CN105234411B - 一种粉末冶金制相位器转子的制备方法 - Google Patents
一种粉末冶金制相位器转子的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种粉末冶金制相位器转子的制备方法，步骤：将铝粉、高合金母粉、铜粉、镍粉及有机润滑剂按下述质量比例混合：铜4.0～5.0％，镁0.5～1.0％，铁0.5～1.0％；镍2.0～2.5％，硅0.5～1.0％，有机润滑剂：0.8～1.5％，不超过2％的不可避免杂质，余量为铝；压制成形得到粉末冶金生坯，然后烧结，固溶淬火处理，复压精整，时效处理，最后对转子进行车削加工，达到最终尺寸要求。本发明与烧结钢材质的转子相比，压制性能好，速度更快，压制成本降低；烧结铝合金的温度远低于烧结钢，烧结过程中能耗降低，并且粉末冶金铝转子的加工性能更好，在运输和存储过程中不需要进行表面防护处理；与压铸或挤压铝合金转子相比，粉末冶金是一种近净成形的技术，铝合金原材料利用率高，生产效率高，生产成本低。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体是一种粉末冶金制相位器转子的制备方法，应用于发动机可变气门正时***。
背景技术
可变气门正时能优化气门特性参数，改善发动机进、排气性能，较好的满足发动机在高转速与低转速、大负荷与小负荷时动力性、经济性、废气排放的要求，整体提高发动机综合性能。按结构形式分类，液压连续可变相位器大体可分为叶片式和柱塞式两大类。叶片式连续可变凸轮相位器***通过内部油压作用于叶片使其偏转，实现了相位角的无级调节，在相同的情况下，相位调节范围和响应速度方面有了大幅度提升，而且在起动、怠速等的锁止装置也充分保障了***的可靠性，使发动机性能获得相比其它相位器有更大的改善。叶片式凸轮相位器的主要部件由定子和转子组成，定子与传动齿轮固定连接，后者通过轴向中心螺栓与凸轮轴抗扭矩连接，其中，转子作为叶轮构成。
目前在可变气门正时***行业，叶片式相位器转子通常采用烧结钢或压铸、挤压铝合金制造。烧结钢转子致密度大约在90％，存在连通的孔隙，可能发生油泄漏，精加工时费用很高，较重。随着汽车轻量化的要求，出现了铝合金相位器转子，制造形式为压铸或挤压型材后机加工，加工量大，加工成本高，材料利用率低，由于制造方法的限制，材料成分相对固定，合金元素不能随意变化，不能制造含有高硅含量或含有碳化硅颗粒的产品。压铸件存在一些固有缺陷，比如：在浇铸时，熔液前端的温度太低，相叠时产出痕迹(冷纹)；容易产生气孔、缩孔等缺陷，显微组织不均匀，表面晶粒较细，心部晶粒粗大，严重影响零件的力学性能；大多数压铸铝合金不可热处理，所以强度不高。挤压变形铝合金转子可进行热处理强化，力学性能较高，但生产工艺复杂，对于形状复杂及精度要求高的产品，需要进行大量的机加工，生产成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、生产效率高、成本低的粉末冶金制相位器转子的制备方法，可适合批量生产，制得的粉末冶金制相位器转子具有较好的力学性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种粉末冶金制相位器转子的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
1)将铝粉、Al-Mg合金母粉、Al-Si合金母粉、Al-Fe合金母粉、铜粉、镍粉及有机润滑剂按下述质量比例混合成混合粉，使得各元素在总组分中的质量百分含量为：铜4.0～5.0％，镁0.5～1.0％，铁0.5～1.0％；镍2.0～2.5％，硅0.5～1.0％，有机润滑剂：0.8～1.5％，不超过2％的不可避免杂质，余量为铝；
2)使用模具压制成形得到粉末冶金生坯，成形压力200～600MPa，成形密度大于2.50g/cm3；
3)将粉末冶金生坯置于烧结炉中进行烧结，烧结温度为580～605℃，烧结时间30～90min，烧结坯密度2.60～2.70g/cm3，烧结气氛可为真空或高纯氮气。
4)接着进行固溶处理，固溶温度520～540℃，固溶保温时间30～60min，淬火；
5)将淬火处理后的烧结坯进行复压精整，复压精整变形量大于5％；
6)对零件进行时效处理，时效温度为175～195℃，时效时间6～14h；
7)对转子进行车削加工，达到最终尺寸要求；
8)对零件进行喷砂去除毛刺。
作为优选，所述步骤1)的铝粉采用高纯度雾化铝粉，该雾化铝粉中氧含量小于0.2(wt)％，压制性能在250MPa下大于2.60g/cm3，松装密度大于1.05g/cm3，流速25～30s/50g，平均粒度为150±10μm之间。
作为优选，所述步骤1)的Al-Mg合金母粉中Mg含量为19～51(wt)％，含氧量小于0.2(wt)％，平均粒度为5～8μm；Al-Si合金母粉中Si含量为36～38(wt)％，含氧量小于0.2(wt)％，平均粒度为10～15μm；Al-Fe合金粉中Fe含量为9～11(wt)％，含氧量小于0.2(wt)％，平均粒度为10～15μm，铜粉为电解铜粉，铜含量≥99.9(wt)％，平均粒度为8～10μm；镍粉为羰基镍粉，镍含量≥99.9(wt)％，平度粒度为3.0～5.5μm。
作为优选，所述步骤1)的有机润滑剂为蜡类或酰胺类润滑剂。
作为优选，所述步骤2)模具采用硬质合金阴模和高速钢模冲，成形压力为250～400MPa。
作为改进，所述步骤4)的淬火介质为水，淬火转移时间≤10s。
再改进，所述步骤5)的复压精整需在固溶-淬火处理后4小时内进行，复压精整在整形压机上，在整形模具中进行全整形。整形可矫正因烧结而引起的粉末冶金转子的变形，使零件更接近图纸尺寸，同时为下一步的时效提供形变，缩短时效时间。
再改进，所述步骤6)的时效处理需在复压精整后2小时内进行。
作为优选，所述步骤7)的车削加工采用金刚石刀具。
作为改进，所述步骤8)喷砂采用的磨料为氧化铝颗粒或钢砂，颗粒尺寸小于200μm，喷砂时间大于30秒。
与现有技术相比，本发明的优点在于：提供了一种材料利用率高，生产成本低，适合于大批量生产的铝合金转子生产方法，与烧结钢材质的转子相比，铝合金粉压制性能好，压制时所需压力仅为铁粉的一半，这样就使得压制模具具有较长的使用寿命，压制速度更快，压制成本降低；烧结铝合金的的温度远低于烧结钢，烧结过程中能耗降低；烧结过程中仅需要氮气作为保护气氛，经济效益提高；粉末冶金铝转子的加工性能更好，包括加工速度更快，表面粗糙度好，刀具寿命长；在运输和存储过程中不需要进行表面防护处理。与压铸或挤压铝合金转子相比，粉末冶金是一种近净成形的技术，铝合金原材料利用率高，生产效率高，生产成本低。
附图说明
图1是本发明的粉末冶金制相位器转子的结构示意图；
图2(a)是本发明的粉末冶金铝合金相位器转子所用纯铝粉粉末颗粒形貌图；
图2(b)是本发明的粉末冶金铝合金相位器转子所用Al-Mg合金粉的粉末颗粒形貌图；
图2(c)是本发明的粉末冶金铝合金相位器转子所用Al-Si合金粉的粉末颗粒形貌图；
图2(d)是本发明的粉末冶金铝合金相位器转子所用Al-Fe合金粉的粉末颗粒形貌图；
图2(e)是本发明的粉末冶金铝合金相位器转子所用电解铜粉的粉末颗粒形貌图；
图2(f)是本发明的粉末冶金铝合金相位器转子所用羰基镍粉的粉末颗粒形貌图；
图3是本发明的粉末冶金制相位器转子烧结后的孔隙照片；
图4是本发明的粉末冶金制相位器转子热处理后的显微组织照片。
具体实施方式
根据本发明的特点，采用元素粉末进行配料设计铝铜镁铁镍系合金材料，元素粉末通过混合后室温压制成型，然后在真空烧结炉或网带炉中烧结，烧结产品再进行固溶、整形、时效、机加工、去毛刺处理，得到尺寸及性能均满足使用性能的相位器转子。
实施例1
1、将铝粉、高合金母粉(Al-Mg合金母粉、Al-Si合金母粉、Al-Fe合金母粉)、铜粉、镍粉及有机润滑剂按下述质量比例混合，使得各元素在总组分中的质量百分含量为：铜5.0％，镁0.55％，铁0.55％；镍2.2％，硅0.8％，蜡类润滑剂：1.0％，不超过2％的不可避免杂质，余量为铝；其中Mg以Al-Mg母合金粉的形式加入，Al-Mg合金母粉中Mg含量为50(wt)％；Si以Al-Si母合金粉的形式加入，Al-Si合金母粉中Si含量为25(wt)％；Fe以Al-Fe母合金粉的形式加入，Al-Fe合金粉中Fe含量为10(wt)％；铜以电解铜粉的形式加入；镍以羰基镍粉的形式加入。混料时采用双锥混料机，混料机转速为15rpm，混料时间30min。
2、将混合均匀的转子材料粉末，在设计的模具中成形压强为250MPa，压制成形得到粉末冶金铝转子生坯，生坯的成形密度为2.60g/cm3。
3、将压制成形的粉末冶金转子置于连续烧结炉的网带上进行烧结。烧结温度为580℃，烧结气氛为高纯氮气，氮气露点低于-45℃，烧结时间90分钟，粉末冶金转子的烧结致密度为92％。
4、去毛刺后粉末冶金转子进行固溶、淬火处理，固溶温度为520℃，固溶保温时间为60min，淬火介质为水，淬火转移时间≤10s。
5、将固溶-淬火处理后的转子在4小时内进行复压精整，复压精整在整形压机上，在整形模具中进行全整形，整形变形量为8％。
6、经精整后的转子在2小时内进行时效处理，175℃，时效时间14h。
7、按相位器转子图纸，对转子的两平面进行精密车削。
8、对零件进行喷砂去毛刺处理。
实施实例1所制得的转子与烧结钢材质的转子性能对比：
表1 粉末铝材质与钢材质转子的性能对比
实施例2
1、将铝粉、高合金母粉(Al-Mg合金母粉、Al-Si合金母粉、Al-Fe合金母粉)、铜粉、镍粉及有机润滑剂按下述质量比例混合，使得各元素在总组分中的质量百分含量为：铜4.5％，镁0.80％，铁0.80％；镍2.0％，硅0.55％，蜡类润滑剂：1.2％，不超过2％的不可避免杂质，余量为铝；其中Mg以Al-Mg母合金粉的形式加入，Al-Mg合金母粉中Mg含量为25(wt)％；Si以Al-Si母合金粉的形式加入，Al-Si合金母粉中Si含量为37(wt)％；Fe以Al-Fe母合金粉的形式加入，Al-Fe合金粉中Fe含量为10(wt)％；铜以电解铜粉的形式加入；镍以羰基镍粉的形式加入。混料时采用双锥混料机，混料机转速为15rpm，混料时间30min。
2、将混合均匀的转子材料粉末，在设计的模具中成形压强为400MPa，压制成形得到粉末冶金铝转子生坯，生坯的成形密度为2.65g/cm3。
3、将压制成形的粉末冶金转子置于连续烧结炉的网带上进行烧结。烧结温度为595℃，烧结气氛为高纯氮气，氮气露点低于-45℃，烧结时间60分钟，粉末冶金转子的烧结致密度为92％。
4、去毛刺后粉末冶金转子进行固溶、淬火处理，固溶温度为520℃，固溶保温时间为60min，淬火介质为水，淬火转移时间≤10s。
5、将固溶-淬火处理后的转子在4小时内进行复压精整，复压精整在整形压机上，在整形模具中进行全整形，整形变形量为8％。
6、经精整后的转子在2小时内进行时效处理，175℃，时效时间14h。
7、按相位器转子图纸，对转子的两平面进行精密车削。
8、对零件进行喷砂去毛刺处理。
实施例3
1、将铝粉、高合金母粉(Al-Mg合金母粉、Al-Si合金母粉、Al-Fe合金母粉)、铜粉、镍粉及有机润滑剂按下述质量比例混合，使得各元素在总组分中的质量百分含量为：铜4.5％，镁1.0％，铁0.80％；镍2.0％，硅1.0％，酰胺类润滑剂：1.5％，不超过2％的不可避免杂质，余量为铝；其中Mg以Al-Mg母合金粉的形式加入，Al-Mg合金母粉中Mg含量为25(wt)％；Si以Al-Si母合金粉的形式加入，Al-Si合金母粉中Si含量为37(wt)％；Fe以Al-Fe母合金粉的形式加入，Al-Fe合金粉中Fe含量为10(wt)％； 铜以电解铜粉的形式加入；镍以羰基镍粉的形式加入。混料时采用双锥混料机，混料机转速为15rpm，混料时间30min。
2、将混合均匀的转子材料粉末，在设计的模具中成形压强为400MPa，压制成形得到粉末冶金铝转子生坯，生坯的成形密度为2.65g/cm3。
3、将压制成形的粉末冶金转子置于真空烧结炉中进行烧结。烧结温度为598℃，真空度为0.01Pa，烧结时间45分钟，粉末冶金转子的烧结致密度为95％。
4、去毛刺后粉末冶金转子进行固溶、淬火处理，固溶温度为540℃，固溶保温时间为45min，淬火介质为水，淬火转移时间≤10s。
5、将固溶-淬火处理后的转子在4小时内进行复压精整，复压精整在整形压机上，在整形模具中进行全整形，整形变形量为8％。
6、经精整后的转子在2小时内进行时效处理，185℃，时效时间10h。
7、按相位器转子图纸，对转子的两平面进行精密车削。
8、对零件进行喷砂去毛刺处理。
实施例4
1、将铝粉、高合金母粉(Al-Mg合金母粉、Al-Si合金母粉、Al-Fe合金母粉)、铜粉、镍粉及有机润滑剂按下述质量比例混合，使得各元素在总组分中的质量百分含量为：铜5.0％，镁0.55％，铁0.55％；镍2.2％，硅0.8％，酰胺类润滑剂：1.0％，不超过2％的不可避免杂质，余量为铝；其中Mg以Al-Mg母合金粉的形式加入，Al-Mg合金母粉中Mg含量为50(wt)％；Si以Al-Si母合金粉的形式加入，Al-Si合金母粉中Si含量为25(wt)％；Fe以Al-Fe母合金粉的形式加入，Al-Fe合金粉中Fe含量为10(wt)％；铜以电解铜粉的形式加入；镍以羰基镍粉的形式加入。混料时采用双锥混料机，混料机转速为15rpm，混料时间30min。
2、将混合均匀的转子材料粉末，在设计的模具中成形压强为400MPa，压制成形得到粉末冶金铝转子生坯，生坯的成形密度为2.65g/cm3。
3、将压制成形的粉末冶金转子置于真空烧结炉中进行烧结。烧结温度为598℃，真空度为0.01Pa，烧结时间45分钟，粉末冶金转子的烧结致密度为95％。
4、去毛刺后粉末冶金转子进行固溶、淬火处理，固溶温度为540℃，固溶保温时间为45min，淬火介质为水，淬火转移时间≤10s。
5、将固溶-淬火处理后的转子在4小时内进行复压精整，复压精整在整形压机上，在整形模具中进行全整形，整形变形量为8％。
6、经精整后的转子在2小时内进行时效处理，185℃，时效时间10h。
7、按相位器转子图纸，对转子的两平面进行精密车削。
8、对零件进行喷砂去毛刺处理。
Claims (10)
1.一种粉末冶金制相位器转子的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
1)将铝粉、Al-Mg合金母粉、Al-Si合金母粉、Al-Fe合金母粉、铜粉、镍粉及有机润滑剂按下述质量比例混合成混合粉，使得各元素在总组分中的质量百分含量为：4.5％≤铜≤5.0％，0.5％＜镁≤1.0％，0.5％≤铁＜1.0％；2.0％＜镍≤2.5％，0.8≤硅≤1.0％，有机润滑剂：0.8～1.5％，不超过2％的不可避免杂质，余量为铝；
2)使用模具压制成形得到粉末冶金生坯，成形压力200～450MPa，成形密度大于2.5g/cm3；
3)将粉末冶金生坯置于烧结炉中进行烧结，烧结温度为580～605℃，烧结时间30～90分钟，烧结坯密度2.60～2.70g/cm3；
4)接着进行固溶处理，固溶温度520～540℃，固溶保温时间30～60min，淬火；
5)将淬火处理后的烧结坯进行复压精整，复压精整变形量大于5％；
6)对零件进行时效处理，时效温度为175～195℃，时效时间6～14h；
7)对转子进行机加工，达到最终尺寸要求；
8)对零件进行喷砂去毛刺处理。
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)的铝粉采用高纯度雾化铝粉，该雾化铝粉中氧含量小于0.2(wt)％，压制性能在250MPa下大于2.60g/cm3，松装密度大于1.05g/cm3，流速25～30s/50g，平均粒度为150±10μm之间。
3.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Al-Mg合金母粉中Mg含量为19～51(wt)％，含氧量小于0.2(wt)％，平均粒度为5～8μm；Al-Si合金母粉中Si含量为25～38(wt)％，含氧量小于0.2(wt)％，平均粒度为10～15μm；Al-Fe合金粉中Fe含量为9～11(wt)％，含氧量小于0.2(wt)％，平均粒度为10～15μm，铜粉为电解铜粉，铜含量≥99.9(wt)％，平均粒度为8～10μm；镍粉为羰基镍粉，镍含量≥99.9(wt)％，平均粒度为3.0～5.5μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)的有机润滑剂为蜡类或酰胺类润滑剂。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)模具采用硬质合金阴模和高速钢模冲，成形压力为250～400MPa。
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)烧结是在真空或氮气保护气氛下进行；保护气氛为高纯氮时，氧含量低于10PPM，露点低于-40℃，烧结炉为网带炉；真空烧结时，真空度小于0.01Pa。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)的淬火介质为水，淬火转移时间≤10s。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)的复压精整需在固溶-淬火处理后4小时内进行，复压精整在整形压机上，在整形模具中进行全整形。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6)的时效处理需在复压精整后2小时内进行。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤8)去毛刺喷砂采用的磨料为氧化铝颗粒或钢砂，颗粒尺寸小于200μm，喷砂时间大于30秒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |