壓制還可以進一步提高密度。高速壓制作為大批量的生產方法可以突破目前粉末冶金的侷限性。傳統壓制成形要求高的成形壓力,
而成形壓力又受到壓機噸位的限制,高速壓制則不受此限制。基於預合金化和擴散合金化的粉末密度可以達到7.4～7.7g/cm3,
這種新型的製造技術最近引入到了粉末冶金行業。高速壓制的緻密化主要通過由液壓控制的衝錘產生的強烈衝擊波來實現,
衝錘的質量和壓制時的速度決定了衝擊功的大小和緻密化程度。由於採用液壓控制,
安全效能較高。通過合適的工藝控制,可以避免非軸向的**引起壓坯的微觀缺陷。對於高速壓制,
進行多次壓制是可能的,
而傳統壓機在第一次壓制後的重複壓制密度不會顯著增加。因為4kj的衝擊功與2次2kj的衝擊功,其壓制密度是相同的。因此,
可以採用中等壓機經多次壓制達到高密度。多次衝擊壓制也可以快速完成,因為每次衝擊的間隔時間小於300ms。這種壓機可以用計算機精確控制衝錘的行程和衝擊功,由其壓制的零件生產工藝與傳統的成形工藝大體一致。
傳統粉末壓坯的密度呈中間低、兩端高的分布,這樣易造成燒結後中部收縮過大而影響零件的尺寸精度。而高速壓制的零件,
密度分布則較為均勻。燒結後中部與端部尺寸相差將會較小,這樣將改善零件尺寸的一致性。高速成形如果再與其他工藝相結合,
則材料的效能將會大幅提高。含碳0.4%的astaloy crm預合金化粉末經高速壓制後的壓坯密度達7.5g/cm3 ,
經1250℃高溫燒結後抗拉強度達到1220 mpa ,經1120℃燒結硬化處理後抗拉強度為1380 mpa。由此可見高速壓制的零件,
其效能達到了乙個較高的水平。高速壓制作為介於傳統粉末成形和粉末鍛造之間的工藝,其優勢是明顯的。由於具有良好的價效比,
應用範圍比較廣泛。具體而言,其優勢有:較高的且分布均勻的密度,高生產率,可以生產幾公斤的大零件,較小的彈性後效和較高的精度,
可以生產長徑比較大的零件(長徑比可達6. 0)。
高速壓制技術目前尚在不斷開發之中,在開發的初期僅僅能成形沒有台階的直桶類簡單零件,而現在已經開發出了能成形乙個台階的較複雜零件。但是對於其他形狀更複雜的零件目前尚不能生產,這也是高速壓制技術受到侷限的重要原因。1.
3燒結硬化
燒結硬化是將粉末冶金的燒結與提高材料效能的淬火熱處理工序合二為一,以降低成本。燒結硬化工藝可以省去燒結後熱處理工序,
同時可以獲得高強度和高硬度的效能,從而降低生產成本。此外,淬火時會產生高的殘餘內應力並且使零件發生變形,
給控制零件尺寸公差帶來困難。燒結硬化工藝,由於燒結後的冷卻速度遠低於淬火的冷卻速度,因而可以使變形減少到最小。因此燒結硬化工藝適用於難以處理的大型以及形狀複雜的零件。
燒結硬化鋼一般用來製造中高密度零件。一般情況下,
燒結硬化鐵粉的主要合金元素有鉬、錳、鉻、銅和鎳等。含有這些合金元素的材料具有足夠高的淬透性,
在燒結冷卻期間能夠淬硬。燒結硬化後合金金相組織多為馬氏體,此外還有少量的細珠光體、貝氏體和殘餘奧氏體;根據燒結溫度和時間的不同,
可能還有少量的富鎳區。根據燒結的實際條件和零件的具體要求,適當調配化學成分,在冷卻後可以得到要求的硬度和效能。據文獻報道,
目前已經有大量的燒結硬化齒輪開始應用於汽車等傳動機構上。與傳統的工藝相比,它降低了生產成本,
但是沒有降低任何使用效能。這些齒輪的尺寸精度高,噪音低,強度高,耐磨性和耐腐蝕好。寧波東睦(nb tm)公司的齒輪,
通過燒結硬化,密度大於7.0 g/cm3 ,經過回火處理後硬度大於hrc40。與傳統方法相比成本降低10 %,
且減小了淬火變形的危險。1. 4高溫燒結
高溫燒結是提高強度的一項重要措施。通過高溫燒結,可以使一部分氧化物還原、提高原子的擴散速率和增加成分均勻性,
可以使孔隙充分球化和孔隙間距更大,適合於新型粉末冶金材料例如高速鋼、不鏽鋼和高溫合金等。這樣,可提高零件的密度、機械效能、軸向/
旋轉彎曲疲勞強度、耐蝕性和物理效能。但是,也存在一些弊端,
例如裝置損耗加大、能耗增加、爐子維護成本增加、生產率降低、零件變形加大、零件的同軸度降低、低冷卻速率以及其他工藝問題。因此,
粉末冶金零件高溫燒結,將會增加一些額外的成本。
對於鐵基材料而言,高溫燒結適用於以下幾種情況:材料需要高溫燒結,如新型含矽的鐵基材料、高效能不鏽鋼;
高溫燒結是最有效或唯一能達到要求的方法;高溫燒結能減少工序或其他裝置,如將二次壓制改為一次壓制;預合金或預混粉燒結,
此時由於一些氧化物被還原,其合金化程度增加、硬化效能改善、機械效能提高。燒結齒輪效能不穩定的乙個重要原因是混合粉的偏析。通過高溫燒結,
可以顯著減小或消除偏析的影響。高溫燒結對於一些材料是必需的,另一方面,在較低溫度燒結時,
現有的材料沒有完全發揮潛能。要完全開發這些材料的潛能,即要求它們具有高的表觀硬度、超常的耐衝擊性和抗拉強度,
也必須使用高溫燒結。具有這些效能的粉末冶金零件,其競爭力將會很強;儘管根據國外的分析,高溫燒結將增加成本約10 %～15 %。1. 5熔滲
熔滲是在燒結過程中將其他材料(對於鐵基燒結件而言主要是銅)熔化並在毛細管和重力的作用下滲入燒結坯內,
以提高零件的密度和效能。一般情況下,原材料費用較高,熔滲時銅向骨架基體中擴散和生成大量液相,尺寸變化較大。寧波東睦公司的滲銅齒輪,
其質量達到2 700 g、高度超過70 mm ;燒結熔滲處理後,齒輪的硬度為hrb85 ,總體密度為7. 3g/ cm3。
2齒輪的表面緻密化技術
達到高密度是改善粉末冶金零件效能的主要方法,
然而最近的研究顯示熱處理和後加工也能對零件質量產生重要影響。齒輪的失效大部分為表面接觸疲勞,
提高表面密度可以提高疲勞效能。經表面滲碳、表面熱處理(高頻或雷射熱處理)的齒輪,其外部硬度(碳含量)高,耐磨性好,
心部硬度(碳含量)低,韌性好。粉末冶金零件由於孔隙的存在,表面接觸疲勞強度往往較鑄軋鋼加工的差,
而通過表面緻密化處理後在齒部與軋輥模接觸的表面幾乎達到全緻密。
目前寧波東睦新材料股份****已經引進了齒輪表面緻密化軋機和軋輥模製作裝置,正在進行表面緻密化齒輪的開發。表面緻密化後,
齒輪齒部是無孔的表面,心部是多孔體;僅僅齒輪表面承受外加應力,因而齒輪的生產成本相對較低;燒結齒輪在軋輥模的反覆軋制下,
齒形和精度有所提高。通過表面緻密化可以進一步提高齒輪的尺寸精度。表面緻密化深度超過0.7mm ,
通過表面緻密化後可以大幅度提高齒輪的表面接觸疲勞強度。除此之外,齒輪的表面粗糙度達到
「鏡面」的標準,
結果齒輪執行時噪音更低。這種表面無孔的齒輪經過合適的熱處理之後,
其彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度完全達到滲碳鋼的水平。製造上述齒輪的工序如下:成形(高密度) ;燒結(控制冷卻速度) ;
機加工;表面緻密化;熱處理(控制熱處理變形)。
表面緻密化技術具有齒部無孔隙,表面粗糙度低,耐磨性高,噪音低,耐腐蝕性好,
尺寸精度高和零件的疲勞特性好等優點。這些因素無疑都是高質量齒輪所必須具備的。這也說明了密度僅為7.56g/cm3
的燒結齒輪經過表面緻密化處理後的表面接觸疲勞效能還略高於鑄軋鋼的原因。3總結
粉末冶金工藝生產的齒輪具有良好的力學效能、尺寸精度和表面粗糙度,且適用於大批量生產,因而具有良好的價效比,
這是燒結齒輪能贏得****認可的重要原因。由於粉末冶金傳統工藝技術的限制,燒結齒輪密度較低,
影響了齒輪的效能。溫壓成形、高速成形、燒結硬化、高溫燒結、熔滲、hvc
粉末成形和齒輪表面緻密化等技術在燒結齒輪中的應用解決了密度較低、尺寸精度和力學效能達不到規定要求的問題。從目前的技術發展來看,燒結齒輪要達到全緻密不存在技術障礙,
尺寸變化也完全可以達到可控的程度。但是成本也是考慮燒結齒輪的乙個重要因素。生產燒結齒輪真正困難的是同時達到高密度、低成本和高精度。
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