CN1059303A - 粉末冶金机械结构零件的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是制造粉末冶金机械结构零件的生产工 艺：先把符合颗粒度要求的金属粉末放入具有最终产 品形状的压烧零件模具型腔内进行热压成型烧结，再 把已成型的型坯放入精密模具和置于双向进给施压 的摆辗机中进行冷辗压致密，最后对工件进行二次自 由烧结。该工艺流程短、工效高，设备投入少，模具结 构简单，劳动环境好，节省能源，可以加工带法兰或多 段变直径呈台阶状的复杂零件，是目前实现粉末冶金 烧结机械结构零件的颇有发展前途的新技术。

Description

本发明涉及一种对金属粉末的成型烧结，并采用摆动辗压使烧结机械结构零件组织进一步致密并达到零件加工精度的工艺方法，属于用粉末冶金烧结制造机构结构零件的金属材料成型技术领域。

与烧结金属减摩零件、烧结金属摩擦零件相比较，烧结机械结构零件是粉末冶金工业中产量最大、应用面最广的一类产品，广泛用于汽车、农机、机床、液压件、办公机械、家用电器和轻工机械等。并且，随着工业技术水平的发展和提高，烧结机械结构零件的应用范围会日益扩大，其产品的需要量也会越来越大。据预测，到1985年和2000年，仅我国汽车行业对粉末冶金机械零件的需用量就要达到5500吨和13600吨。如此大的社会需求，必须要有先进的大规模工业性生产工艺和高度自动化的设备，才能适应和满足需求。

由于高强度的或形状复杂的机械结构零件要求具有高耐磨性、高机械强度和很高的几何尺寸精度，才能胜任工程实际应用。为此，用粉末冶金烧结制造的结构零件在烧结后都要进行合理的后序加工，例如：复压，复烧，热煅，表面硬化处理等等。其中从六十年代大规模发展的粉末热锻造是颇具代表性的制造烧结结构零件的工艺。八十年代中期德国克勒伯索格尔（krebsoge）公司推出了可以实际应用于批量生产的粉末锻造生产工艺，包括有粉末准备-压制成形-重量检测-烧结-涂复石墨-感应加热-热模锻造-介质中冷却。（参见《粉末冶金技术》1987年第8期P.186-P.187）这种粉末锻造工艺复杂，工序多，流程长，其中压制成型和热锻都要用大吨位的锻压设备，设备台数多，投资大，模具制造困难且使用寿命短，能耗也大，所以未能得到普及推广。八十年代，围绕着传统的粉末锻造整形的缺陷又发展了一种烧结结构件回转冷复压的技术（RCR）。该技术是对传统复压工艺技术的改进，但是这种工艺技术仍然需要进行冷压型坯。又如，在《粉末冶金》（《Powder  Metallurgy》）1983年第3期第129-135页中介绍的“用回转锻造烧结的予成型件的方法制造需件”，是先将金属粉末倒入模腔里后，用摆辗机进行单面单向压制成型，再进行烧结和把烧结后的予成型件再进行回转冷锻造。RCR法虽然省却了大吨位油压机，但它仍然需要有精密的成型模具，而且，大于20毫米厚度的（单面压制为保证工件密度均匀性的最大加工厚度为20毫米）、或变直径的呈台阶状的复杂形状结构零件，加工难度很大。再则，经过回转冷锻造以后的机械零件，其使用场所及工作条件都是有限制的。因为在冷复压致密化过程中还存在有机械结合部分和冷作硬化的应力存在，以及部分未能实现复压区域等缺陷，影响零件的疲劳寿命和机械物理性能。

本发明的目的是提供一种能克服上述现有技术缺陷的粉末冶金机械结构零件的生产工艺，并籍此解决机械结构零件的质量、社会需求和生产能力的各种矛盾。

本发明是一种生产粉末冶金机械结构零件的工艺方法。它是这样实现的：先把符合颗粒度要求的铁基、铜基或其他金属基的混合粉或予合金粉放入具有最终产品形状的、用耐热金属或非金属制成的压烧零件模具型腔内，再把此模具放入连续加压烧结炉中，在还原气氛中进行热压成型烧结，一次完成成型和烧结两道工序，使烧结零件获得一定的形状和致密度。加压烧结的工艺参数（温度、时间）对于铁基材料是900℃-1250℃和30-90分钟;对于铜基材料是700℃-900℃和10-40分钟，热压成型的压力最大为40-80兆泊（Mpa）;接着把已成型的零件型坯放入精密模具型腔里，置于双向进给施压的摆辗机中进行冷辗压致密：由下油缸推动下模向上施压进给，同时，上端摆头的上模在上油缸的推动下在零件的上端向下进给和作旋转辗压运动，由此获得连续局部双向加载。在此过程中，使零件在较小的加工负荷下产生适当的塑性变形，可较容易地消除晶格内的孔位，提高其致密化程度及尺寸精度;最后，再把工件进行二次自由烧结，使之增高组织致密度、消除冷作应力、使某些颗粒的机械结合转化为冶金结合和提高其机械强度。

本发明的特点是：1.把粉末热锻生产工艺及回转冷复压工艺中的冷压制成型和烧结两道工序合并成一道工序完成，节省了大吨位油压机和精密的冷压成型模具，缩短了工艺流程。2.与粉末热锻工艺相比，除工艺简单外，还节省了大吨位热锻机、热锻模和感应加热设备，节省了设备投资和能量消耗。3.与回转冷复压工艺相比，由于采用了上下双向进给施压和下部多层油缸柱塞施压的新型摆辗机，可以用较小的压力成功地完成厚度超过20毫米而不大于40毫米范围内的机械结构零件，使之基本完全致密化和可以加工带肩的或多段变直径的复杂零件，可以用较小的加工负荷使零件达到较高的密度，减少残余孔隙。4.再经过二次烧结，使零件在摆动辗压加工中的机械结合部分实现冶金结合，使冷作硬化部分消除应力，从而提高零件的物理机械性能和使用寿命。5.由于摆动辗压是连续、局部、稳定地加压于模具中的零件，并不是热锻中的冲击载荷及压力，加压的压力也大大小于热锻的数值，这样就使得模具的使用寿命大为延长，通常是原先使用寿命的10倍以上。这又使得劳动生产的效益获得很大提高。

本发明的工艺特点使之特别适合于加工形状复杂的和带肩、变直径的多台阶形状的机械零件。例如，变直径的盘、轮，带凸台的法兰和牙嵌离合器等。本发明对于加工平面结构零件尤其适宜，典型的产品有汽车用同步器齿环、平面螺旋齿圈，传动装置中的滑轮，差动装置中的伞齿轮，柴油机中的凸轮盘，摩托车离合器齿轮、链轮以及冲击电钻中的动静冲击块等。总之，利用本发明工艺生产的产品可以涉及机床、仪表、化工、石油、冶金、煤炭、铁路、交通、军工、轻纺等许多工业领域，它是粉末冶金这门金属材料成型技术的最新发展。

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明中法兰类多台阶形状零件的摆辗示意图。

图3是本发明中试验性实施的产品图（A）及其剖视图（B）。

图4是本发明对图3所示产品的摆辗加工示意图。

下面结合附图的工艺流程，具体介绍本发明。图1表示了本发明的工艺流程。首先是粉末准备，这里有两个含义：粉末粒度准备和重量准备。粉末可以是多种金属基的粉末：铁基粉末，铜基粉末或其它金属基的粉末，它们可以是予合金粉或混合粉。所使用的粉末应选取最好的颗粒度组成，其中通过325目筛网的要不低于50%，其余也应通过100目。并根据计算的零件重量和零件的结构复杂程度，使用称量法或容量法，将一定重量或容积的金属粉末放入零件的予制压烧模具型腔里。该模具一般具有零件的最终产品几何形状，其尺寸要保证工件在摆动辗压前留有：径向0.02-0.20毫米，轴向0.5-5毫米的整形、填充、挤压和精细加工的予留量。

该模具系根据不同的热成型温度和方法，选用耐热金属或非金属制成。接着将装好符合颗粒度和重量要求的金属粉末的模具放入烧结炉里，在还原气氛中进行加压成型烧结。加压成型烧结是在中国专利申请CN89106589.X所述的竖式加压连续烧结炉内利用其压力传递盘和工件在其自重的逐渐增压和外力施压的情况下，使工件实现在压力情况下通过予热、升温、保温、冷却的成型烧结过程。加压烧结的工艺参数（温度和时间）对于铁基粉末是900℃-1250℃摄氏度和30-90分钟，对于铜基粉末是700℃-900℃摄氏度和10-40分钟，加压成型的压力是40-80兆帕（MPa）。该工序的特点是，把常规的冷压成型和烧结两道工序合并成一道工序一次完成，节省了大型设备，缩短了工艺流程，提高了热利用率，减少了能源消耗。本工序为后续的辗压工序提供了基础，即提供了一定尺寸大小的零件型坯雏形，并使型坯的粉末颗粒的连结强度和致密度达到一定要求。零件热压成型的致密度一般要根据形状的复杂程度可控制在0.45-0.85的相对密度之间，以使其粉末填充复杂模具型腔的程度都能达到滚辗的要求，然后进入双向摆动辗压（ROTARY  FORGING）工序。把烧结好的零件型坯，放在精密的零件模具型腔中，置于双向进给施压的摆动辗压机上，进行冷辗压。其过程的示意参见图2。由图2可看出本发明的摆辗加工是一个复杂的双向施压并摆动辗压的过程。

图2中，1是工件该零件一端带法兰，另一端是具有不同直径、不同长短的、呈台阶圆柱形零件。2是摆辗机上锻模，是在上摆头上安装有一个具有工件上部法兰端面轮廓母线的上模构成的。3是型芯杆，装于工件中央。4是凹模，用于放置和固定工件。5是下外凸模，6是下内凸模，此两凸模是由摆辗机下端多层油缸的两个不同柱塞分别推动下向上运动而挤压工件成型的。在摆辗工作时，下端多层油缸的每个柱塞分别上升，推着法兰下端长短不同的两层圆柱形凸台的下凸模向上运动，同时，摆头上模除对法兰端面作摆动运动外，还向下作进给施压运动。由此完成一端带法兰、另一端为多层台阶结构零件的法兰边及多层台阶形状的零件成型。通过这一复杂施压过程，使得该零件各部分都能基本达到致密，增强其物理机械性能。

本发明所用的新型双向施压摆辗机，其结构和动作特征是：上摆头除作旋转摆动运动外，还有油缸推动上摆头作向下施压的进给运动，即还可实现上端模向下进给运动。上摆头上还可以安装一个具有工件上部法兰端面轮廓母线形状的上模来摆辗成型该法兰形状。工作台下部的下油缸则是由大油缸柱塞中镶嵌有小油缸的嵌套结构的两层以上的多个油缸及柱塞结构组成的。可以根据零件多段变直径台阶的数量来驱动相应的下部多层油缸，使之按规定尺寸要求向上进给施压，由此完成其双向施压的摆辗复杂过程。

摆动辗压的工艺参数如下：上模轴线与工件轴线的夹角为0°-3°，上锻模旋转速度为200-300转/分，辗压的压力范围为200-500兆泊（Mpa），通常，进给施压的上模旋转10-30圈就可以加工完成一个零件。

摆辗成型的零件接着被送入网带式烧结炉中，在还原气氛中进行二次自由烧结。二次烧结的工艺参数，即烧结温度和保温时间均可以与成型烧结时的相同，所区别的只是二次烧结时不再使用模具和不再加压。这一次烧结的效果是使工件的组织结构进一步改密，并使其经辗压后的颗粒间的机械结合部分变为冶金结合，消除冷作应力和进一步提高其机械强度。

最后，根据产品的使用要求按ISO有关规定对加工零件进行各项技术性能检验入库，或者进行后续的热处理工序，或者进行一些特殊的精细加工等。

经过对零件实验性的实施，更进一步展现了本发明的优势潜力。

实施的机械零件为吉普汽车变速器第二轴二、三档同步器齿环（参见图3），该产品齿数：30，模数：2.0767，锥度角：7度，锥孔直径：φ50，外形尺寸φ64/46×13毫米。具体实施条件是：先用QSn6-6-3予合金粉0.06公斤，压烧压力50兆帕（Mpa），温度：860度，烧结时间：20分钟的工艺参数，进行加压烧结，压烧后型坯密度达到0.68-0.70的理论密度。加压烧结过程已完成该零件（包括周向齿轮）的雏型，在该周向齿轮的上端面留有＜1毫米厚的加工工艺余量，是供双向摆辗时，上摆头向下施压后能确保周向齿轮的密度和尺寸精度而予留的。摆辗及双向进给时压力：220兆帕（Mpa），转速240转/分，施压时间约10秒。二次烧结温度：820度。时间：10分钟。对于未作螺纹及精细加工的实验样品的测试结果：密度：8.35g/cm³。硬度：HB60-65。二次烧结后，切削去掉周齿上端面工艺予留量及加工内锥孔螺纹，即完成了本零件的加工。

图4示意说明了该零件双向摆辗的工艺过程。图中10是该零件，11是摆辗机上锻模，12是零件型芯杆，13是下凸模，通过油缸柱塞推动其向上运动加压成型。14是固装工件用的凹模。

利用本发明加工上述零件的技术经济效益如下表所示：

零件名称	工艺	材料	设备	零件价格元／件	节约
						变速器第二轴二、三档同步器齿环	精密锻造传统工艺	ZQSn6－6－3	800吨冲床	10.80
热压－－摆辗新工艺	QSn6－6－3予合金粉末	NRT100H摆辗机	5.12	5.68元／件

综上所述，本发明是实现粉末冶金烧结机械结构零件工业性自动化生产的一种颇具前途的新技术。

Claims (5)

1、一种制造粉末冶金机械结构零件的生产工艺方法，其特征在于：首先把符合颗粒度要求的铁基、铜基或其他金属基的混合粉或予合金粉放入具有最终产品形状的、用耐热金属或非金属制成的压烧零件模具型腔内，再把此模具放入连续加压烧结炉中，在还原气氛中进行热压成型烧结，加压烧结的工艺参数(温度、时间)对于铁基材料是900℃-1250℃和30-90分钟；对于铜基材料是700℃-900℃和10-40分钟，热压成型的压力最大为40-80兆泊(Mpa)；接着把已成型的型坯放入精密模具型腔里，置于双向进给施压的摆辗机中，进行冷辗压致密；最后把工件进行二次自由烧结，使之增高组织致密度、消除冷作应力，把某些颗粒的机械结合转化为冶金结合和提高其机械强度。

2、如权利要求1所述的制造粉末冶金机械结构零件的生产工艺方法，其特征在于所准备的金属基混合粉或予合金粉末，其颗粒度要全部通过100目筛网，其中通过325目筛网的要不低于50%。

3、如权利要求1所述的制造粉末冶金机械结构零件的生产工艺方法，其特征在于所述的零件予制压烧模具应具有零件的最终产品几何形状，其尺寸要保证工件在摆动辗压前留有：径向0.02-0.20毫米，轴向0.5-5毫米的整形、填充、挤压和精细加工的予留量。

4、如权利要求1所述的制造粉末冶金机械结构零件的生产工艺方法，其特征在于在双向进给施压的摆辗机中进行冷辗压致密的工艺参数为：上模轴线与工件轴线夹角为0℃-3℃，上锻模旋转速度为200-300转/分，辗压的压力范围为200-500兆泊（MPa）。

5、如权利要求1所述的制造粉末冶金机械结构零件的生产工艺方法，其特征在于将冷辗压后的零件放在烧结炉中进行二次自由烧结时工艺参数，对于铁基和铜基粉末材料，均与第一次烧结时的工艺参数相同。

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