粉末冶金齿轮零件利用锻造技术提高强度

一、粉末锻造新技术在成型加工齿轮中的应用。

粉末的整体锻造过程包括以下几个步骤：装粉、填充粉、粉末封压、粉末压制、压胚脱落、压胚导走以及装粉。齿轮作为汽车中重要的传动零件，对于整车的运行起着至关重要的作用。齿轮的密度和硬度等特性与材料的性能以及制备工艺密切相关。通过采用先进的压形技术，可以显著提高粉末压坯的密度，进而改善粉末锻造制品的性能。同时，这种新的工艺还能够提高零件的尺寸精度，并且使其形状更加复杂。下面将首先探讨粉末锻造新工艺对齿轮的影响。

1、粉末锻造齿轮的高速压制工艺

这种工艺的开发使高密度和超过5 kg的大型粉末锻造零件的开发成为可能，它使粉末能在20 ms以内被压缩，而且在300 ms内多次压制还可以进一步提高密度。

高速压制作为大批量的生产方法可以突破目前粉末锻造的局限性。传统压制成形要求高的成形压力，而成形压力又受到压机吨位的限制，高速压制则不受此限制。基于预合金化和扩散合金化的粉末密度可以达到7.4～7.7 g/cm3，这种新型的制造技术最近引入到了粉末锻造行业。

高速压制的致密化主要通过由液压控制的冲锤产生的强烈冲击波来实现，冲锤的质量和压制时的速度决定了冲击功的大小和致密化程度。由于采用液压控制，安全性能较高。通过合适的工艺控制，可以避免非轴向的反弹引起压坯的微观缺陷。

对于高速压制，进行多次压制是可能的，而传统压机在第一次压制后的重复压制密度不会显著增加。因为4 kJ的冲击功与2次2 kJ的冲击功，其压制密度是相同的。因此，可以采用中等压机经多次压制达到高密度。多次冲击压制也可以快速完成，因为每次冲击的间隔时间小于300 ms。这种压机可以用计算机精确控制冲锤的行程和冲击功，由其压制的零件生产工艺与传统的成形工艺大体一致。

传统粉末压坯的密度呈中间低、两端高的分布，这样易造成成型加工后中部收缩过大而影响零件的尺寸精度。而高速压制的零件，密度分布则较为均匀。成型加工后中部与端部尺寸相差将会较小，这样将改善零件尺寸的一致性。

高速成形如果再与其他工艺相结合，则材料的性能将会大幅提高。含碳0.4%的ASTALOY CrM 预合金化粉末经高速压制后的压坯密度达7.5 g/cm3 ，经1250℃高温成型加工后抗拉强度达到1220 MPa，经1120 ℃成型加工硬化处理后抗拉强度为1380 MPa。由此可见高速压制的零件，其性能达到了一个较高的水平。

高速压制作为介于传统粉末成形和粉末锻造之间的工艺，其优势是明显的。由于具有良好的性价比，应用范围比较广泛。具体而言，其优势有:较高的且分布均匀的密度，高生产率， 可以生产几公斤的大零件，较小的弹性后效和较高的精度，可以生产长径比较大的零件(长径比可达6. 0)。

高速压制技术目前尚在不断开发之中，在开发的初期仅仅能成形没有台阶的直桶类简单零件，而现在已经开发出了能成形一个台阶的较复杂零件。但是对于其他形状更复杂的零件目前尚不能生产，这也是高速压制技术受到局限的重要原因。

2、齿轮成型加工硬化

成型加工硬化是将粉末锻造的成型加工和提高材料性能的淬火热处理工序合二为一，以达到降低成本的目的。通过成型加工硬化工艺，可以省去成型加工后的独立热处理工序，同时获得高强度和高硬度的性能，从而实现生产成本的降低。此外，传统淬火过程中常会引起高残余内应力和零件变形，给控制零件尺寸公差带来困难，而成型加工硬化工艺由于其较慢的冷却速度可将变形减至最小。因此，成型加工硬化工艺特别适用于大型和形状复杂的零件的加工。

通常，成型加工硬化钢多用于制造中高密度零件。常见的合金元素包括钼、锰、铬、铜和镍等。含有这些合金元素的材料具有足够的淬透性，在成型加工冷却阶段能够获得硬度。成型加工硬化后的材料主要组织为马氏体，还可能包含少量的细珠光体、贝氏体和残余奥氏体，根据成型加工的温度和时间不同，还可能存在少量富镍区。根据具体加工条件和零件要求，可以适当调整化学成分，以获得所需的硬度和性能。

据报道，成型加工硬化齿轮已被广泛应用于汽车等传动机构。与传统工艺相比，这些齿轮降低了生产成本，但并未降低使用性能。它们具有高尺寸精度、低噪音、高强度、良好的耐磨和耐腐蚀性能。例如，宁波东睦（NB TM）公司的齿轮通过成型加工硬化工艺，具有密度大于7.0g/cm3，经过回火处理后硬度达到HRC40以上。与传统方法相比，成本降低了10%，同时减少了淬火引起的变形风险。

3、高温成型加工

高温成形加工是提高材料强度的一项重要方法。它通过提高成形温度，实现氧化物的还原、增加原子扩散速率和改善成分均匀性，从而使材料的孔隙充分球化并增大孔隙间距。这种方法特别适用于新型粉末锻造材料，如高速钢、不锈钢和高温合金。高温成形加工可以提高零件的密度、机械性能、轴向/旋转弯曲疲劳强度、耐蚀性和物理性能。

然而，高温成形加工也存在一些问题，如设备损耗增加、能耗增加、炉子维护成本增加、生产率降低、零件变形加大、零件同轴度降低、冷却速率较低以及其他工艺上的难题。因此，粉末锻造零件的高温成形加工会增加一些额外成本。

对于铁基材料而言，高温成形加工适用于以下情况：①需要进行高温成形加工的材料，例如新型含硅铁基材料和高性能不锈钢；②高温成形加工是实现要求的最有效或唯一方法；③高温成形加工可以减少工序或其他设备，例如将二次压制改为一次压制；④预合金或预混粉末成形加工。在这种情况下，由于一些氧化物被还原，材料的合金化程度增加，硬度性能改善，机械性能提高。混合粉末的偏析是导致成形加工齿轮性能不稳定的一个重要原因。通过高温成形加工，可以显著减小或消除偏析的影响。对于某些材料来说，高温成形加工是必要的；另一方面，在较低温度下进行成形加工时，现有材料没有完全发挥潜力。为了充分开发这些材料的潜力，即要求它们具有高的表观硬度、超常的耐冲击性和抗拉强度，就必须采用高温成形加工。具备这些性能的粉末锻造零件将具有竞争力，尽管根据国外的分析，高温成形加工将增加约10%～15%的成本。

二、齿轮的表面致密化工艺

提高粉末锻造零件的密度是改善其性能的主要方法。然而，最近的研究表明热处理和后加工也对零件质量产生重要影响。齿轮的失效大部分是由表面接触疲劳引起的，因此提高表面密度可以提高其疲劳性能。经过表面渗碳、高频或激光热处理的齿轮，在外部具有较高的硬度（碳含量），耐磨性好，在心部则具有较低的硬度（碳含量），同时保持良好的韧性。

粉末锻造零件由于存在孔隙，其表面接触疲劳强度通常较铸轧钢加工的差，但经过表面致密化处理后，齿轮齿部与轧辊模接触的表面几乎完全致密。在表面致密化后，齿轮齿部成为无孔的表面，而心部则形成多孔体。由于只有齿轮表面承受外加应力，因此齿轮的生产成本相对较低。与成型加工齿轮相比，经过轧辊模的反复轧制后，齿形和精度也有所提高。通过表面致密化可以进一步提高齿轮的尺寸精度，并且深度超过0.7mm的表面致密化处理可以显著提高齿轮的表面接触疲劳强度。

此外，齿轮表面粗糙度达到"镜面"标准后，齿轮运行时噪音更低。经过适当的热处理之后，这种无孔隙表面的齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度完全可以达到渗碳钢的水平。制造这种齿轮的工序包括成形（高密度）、成型加工（控制冷却速度）、机加工、表面致密化和热处理（控制热处理变形）。表面致密化技术具有齿部无孔隙、表面粗糙度低、耐磨性高、噪音低、耐腐蚀性好、尺寸精度高以及良好的疲劳特性等优点。这些因素无疑是高质量齿轮所必须具备的。这也解释了为什么密度仅为7.56 g/cm3的成型加工齿轮经过表面致密化处理后的表面接触疲劳性能略高于铸轧钢的原因。

1、直齿轮，斜齿轮粉末锻造模具机构 

1.1斜齿轮粉末锻造模具

图 1

1-齿形上冲模；2-芯杆；3-斜齿轮压抷；4-齿形阴模；5-齿形下冲模；6-模垫；7-单向推力滚珠轴承；8-轴承座

斜齿轮压胚采用旋转压摸，压制时摸冲随着阴摸的螺旋形角一面旋转，一面下降。压制直齿时，上摸冲迫使齿内部的粉末沿阴摸内直齿朝压制方向移动：压制斜齿时，齿轮粉末沿着阴摸内斜齿槽向下移动。同时带齿的上摸冲，如同螺钉拧进螺母那样，旋转下降。因此，压制斜齿轮压胚常采用旋转压摸，在压制和脱摸过程中，摸冲与阴摸在上下相对移动过程中，必须有相对转动才能保证压制和脱摸的顺利进行。

斜齿轮压坯的旋转压模设计，斜齿齿轮压坯：旋转压模，压制时，模冲随着阴模的螺旋形角一面旋转、一面下降。压制斜齿齿轮压坯时，齿部的粉末不能沿压制方向直线向下移动，而将沿阴模内斜齿槽向下移动。同时，带齿的上模冲如同螺钉拧进螺母那样，旋转下降。在压制和脱模过程中，模冲和阴模在上、下相对移动的同时，必须有相对转动，因此要求模冲和阴模能够旋转，通常安装平面滚珠轴承模座。

1.2直齿轮粉末锻造模具 

直齿轮压坯的旋转压模设计，直齿齿轮压坯：双向压模，模冲和阴模在上、下相对移动的同时，不需要相对旋转即可。1.3其中压制力的计算 压制压力的计算：模压过程的总压制力等于净压力与外摩擦力之和，单位压制压力与压坯密度定量关系的研究，是近60年来粉末成形理论研究的主要内容。

F=F1+F2 F:压制力。

F1：净压力。

F2：克服粉末与壁的摩擦力。

脱模力的计算：压制压力去掉后，侧压力因为高度方向的弹性后效，侧压力会下降35~77%。在低速高单位压制压力条件下，塑性金属粉末易发生“模瘤”；模具表面质量差、润滑不良和模温过高，加重模瘤现象。严重时脱模压力超过压制压力，使得模具拉伤。无润滑塑性金属粉末应当避免高压压制 F脱＝μ;静P侧剩S侧 P侧剩＝E∑R剩(m2-1)/2R P侧剩=jξ0ρP 其中： ∑R剩：卸压后阴模半径上剩余的变形量；j：剩余侧压强与侧压强之比，决定于模具的刚度；m：阴模外径与内径之比；ρ：压坯的相对密度当相对密度为：0.80~0.85时 ，m=2~4，可粗略估算： 对于铁基：P侧剩=0.18~0.20P 对于铜基：P侧剩=0.20~0.22P