CN105014077B - 粉末冶金齿轮、链轮的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种粉末冶金齿轮、链轮的制备方法，步骤：将碳、铁、铬、钼、铜、镍按以下质量百分比混合成混分粉，碳：0.1～1.5%，铜：0～4%，镍：0～5%，钼：0～2%，铬：0.0～18%，不超过2%不可避免杂质，铁：余量；将上述混合粉在压力大于400MPa压机上压制成密度为6.6～7.4g/cm³的齿（链）轮生坯；然后在1000℃～1350℃进行烧结，烧结时间为5～180分钟；在非氧化性气氛中退火，退火温度750～1080℃，时间5～200分钟；通过挤压成型机或精整压机改装压机上进行均匀挤压，挤压量大于齿顶圆与齿根圆直径之差的2%；热处理即为成品。本发明制作工艺简单，制得齿（链）轮精度高、表面光洁度好，降低了生产成本，提高生产效率，与传统粉末冶金工艺相比，产品密度更高，基本实现表面致密化。

Description

粉末冶金齿轮、链轮的制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，尤其是一种铁基粉末冶金齿轮、链轮的制备方法。

背景技术

齿（链）轮作为传动***的重要零部件，传统的方法都是通过机械加工成形的。机械加工的齿（链）轮目前的主要加工方法有钢材直接通过机械加工的方法成形以及通过冷挤压成形。机械加工的方法工序较长，原材料利用率较低，大约在40～60%之间，产品成本较高，一致性较差，生产效率较低，难以满足对大批量一致性好的要求。

而采用冷挤压的方法成形，一般需要温锻制坯，然后冷挤压成形。锻件尺寸精度高、尺寸一致性好、表面光洁、内齿轮的齿形精度高、齿轮轮廓清晰，外表面机加工余量较少；材料利用率达到90％左右；温锻模具(凹模)寿命5000～6000件，而冷挤压模具(凸模)寿命8000～10000件；冷挤压件的外表光洁，机械加工余量少，显著减少后续机械加工工作量，生产周期短，生产效率高。但是冷挤压的方法模具损耗较大，成本还难以满足汽车、摩托车等工业的要求。

粉末冶金是生产高强度和形状复杂零件的有效工艺。目前也出现了采用粉末冶金工艺来代替传统的制造工艺制备齿轮，如专利号为CN201110323618.8的中国发明专利《一种粉末冶金起动链轮、齿轮》，采用粉末冶金工艺一次压制成形，其原料重量百分比为：铁：95.5～98％；碳：0.3～1.2％；铜：0.7～2％；硫化锰：0.1～0.5％；硬脂酸锌：0.3～1.2％。还有专利号为CN201310248909.4的中国发明专利《一种粉末冶金齿轮及其制备方法》，其特征在于：由下列重量份的原料制成：铁粉96-99、钼粉1.2-1.4、铝粉2.1-2.4、碳化硅0.8-1.0、硬酯酸2.3-2.6、柠檬酸三丁酯1.2-1.5、Be0.2-0.3、Pb0.1-0.2、Mg0.9-1.2、La0.1-0.15、碳化硅1.2-1.4、碳化铌0.3-0.4、Nb₂O₅0.2-0.3、SnO₂0.5-0.6、硼化二钼1.0-1.2、分散剂2-3。它改变了原料配比，能够增强粉末冶金齿轮的韧度和强度。目前粉末冶金工艺已经可以生产出密度超过7.4g/cm³的零件，但是对于超过7.6g/cm³的零件，目前的主要制造技术包括注射成型，粉末锻造。而复压复烧技术的密度水平大致在7.4～7.6g/cm³之间。此外，还有表面致密化技术，使齿形零件通过横向轧制（滚压）实现齿轮表面的局部致密化。

粉末冶金技术2005年第23卷第一期第62页介绍了表面齿轮致密化技术（表面致密化——一种提高烧结齿轮性能的有效方法）。这是一种实现齿面局部致密化的方法。主要通过局部致密化解决齿轮的失效问题，因为大部分失效为表面接触疲劳，提高密度可以提高疲劳性能。

在热处理行业大家都知道表面渗碳、表面热处理（高频或激光热处理），外部硬度（碳含量）高，耐磨性好，心部硬度（碳含量）低，韧性好。粉末冶金零件由于孔隙的存在，表面接触疲劳强度往往较铸轧钢加工的差。通过表面致密化处理，齿部接触的表面几乎达到全致密。

表面致密化化后，齿部是无孔表面和多孔心部；仅仅表面密度高的承受外加应力，相对成本较低；烧结齿轮在轧辊模的反复轧制下，齿形和精度有所提高。

通过表面致密化可以进一步提高齿轮的尺寸精度。表面致密化深度超过0.7mm，可以大幅度提高齿轮的表面接触疲劳强度。除此之外，齿轮的表面粗糙度达到“镜面”的标准，结果齿轮运行时噪音更低。这种表面无孔的齿轮经过合适的热处理之后，其弯曲疲劳强度和接触疲劳强度完全达到8620渗碳钢的水平。制造上述斜齿轮的工序如下：成型（高密度）；烧结（控制冷却速度）；机加工；表面致密化；热处理（控制热处理变形）。

表面致密化的优势如下：齿部无孔隙；良好的表面；增加耐磨性；降低噪音；改善耐腐蚀性；齿轮尺寸精度高；改善了零件的疲劳特性。但是表面致密化技术仅适用于外齿轮等少数零件，应用范围较为有限。此外，对于碳含量超过0.3%以上的零件，由于硬度较高，表面滚压（致密化）较为困难，表面密度难以提升。

上述的技术均存在一定的局限性。一次成型烧结由于润滑剂和石墨等轻质原料的影响，密度难以提高。对于注射成型工艺，仅适用于形状负责的零件，而对于形状简单尺寸较大的零件性价比太差。粉末锻造的精度较低，模具损耗较大。

对于复压复烧工艺，产品密度在7.4～7.6g/cm³之间。为了避免或减缓碳的扩散，保留更多的铁素体，一般预烧结温度通常为780～850℃左右，随着预烧结温度的提升，碳的扩散增加，珠光体等组织比例显著增加。随着珠光体含量增加，复压的压力增加，同时模具损耗也增加。

因此，需要开发新的工艺，解决粉末冶金产品的精度和密度问题，这对于提高粉末冶金齿（链）轮的密度，尤其是齿面的局部密度，对于粉末冶金齿（链）轮的应用有着至关重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种粉末冶金齿轮、链轮的制备方法，制备工艺简单，制得的齿轮、链轮精度高、表面光洁度好，有效地消除了锻造过程中由于在高温下进行而使模具易产生龟裂的难题，从而降低了生产成本，提高了生产效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种粉末冶金齿轮、链轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）准备好原料，将碳、铁、铬、钼、铜、镍按以下质量百分比混合成混分粉，配比为碳：0.1～1.5%，铜：0～4%，镍：0～5%，钼：0～2%，铬：0～18%，不超过2%的不可避免的杂质，铁：余量；

其中，铬、钼、铜、镍以铁合金或母合金形式加入，碳以石墨形式加入，然后加入质量百分比含量为0.1～1%的润滑剂；

2）将上述混合粉在压力大于400MPa的压机上压制成密度为6.6～7.4g/cm3的齿轮或链轮生坯；

3）将上述齿轮或链轮生坯在温度1000℃～1350℃中进行烧结，烧结的时间为5～180分钟；

4）在非氧化性气氛中进行退火，退火温度为750～1080℃，退火保温时间5～200分钟退火，对于碳含量低于0.3%且钼、铬、镍和铜合金总含量低于2%的齿轮或者链轮，退火工序可以作为选项。

5）挤压：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压量L2大于齿顶圆与齿根圆直径之差的2%，即L2≥(da-d)/2×2%，对于内齿轮，则挤压量L2大于齿根圆与齿顶圆直径之差的2%，则L2≥(d-da)/2×2%，其中，da为齿顶圆直径，d为齿根圆直径；

6）热处理：淬火温度为750～1250℃，保温10～240分钟，回火温度为150～600℃，保温5～200分钟，对于烧结后碳含量大于0.4%的齿轮或链轮可采用高频或中频热处理，热处理的硬化层深度0.2～5mm，回火温度为150～600℃，保温5～200分钟，或采用高频或中频感应回火。

作为改进，所述步骤1）的润滑剂及石墨等采用粘接处理方式加入。

作为改进，所述步骤2）压制采用温压成形或模具加热成形以降低压制压力或进一步提高生坯密度，压机的压制压力为600Mpa。

作为改进，所述步骤3）烧结是在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比例为1～75vol%的烧结炉中进行。

再改进，所述步骤4）退火后，从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.5℃/S。

再改进，所述步骤3）、步骤4）的烧结和退火两道工序可合二为一，在烧结结束后将温度控制在退火温度进行保温，按照退火的时间和冷却要求降到室温即可。

进一步改进，所述步骤5）挤压为均匀挤压或非均匀挤压，挤压过程中，对于外齿而言，挤压模阴模至少分为导向段和定径段两个部分，对于内齿而言，芯棒至少分为导向段和定径段两个部分。对于挤压量L2，其可以均匀地分布在齿形外周，也可以非均匀分布在齿形外周，具体形式有齿顶区域未挤压、齿顶齿根区域未挤压以及齿根区域未挤压等形式，对于此时挤压量L2定义为最大的变形量，L2≥(da-d)/2×2%。

进一步改进，所述步骤6）热处理结束后，还增加喷丸处理，以进一步提高产品的疲劳强度和表面密度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：增加挤压的工序，大大提高了产品的密度，尤其是外表面密度，使得制得的齿轮或链轮精度高、表面光洁度好，有效地消除了锻造过程中由于在高温下进行而使模具易产生龟裂的难题，从而降低了生产成本，提高了生产效率。本发明制作工艺简单，与传统粉末冶金工艺相比，产品的密度更高，齿部区域的密度可以超过7.60g/cm³，接近粉末锻造的水平，而表面相对密度可以达到99%以上，基本实现表面致密化。

附图说明

图1为本发明制备的齿轮的结构示意图；

图2为均匀挤压挤压量示意图；

图3为非均匀挤压挤压量示意图（齿顶未挤压）；

图4为非均匀挤压挤压量示意图（齿顶齿根未挤压）；

图5为非均匀挤压挤压量示意图（齿根未挤压）；

图6为挤压阴模示意图；

图7为挤压阴模俯视图；

图8为挤压芯棒示意图；

图9为齿部挤压前形貌；

图10为齿部挤压后形貌；

图11为齿侧挤压前形貌；

图12为齿侧挤压后形貌；

图13为齿顶挤压后形貌；

图14为齿根挤压后形貌；

图15为热处理后齿面形貌；

图16为热处理后齿轮心部形貌；

图17为热处理后齿面形貌；

图18为热处理后齿轮心部形貌。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，以下的百分比均为质量百分比。

实施例一:

①准备好原料，即铁铜和碳的混合粉，其配比为：雾化铁粉为96.8%；碳为0.70%，铜粉为2%，然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.10g/cm³的齿（链）轮生坯；

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1200℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在真空烧结炉中进行；

④退火：退火温度为850℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.1℃/S；

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×8%，而对于内齿轮，则L2≥(d-da)/2×2%，其中，da为齿顶圆直径，d为齿根圆直径，见图1和图2。对于外齿而言，挤压模阴模（凹模）至少分为两个部分：导向段1和定径段2，见图6所示。对于内齿而言，芯棒至少分为两个部分：导向段3和定径段4，见图8所示；

⑥热处理：整体热处理，淬火保温850℃，保温时间30分钟，碳势为0.7%，回火温度为200℃，保温120分钟。

齿部挤压前形貌见图9；齿部挤压后形貌见图10；齿侧挤压前形貌见图11；齿侧挤压后形貌见图12；齿顶挤压后形貌见图13；齿根挤压后形貌见图14；热处理后齿面形貌见图15；热处理后齿轮心部形貌见图16。由这些照片可以清晰看出，挤压后明显提高了齿部的密度。

实施例二:

①准备好原料，即铁铬钼和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（铬为3.0%，钼为0.5%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为50%，纯铁粉为48.7%；碳为0.8%，然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.2g/cm3的齿（链）轮生坯。

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行；

④退火：退火温度为850℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.1℃/S。

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×10%；

⑥热处理：高频淬火后，硬化层深度0.5mm，回火温度为200℃，保温130分钟。

实施例三:

①准备好原料，即铁铬钼和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（铬为17.0%，钼为1.0%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为99.2%；碳为0.3%，然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下温压为密度6.60g/cm³的齿（链）轮生坯；

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1200℃中进行烧结，烧结的时间为60分钟，烧结在真空烧结炉中进行，在烧结后的冷却阶段于890℃保温60分钟退火，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.15℃/S；

④挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×5%；

⑤热处理：渗碳淬火，渗碳温度920℃，时间120分钟，碳势为1.0%，回火温度为200℃，保温130分钟。

实施例四:

①准备好原料，即铁铬钼和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（铬为3.0%，钼为0.5%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为45%，纯铁粉为54.3%；碳为0.2%，然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下温压为密度7.2g/cm³的齿（链）轮生坯；

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行；

④挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×5%；

⑤热处理，渗碳淬火，淬火渗碳温度900℃，碳势为1.0%，保温120分钟；回火温度为200℃，保温130分钟。

实施例五:

①准备好原料，即铁钼镍铜和碳的混合粉，其配比为：铁合金粉（钼为0.5%，铜为1.5%；镍为1.75%；不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为98.7%；碳为0.8%，

然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.05g/cm3的齿（链）轮生坯；

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行；

④退火：退火温度为880℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.2℃/S；

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×8%；

⑥热处理，高频淬火后，硬化层深度0.8mm，回火温度为180℃，保温100分钟。

热处理后齿面形貌见图17；热处理后齿轮心部形貌见图18。

实施例六:

①准备好原料，即铁镍和碳的混合粉，其配比为：雾化铁粉为96.8%；碳为0.70%，镍粉为2%，然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.10g/cm³的齿（链）轮生坯；

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1200℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在真空烧结炉中进行；

④退火：退火温度为850℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.1℃/S；

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×8%；

⑥热处理：整体热处理，淬火保温850℃，，保温时间30分钟，碳势为0.7%，回火温度为200℃，保温120分钟。

实施例七：

①准备好原料，即铁钼和碳的混合粉，其配比为：铁钼合金粉（钼为0.85%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为98.5%；碳为1.0%，然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.0g/cm³的齿（链）轮生坯。

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为60分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行；

④退火：退火温度为850℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.05℃/S。

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×8%；

⑥热处理，高频淬火后，硬化层深度1.0mm，回火温度为200℃，保温130分钟。

实施例八：

①准备好原料，即铁钼和碳的混合粉，其配比为：铁钼合金粉（钼为1.5%，不可避免的其他物质，小于1%，铁为余量）为99.2%；碳为0.3%，然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.0g/cm3的齿（链）轮生坯。

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1120℃中进行烧结，烧结的时间为60分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是以氮气为基础、氢气的比例在10vol%的烧结炉中进行；

④挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×8%；

⑤热处理：渗碳热处理后，渗碳温度900℃，渗碳保温时间120分钟，碳势0.9%，回火温度为200℃，保温130分钟。

实施例九:

①准备好原料，即铁镍和碳的混合粉，其配比为：雾化铁粉为96.8%；碳为0.70%，镍粉为2%，然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.10g/cm³的齿（链）轮生坯；

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1200℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在真空烧结炉中进行；冷却至850℃进行退火，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.1℃/S；

④挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×8%；

⑤热处理：整体热处理，淬火保温850℃，，保温时间30分钟，碳势为0.7%，回火温度为200℃，保温120分钟。

实施例十:

①准备好原料，即铁铜和碳的混合粉，其配比为：雾化铁粉为96.8%；碳为0.70%，铜粉为2%，然后加入含量为0.5%的润滑剂；

②将上述混合粉在600MPa的压力下压制为密度7.10g/cm3的齿（链）轮生坯；

③烧结，将该齿（链）轮零件在温度1200℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在真空烧结炉中进行；

④退火：退火温度为850℃；气氛为氮气，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.1℃/S；

⑤挤压（精整）：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压变形量L2为(da-d)/2×8%，而对于内齿轮，则L2≥(d-da)/2×2%，其中，da为齿顶圆直径，d为齿根圆直径，见图1和图2。对于外齿而言，挤压模阴模（凹模）至少分为两个部分：导向段和定径段。对于内齿而言，芯棒至少分为两个部分：导向段和定径段。结构示意图见图6，8所示；

⑥热处理：高频淬火和回火。

Claims (7)

1.一种粉末冶金齿轮、链轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)准备好原料，将碳、铁、铬、钼、铜、镍按以下质量百分比混合成混合粉，配比为碳：0.1～1.5％，铜：0～4％，镍：0～5％，钼：0～2％，铬：0～18％，不超过2％的不可避免的杂质，铁：余量；

其中，铬、钼、铜、镍以铁合金或母合金形式加入，碳以石墨形式加入，然后加入质量百分比含量为0.1～1％的润滑剂；

2)将上述混合粉在压力大于400MPa的压机上压制成密度为6.6～7.4g/cm³的齿轮或链轮生坯；

3)将上述齿轮或链轮生坯在温度1000℃～1350℃中进行烧结，烧结的时间为5～180分钟；

4)在非氧化性气氛中进行退火或者不选用退火，退火温度为750～1080℃，退火保温时间5～200分钟，对于碳含量低于0.3％且钼、铬、镍和铜合金总含量低于2％的齿轮或者链轮；

5)挤压：通过挤压成型机或精整压机改装的压机上进行挤压，挤压量L2大于齿顶圆与齿根圆直径之差的2％，即L2≥(da-d)/2×2％，对于内齿轮，则挤压量L2大于齿根圆与齿顶圆直径之差的2％，则L2≥(d-da)/2×2％，其中，da为齿顶圆直径，d为齿根圆直径；

6)热处理：淬火温度为750～1250℃，保温10～240分钟，回火温度为150～600℃，保温5～200分钟，对于烧结后碳含量大于0.4％的齿轮或链轮采用高频或中频热处理，热处理的硬化层深度0.2～5mm，回火温度为150～600℃，保温5～200分钟，或采用高频或中频感应回火；

所述步骤5)挤压为均匀挤压或非均匀挤压，当采用非均匀挤压时，挤压量L2为最大的变形量，在挤压过程中，对于外齿而言，挤压模阴模至少分为导向段和定径段两个部分，对于内齿而言，芯棒至少分为导向段和定径段两个部分。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)的润滑剂及石墨采用粘接处理方式加入。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)压制采用温压成形或模具加热成形，压机的压制压力为600Mpa。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)烧结是在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比例为1～75vol％的烧结炉中进行。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)退火后，从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.5℃/S。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)、步骤4)的烧结和退火两道工序合二为一，在烧结结束后将温度控制在退火温度进行保温，按照退火的时间和冷却要求降到室温即可。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6)热处理结束后，还增加喷丸处理。