CN111804918A - 一种粉末冶金零件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉末冶金零件及其制备方法，属于粉末冶金技术领域。该粉末冶金零件的制备方法包括以下步骤：对粉末冶金零件预制坯的表面进行振动挤压。该方法能够提供均匀的挤压力，使粉末冶金零件预制坯的表层金属塑性流动和表层致密化更均匀，并且，该方法加工容易，能够较好地确保粉末冶金零件的形状和尺寸精度，同时，还能降低挤压载荷，减少挤压模具的磨损，延长挤压模具寿命，提高粉末冶金零件的加工质量和力学性能。制备所得的粉末冶金零件挤压载荷低，挤压后表面质量好，回弹量小，致密层的致密化更均匀，硬度高，耐磨性好。

Description

一种粉末冶金零件及其制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体而言，涉及一种粉末冶金零件及其制备方法。

背景技术

粉末冶金技术在汽车、机械等零件的制造中具有节约能源、生产效率高、生产流程短、污染少、近净成形等优点。但是，采用传统混料、压制、烧结工艺生产的粉末冶金零件往往残存有较多粗大孔隙(致密度低)，严重削弱了粉末冶金零件的强度、硬度等力学性能，大大限制了粉末冶金零件的应用范围。大量工程实践表明，绝大多数零件的破坏首先发生在零件表面，继而引发最终破坏。提高零件的表面力学性能可以显著提高零件的整体性能和使用寿命，大幅扩大其应用范围。粉末冶金表面致密化强化技术即为此而开发。该技术通过选择性提高粉末冶金零件的表层致密度，达到显著提高粉末冶金零件的力学性能和使用寿命的目的，进而扩大粉末冶金零件的应用范围。

粉末冶金零件表面致密化强化技术首先采用传统粉末冶金工艺(粉末混合——压制成形——烧结)制造与最终零件的形状和尺寸近似的粉末冶金零件烧结坯，该近似的粉末冶金零件烧结坯通常称为最终粉末冶金零件的预制坯；然后，对粉末冶金零件预制坯的表面施加一定的压力进行表层塑性加工，使得预制坯的表层金属发生塑性流动，填充预制坯表层的粗大孔隙，使得预制坯的表层高致密化，在预制坯的表层形成厚度约0.1-1mm，孔隙率小于2％的高致密层，并成形出最终零件的形状和尺寸，从而制造出高性能、长寿命的粉末冶金零件。实际生产中，根据零件的力学性能要求，可以对粉末冶金零件进行进一步的热处理，以进一步提高其力学性能。

现有粉末冶金零件的制造技术，按不同的粉末冶金零件预制坯的表面致密化加工方法，可主要分为三种：(1)表面喷丸致密化强化；(2)表面滚压致密化强化；(3)表面直接挤压致密化强化。

但目前的这些制造技术容易造成预制坯表层的致密化均匀性差，影响最终粉末冶金零件的表层致密度和力学性能，并且最终零件的形状和尺寸精度不易保证。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粉末冶金零件的制备方法以及制备得到的粉末冶金零件以克服上述技术问题。

本发明是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种粉末冶金零件的制备方法，包括以下步骤：对粉末冶金零件预制坯的表面进行振动挤压。

在可选的实施方式中，将挤压模具于往复运动状态下对预制坯的表面进行振动挤压。其中，往复运动方向为挤压模具的轴线方向。

在可选的实施方式中，可将挤压模具固定，粉末冶金零件预制坯往复运动以对粉末冶金零件预制坯的表面进行振动挤压，其中，粉末冶金零件预制坯的往复运动方向也为挤压模具的轴线方向。

在可选的实施方式中，每次往复运动过程中，挤压模具的前进距离大于回退距离。

在可选的实施方式中，挤压模具包括挤压阴模或挤压芯棒。

在可选的实施方式中，挤压模具具有台阶，优选为单台阶。

在可选的实施方式中，粉末冶金零件预制坯的表面包括粉末冶金零件预制坯的外侧表面和/或粉末冶金零件预制坯的内孔表面。

在可选的实施方式中，振动挤压过程中，挤压模具与粉末冶金零件预制坯的表面之间填充有润滑剂。

在可选的实施方式中，振动挤压的振动频率为0.1-1000Hz，振幅为0.1-50mm。

在可选的实施方式中，每个振动周期内的挤压进给量为0.01-5mm，挤压进给量为前进距离减去回退距离的值。

在可选的实施方式中，振动挤压过程中，垂直于挤压模具的运动方向的挤压变形量为0.05-5mm。

在可选的实施方式中，挤压模具的台阶角度为1-89°。

在可选的实施方式中，粉末冶金零件预制坯主要经以下步骤制得：烧结粉末冶金零件预制坯生坯。

在可选的实施方式中，烧结温度为粉末冶金零件预制坯生坯中主要成分材料熔点的0.45-0.9倍。

在可选的实施方式中，烧结时间为5-150min。

在可选的实施方式中，粉末冶金零件预制坯生坯主要由按配比混合后的原料压制而得。

在可选的实施方式中，粉末冶金零件预制坯生坯的孔隙率低于30％。

在可选的实施方式中，压制过程中预留有0.05-5mm的挤压变形量。

在可选的实施方式中，还包括在振动挤压后进行热处理。

在可选的实施方式中，热处理包括淬火处理以及低温回火处理。

在可选的实施方式中，淬火处理包括高频感应加热淬火或渗碳淬火。

在可选的实施方式中，渗碳淬火是于800-1000℃的条件下进行20-200min的渗碳处理，随后再淬火；优选地，渗碳是于920℃的条件下进行120min。

在可选的实施方式中，低温回火处理的温度为100-250℃，优选为200℃。

第二方面，本申请提供一种粉末冶金零件，由如前述的制备方法制备而得。

本发明的有益效果包括：

本申请所涉及的振动挤压方式能够为预制坯的表面提供均匀的挤压力，使粉末冶金零件预制坯的表层金属塑性流动和表层致密化更均匀，并且，该方法加工容易，能够较好地确保粉末冶金零件的形状和尺寸精度，同时，还能降低挤压载荷，减少挤压模具的磨损，延长挤压模具寿命，提高粉末冶金零件的加工质量和力学性能。制备所得的粉末冶金零件挤压载荷低，挤压后表面质量好，回弹量小，致密层的致密化更均匀，硬度高，耐磨性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本申请中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例和说明书中的内容，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为表面喷丸致密化强化方法的原理图；

图2为表面滚压致密化成形加工方法的原理图；

图3为多级变径组合挤压模具表面一次直接挤压致密化成形加工方法原理图；

图4为单或者多台阶变截面的整体挤压阴模表面一次直接挤压致密化成形加工方法原理图；

图5为单或者多台阶变截面的整体挤压芯棒表面一次直接挤压致密化成形加工方法原理图；

图6为表面致密化粉末冶金零件外侧表面振动挤压致密化成形加工方法原理图；

图7为表面致密化粉末冶金零件内孔表面振动挤压致密化成形加工方法原理图；

图8为粉末冶金零件预制坯在表面振动挤压过程中挤压模具位移随时间变化曲线图；

图9(a)至图9(c)分别为对照组1、对照组2以及实施例1所得的粉末冶金耐磨环的外观照片；

图10为对照组2以及实施例1中的预制坯在挤压过程中的载荷-位移曲线对比图；

图11至图13分别为对照组1、对照组2以及实施例1所得的粉末冶金耐磨环外侧表面的微观孔隙形貌照片；

图14为制备过程中使用的振动挤压阴模内径以及对照组2和实施例1所得的粉末冶金耐磨环的外径尺寸对比图；

图15为对照组1、对照组2以及实施例1所得的粉末冶金耐磨环外侧表层硬度对比图；

图16为对照组1、对照组2以及实施例1所得的粉末冶金耐磨环的外侧表面，在相同磨损条件下的磨损量对比图；

图17和图18分别为对照组3以及实施例2所得的粉末冶金耐磨环内孔表面的微观孔隙形貌照片；

图19为实施例3所得的表面振动挤压粉末冶金齿轮齿部表面的微观孔隙形貌照片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的粉末冶金零件及其制备方法进行具体说明。

目前，粉末冶金零件的表面致密化成形加工方法分类主要包括粉末冶金零件表面喷丸致密化强化技术、粉末冶金零件表面滚压致密化强化技术以及粉末冶金零件表面直接挤压致密化强化技术。其中，粉末冶金零件表面挤压致密化强化技术又主要分为多级变径组合挤压模具表面直接挤压致密化强化技术以及单(多)台阶变截面整体挤压模具表面直接挤压致密化强化技术。

在上述加工方法中，表面喷丸致密化强化技术的原理如图1所示。具体的，通过高压气体将大量钢丸从喷丸枪中吹出，利用吹出的高速钢丸持续地撞击粉末冶金零件预制坯的表面，使预制坯表层的原始粗大孔隙在钢丸的撞击力作用下被压缩闭合，在预制坯的表面形成仅残留少量细小微孔的高致密层，从而制造具有高的表面力学性能和最终形状、尺寸的粉末冶金零件。在表面喷丸致密化强化过程中，喷枪和粉末冶金零件预制坯发生相对移动：预制坯固定，喷枪绕预制坯移动；或者喷枪固定，预制坯旋转，以完成预制坯表面的喷丸致密化强化加工。

表面滚压致密化强化技术的原理如图2所示。具体的，将粉末冶金零件预制坯置于两个形状特征相同的主动(驱动)滚轮和从动(被动)滚轮之间进行反复滚压，使得预制坯表层的原始粗大孔隙在滚轮的滚压力作用下被压缩闭合，在预制坯的表面形成仅残留极少量细小微孔的高致密层，从而滚压出具有高的表面力学性能和最终形状、尺寸的粉末冶金零件。在表面滚压开始前，两个滚轮首先分开，然后装入粉末冶金零件预制坯；之后，主动滚轮以一定转速和进给量对预制坯进行反复滚压，直到预制坯表面的总滚压量达到预设值，实现预制坯的表面滚压致密化强化，同时获得最终零件要求的形状和尺寸；最后，两个滚轮再分开，取出滚压后的预制坯，即制得表面致密化强化的粉末冶金零件，滚压过程结束。

表面直接挤压致密化强化技术的原理为：将粉末冶金零件的预制坯从尺寸变化的挤压模具中一次直接挤出，迫使预制坯表层的粗大孔隙在侧向压力作用下被压缩闭合，在预制坯的表面形成仅残留极少量细小微孔的高致密层，从而挤压出具有高的表面力学性能和最终形状、尺寸的粉末冶金零件。

该技术中利用多级变径组合挤压模具对粉末冶金零件的预制坯进行表面直接挤压，制造具有高的表面力学性能和最终形状、尺寸的粉末冶金零件的方法的原理和过程如图3所示。具体的，粉末冶金零件预制坯通过多级变径的组合挤压模具，进行表面一次直接挤压致密化的过程：挤压头推动粉末冶金零件的预制坯从由多级内径逐渐缩小的模板组合而成的组合挤压模具(各变径模板之间用压板、螺栓等紧固，无相对滑动)中挤过，迫使预制坯的外径缩小，表层金属发生塑性变形，使得预制坯表层的粗大孔隙在侧向压力作用下被压缩闭合，在预制坯的表面形成仅残留少量细小微孔的高致密层，从而挤压出具有高的表面力学性能和最终形状、尺寸的粉末冶金零件。

另一种是利用单或者多台阶变截面整体挤压模具对粉末冶金零件的预制坯进行表面直接挤压，制造具有高的表面力学性能和最终形状、尺寸的粉末冶金零件，该方法的原理如图4和图5所示。该表面直接挤压致密化方法可用于挤压粉末冶金零件预制坯的外侧表面(如图4以多台阶变截面整体挤压阴模为例)，也可用于挤压粉末冶金零件预制坯的内孔表面(如图5以多台阶变截面整体挤压芯棒为例)。

图4粉末冶金零件预制坯通过单或者多台阶变截面的整体挤压阴模，进行表面一次直接挤压致密化的过程为：挤压头推动粉末冶金零件的预制坯从单或者多台阶变截面的整体挤压阴模中挤过，迫使预制坯的外径缩小，外侧表层金属发生塑性变形，使得预制坯外侧表层的粗大孔隙在侧向压力作用下被压缩闭合，在预制坯的外侧表面形成仅残留少量细小微孔的高致密层，从而挤压出具有高的表面力学性能和最终形状、尺寸的粉末冶金零件。

图5粉末冶金零件预制坯通过单或者多台阶变截面的整体挤压芯棒，进行表面一次直接挤压致密化的过程为：挤压头推动粉末冶金零件的预制坯从单或者多台阶变截面的整体挤压芯棒的***挤过，迫使预制坯的内孔扩大，内孔表层金属发生塑性变形，使得预制坯内孔表层的粗大孔隙在侧向压力作用下被压缩闭合，在预制坯的内孔表层形成仅残留少量细小微孔的高致密层，从而挤压出具有高的表面力学性能和最终形状、尺寸的粉末冶金零件。

发明人通过对上述常用的各种表面致密化加工方法进行研究，发现上述各类加工方法具有以下缺陷，并对应给出了造成这些缺陷的原因。

其中，表面喷丸致密化强化技术利用高速的钢丸持续撞击粉末冶金零件预制坯的表面，使预制坯表层金属发生塑性变形，促使表层粗大孔隙被压缩闭合而致密化。该方法存在如下缺点：

a、受到喷丸操作空间的限制，不能完成预制坯的小内孔和深内孔表面的致密化加工(粉末冶金机械零件通常不足几公斤，内孔较小、较深)。

b、喷丸过程中，高压气体吹出的钢丸随机离散地撞击粉末冶金零件预制坯的表面，预制坯表面在分散且不均匀的撞击力作用下形成的致密层的致密化均匀性较差，甚至在致密层中仍然残留粗大的孔隙，并导致喷丸零件的尺寸精度无法保证，表面非常粗糙，甚至出现小凹坑或缺边角料。

表面滚压致密化强化技术通过两个形状特征相同的滚轮对粉末冶金零件预制坯的表面进行反复地滚压，使预制坯的表层金属发生塑性变形，促使表层粗大孔隙被压缩闭合而致密化。该方法存在如下缺点：

a、滚压过程中，需要精确调控两对滚轮的位置、转速和进给量等，才能完成预制坯的表层滚压致密化，并获得最终零件的形状和尺寸精度，对滚压设备的制造和控制精度要求高，设备复杂。

b、滚压过程中，粉末冶金零件预制坯在同一时刻分别受到主动滚轮和从动滚轮施加的两个相向的侧向滚压力，这两个相向的侧向滚压力不对等，容易造成预制坯表面滚压层的致密化不均匀，直接影响滚压后零件的力学性能和尺寸精度。

c、每次滚压粉末冶金零件预制坯时，均需先将两个对滚轮分开，退出上一个滚压好的零件，然后装入下一个待滚压的预制坯，再将两个对滚轮与待滚压的预制坯配合，最后进行表面滚压，如此重复操作，逐个完成零件的表面滚压致密化成形加工。不能实现多个粉末冶金零件预制坯的表面连续加工，影响加工效率，且每滚压一个预制坯，两个对滚轮各开、合一次，对滚压设备的自动复位控制精度要求高。

d、表面滚压致密化强化方法仅适用于轴对称回转体零件预制坯的外表面的滚压致密化成形加工，不能完成非轴对称回转体零件预制坯或者轴对称回转体零件预制坯内孔的表面滚压致密化成形加工。

表面直接挤压致密化强化技术中的多级变径的组合挤压模具表面一次直接挤压致密化成形加工方法，通过挤压头推动粉末冶金零件的预制坯，从由多级孔径逐渐缩小的模板组合而成的挤压模具中挤过，使预制坯的外径缩小，表层金属发生塑性变形，促使表层粗大孔隙被压缩闭合而致密化。该方法存在如下缺点：

a、该方法对所采用的多级变径组合挤压模具的各变径模板之间的配合精度要求高，挤压模具组合结构复杂，加工难度大，制造成本高，推高了表面致密化粉末冶金零件的加工成本。

b、挤压过程中，粉末冶金零件的预制坯同时受到各变径模板的挤压，预制坯表层多处同时发生塑性变形，导致较高的挤压载荷，较高的挤压载荷又加速组合挤压模具的磨损失效，缩短组合挤压模具的寿命，同时进一步增加了表面致密化粉末冶金零件的加工成本。

c、较高的挤压载荷会加重组合挤压模具的弹性变形甚至过载失效，影响挤压后粉末冶金零件的尺寸精度。

d、粉末冶金零件预制坯受到挤压模具各变径模板的多次挤压，预制坯表面与变径模板之间接触面的润滑越来越差，接触面摩擦阻力大，进一步加速挤压模的磨损失效，同时影响挤压后粉末冶金零件的表面致密化效果(表层致密度)、力学性能和表面质量(表面粗糙度)。

表面直接挤压致密化强化技术中的单或者多台阶变截面整体挤压模具表面一次直接挤压致密化成形加工方法中的用多台阶变截面的整体挤压模具挤压粉末冶金零件的预制坯，存在与采用多级变径组合的挤压模具挤压粉末冶金零件预制坯类似的缺点：

a、多台阶变截面整体挤压模具的结构也复杂，加工难度大，制造成本高，推高了表面致密化粉末冶金零件的加工成本。

b、挤压过程中，粉末冶金零件预制坯同时受到挤压模具各台阶面的挤压，导致高的挤压载荷，高的挤压载荷又加速挤压模具各台阶面的磨损失效，缩短挤压模具的寿命，同时进一步增加了表面致密化粉末冶金零件的加工成本。

c、高的挤压载荷会加重挤压模具的弹性变形甚至过载失效，影响挤压后粉末冶金零件的尺寸精度。

d、粉末冶金零件预制坯受到挤压模具各台阶面的多次挤压，预制坯表面与台阶面之间的润滑越来越差，摩擦阻力大，进一步加速挤压模的磨损失效，影响挤压后粉末冶金零件的表面致密化效果(表层致密度)、力学性能和表面质量(表面粗糙度)。

采用单台阶变截面的整体挤压模具，对粉末冶金零件预制坯进行一次直接挤压时，虽然模具结构相对简单，较容易加工。但是也存在如下缺点：

a、粉末冶金零件预制坯在挤压过程中仅受到一个台阶面的一次挤压，预制坯表层金属的塑性流动不充分,表层粗大孔隙不能全部被压缩闭合，容易残留较大的孔隙，致使预制坯表层的致密化均匀性较差，影响挤压后粉末冶金零件的表面致密化效果(表层致密度)和力学性能。

b、粉末冶金零件预制坯经单台阶的整体挤压模具直接一次挤压，就完成预设的挤压变形量，预制坯表层金属在同一时刻就发生了大的变形，集聚了大的弹性变形量，导致预制坯脱模后的回弹量大，影响挤压后零件的尺寸精度。

由此可以看出，现有的粉末冶金零件的表面致密化成形加工方法在粉末冶金零件的加工质量和力学性能等方面有着或多或少的不利影响。鉴于此，发明人创造性地提出一种新的粉末冶金零件的制备方法，即表面振动挤压致密化强化技术，所涉及的粉末冶金零件包括但不仅限于粉末冶金耐磨环、粉末冶金齿轮以及粉末冶金链轮。同时也可应用于铝、钛、铜、镁、锂等非铁基粉末冶金零件的表面致密化加工。

该技术主要包括以下步骤：对粉末冶金零件预制坯的表面进行振动挤压。

在可选的实施方式中，将挤压模具于往复运动状态下对预制坯的表面进行振动挤压或者将模具固定，粉末冶金零件预制坯往复运动以对其表面进行振动挤压。上述两种方式中的往复运动方向均为挤压模具的轴线方向。每次往复运动过程中，挤压模具的前进距离(定义为S₁)大于回退距离(定义为S₂)。

通过此方式，以若干小增量的渐进挤压过程代替现有表面一次直接挤压的一个挤压过程，使得单个往复挤压周期内预制坯表层受到挤压载荷作用的区域小，且表层金属在往复应力作用下，变形抗力降低，表层金属塑性流动更充分，形成的表面致密层的致密化更均匀，同时显著降低挤压载荷，减少挤压模具的磨损，延长挤压模具寿命，提高表面致密化粉末冶金零件的加工质量和力学性能。

同时，粉末冶金零件预制坯表层金属在挤压阴模或者挤压芯棒的每个挤压周期的回退过程中，应力不断释放，使得预制坯表层累积的弹性变形量显著减小，降低表面振动挤压后粉末冶金零件的回弹量，更好地保证了表面致密化粉末冶金零件的形状和尺寸精度。

在可选的实施方式中，挤压模具可包括挤压阴模或挤压芯棒，上述挤压阴模与挤压芯棒的结构可参照现有技术，在此不做过多赘述。

在可选的实施方式中，挤压模具具有台阶，例如单台阶或多台阶，其中，多台阶包括两个或两个以上的台阶。在优选的实施方式中，挤压模具具有单台阶，具有单台阶的振动挤压模具的结构较多级变径的组合挤压模具和多台阶变截面的整体挤压模具更简单，加工更容易，挤压载荷更小，精度也更容易保证，模具制造成本更低。在可选的实施方式中，粉末冶金零件预制坯的表面包括粉末冶金零件预制坯的外侧表面和/或粉末冶金零件预制坯的内孔表面。

在可选的实施方式中，振动挤压过程中，挤压模具与粉末冶金零件预制坯的表面之间填充有润滑剂。从而使润滑剂在挤压阴模或者挤压芯棒的每次回程过程中得以进入粉末冶金零件预制坯与挤压模具之间的界面，大大改善润滑效果，进一步降低挤压载荷，同时显著减少挤压模具的磨损，并且提高表面致密化粉末冶金零件的表面质量。

在可选的实施方式中，本申请提供的振动挤压的振动频率可以为0.1-1000Hz，如0.1Hz、1Hz、10Hz、50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、800Hz或1000Hz等，振幅可以为0.1-50mm，如0.1mm、1mm、5mm、10mm、20mm、40mm或50mm等。本申请将振动频率和振幅设置为上述范围，根据粉末冶金零件的具体情况，合理选择振动频率和振幅，能够完成粉末冶金零件的表面振动挤压致密化加工，制造出合格的表面致密化强化粉末冶金零件；若超出上述范围，容易导致零件的表面致密化不充分，表层致密化不均匀，影响加工质量，甚至导致零件预制坯在振动挤压过程中发生损伤开裂，或者挤压载荷过大，损坏挤压模具。

在可选的实施方式中，每个振动周期内的挤压进给量可以为0.01-5mm，如0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.5mm、1mm、2mm或5mm等。上述挤压进给量为前进距离减去回退距离的值。本申请将每个振动周期内的挤压进给量设置为上述范围，根据粉末冶金零件的具体情况，合理选择挤压进给量，能够完成粉末冶金零件的表面振动挤压致密化加工，制造出合格的表面致密化强化粉末冶金零件；若超出上述范围，进给量过小，将降低加工效率，同时削弱零件的表面致密化效果；进给量过大，也将削弱零件的表面致密化效果，并降低零件的加工质量，甚至在零件表面产生金属堆积、刮伤或裂纹，并导致过高的挤压载荷，或者致使振动挤压过程不能顺利进行。

在可选的实施方式中，振动挤压过程中，垂直于挤压模具的运动方向(也可理解为垂直于挤压方向)的挤压变形量可以为0.05-5mm，如0.05mm、0.1mm、0.5mm、1mm、2mm或5mm等。本申请将垂直于挤压模具的运动方向的挤压变形量设置为上述范围，根据粉末冶金零件的具体情况，合理选择挤压变形量，能够完成粉末冶金零件的表面振动挤压致密化加工，制造出合格的表面致密化强化粉末冶金零件；若超出上述范围，挤压变形量过小，将削弱零件的表面致密化效果，甚至不能获得所需的致密层深度；挤压变形量过大，容易导致零件局部发生大的变形，影响零件的加工质量，甚至导致零件预制坯在挤压过程中开裂，产生过高的挤压载荷，致使振动挤压过程不能顺利进行，损坏挤压模具。

在可选的实施方式中，挤压模具的台阶角度(记为α)可以为1-89°，如1°、5°、10°、20°、50°、80°或89°等。将台阶角度设置为上述范围，根据粉末冶金零件的具体情况，合理确定挤压模具的台阶角，能够完成粉末冶金零件的表面振动挤压致密化加工，制造出合格的表面致密化强化粉末冶金零件；若超出上述范围，台阶角过小，将削弱零件的表面致密化效果，甚至不能获得所需的致密层深度；台阶角过大，容易导致零件局部发生过大的变形集中，甚至导致零件局部发生金属堆积、刮伤或开裂，影响零件的加工质量。

可参照地，粉末冶金零件预制坯主要经以下步骤制得：烧结粉末冶金零件预制坯生坯。

在可选的实施方式中，烧结温度优选为粉末冶金零件预制坯生坯中主要成分材料熔点的0.45-0.9倍，如0.45倍、0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍或0.9倍等。烧结时间可以为5-150min，如5min、10min、50min、100min、120min或150min等。

其中，上述粉末冶金零件预制坯生坯主要由按配比混合后的原料压制而得。

在可选的实施方式中，粉末冶金零件预制坯生坯的孔隙率低于30％。

在可选的实施方式中，压制过程中预留有0.05-5mm的挤压变形量。该挤压变形量也是垂直于挤压模具的运动方向。

进一步地，本申请提供的表面振动挤压致密化强化技术还包括在振动挤压后进行热处理。

可参考地，热处理可包括淬火处理以及低温回火处理。其中，淬火处理可包括高频感应加热淬火或渗碳淬火。

在可选的实施方式中，渗碳淬火可以是于800-1000℃的条件下进行20-200min的渗碳处理，随后再淬火；优选地，渗碳可以是于920℃的条件下进行120min。

在可选的实施方式中，低温回火处理的温度可以为100-250℃，优选为200℃。

承上，该表面振动挤压致密化强化技术大致过程包括：粉末称量、粉末混合、预制坯压制成形、预制坯烧结、预制坯表面振动挤压致密化成形加工以及表面振动挤压致密化粉末冶金零件的热处理。

具体可参照：首先，按粉末冶金零件材质成分及制造工艺要求，称取一定重量的各金属和非金属粉末，在混料机中均匀混合；然后，将混合的粉末置入粉末成形模具中，压制成与最终粉末冶金零件形状和尺寸相近的预制坯生坯；之后，将预制坯生坯置于烧结炉中进行烧结，使生坯中的粉末颗粒发生冶金结合，形成合适的冶金组织，得到预留一定加工余量的粉末冶金零件预制坯；再后，对粉末冶金零件预制坯的外侧表面或者内孔表面进行表面振动挤压加工，分别在预制坯的外侧表层或者内孔表层形成高致密层，同时成形出高尺寸精度和高表面质量的表面致密化粉末冶金零件，实现高尺寸精度和高表面质量的粉末冶金零件的表面振动挤压致密化成形加工；最后，根据表面致密化粉末冶金零件的性能要求，进行热处理，以达到成品零件的组织和性能要求。

其过程和原理如图6和图7所示：通过激振器驱动单台阶的挤压阴模或者挤压芯棒②以一定的频率和振幅做前进距离S₁大于回退距离S₂的往复运动(粉末冶金零件预制坯在表面振动挤压过程中挤压模具位移随时间变化曲线如图8所示)，在润滑剂③的润滑条件下挤压粉末冶金零件预制坯①的外侧表面或者内孔表面，使得预制坯外侧表层或者内孔表层的金属发生塑性变形，迫使预制坯外侧表层或者内孔表层的原始粗大孔隙④压缩闭合，分别在预制坯的外侧表层或者内孔表层形成仅残留极少量微孔⑤的高致密层，同时成形出高尺寸精度和高表面质量的表面致密化粉末冶金零件⑥。

值得说明的是，本申请提供的表面振动挤压致密化强化技术较目前常用的表面致密化成形加工方法至少具有以下优势：

A、相比于表面喷丸致密化强化技术：

本申请提供的表面振动挤压致密化强化技术既能通过挤压阴模振动挤压粉末冶金零件预制坯的外侧表面，也可以通过挤压芯棒振动挤压粉末冶金零件预制坯的内孔表面，能够完成粉末冶金零件外侧表面和内孔表面的致密化强化。振动挤压过程中，粉末冶金零件预制坯的整个外侧表层金属或者整个内孔表层金属，分别受到挤压阴模或者挤压芯棒的渐进式近似同等压力挤压，相比于喷丸时高速钢丸的随机离散撞击，挤压力更均匀，使得粉末冶金零件预制坯的表层金属塑性流动更均匀，表层致密化也更均匀。该方法采用挤压阴模或者挤压芯棒，对粉末冶金零件预制坯进行刚性的约束挤压，在完成粉末冶金零件表面振动挤压致密化强化的同时，还能成形出高尺寸精度和高表面质量的表面致密化粉末冶金零件。

B、相比于表面滚压致密化强化技术：

本申请提供的表面振动挤压致密化强化技术通过挤压模具(挤压阴模、挤压芯棒等)的刚性约束，控制表面致密化粉末冶金零件的致密化效果和形状尺寸精度，更容易保证粉末冶金零件的表面致密化成形加工效果，同时对振动挤压设备的要求也更低。在振动挤压过程中，粉末冶金零件预制坯的外侧表面或者内孔表面在整个周向受到挤压力作用，预制坯受力更均匀，表层金属的塑性流动更均匀，致密化也就更均匀，更利于保证最终零件的致密化效果和形状尺寸精度。

挤压模具可以沿粉末冶金零件预制坯的轴向，对多个粉末冶金零件预制坯进行连续的表面振动挤压加工，能够实现粉末冶金零件预制坯表面振动挤压的连续生产，减少预制坯的装夹次数，提高加工效率。同时，所采用的整体刚性模具，更容易保证批量生产中粉末冶金零件预制坯的挤压变形量，避免挤压模具在挤压过程中的反复装配误差，加工出一致性更好的表面致密化粉末冶金零件。

此外，本申请提供的表面振动挤压致密化强化技术不但可以完成轴对称粉末冶金零件预制坯的表面致密化成形加工，还能完成非轴对称粉末冶金零件预制坯的表面致密化成形加工，也能完成轴对称或者非轴对称粉末冶金零件预制坯内孔的表面致密化成形加工。

C、相比于表面一次直接挤压致密化强化技术：

本申请提供的表面振动挤压致密化强化技术中挤压阴模或者挤压芯棒可以加工成单台阶或多级台阶，相比于现有表面一次直接挤压致密化加工所用的多级变径的组合挤压模具和多台阶变截面的整体挤压模具，振动挤压模具的结构更简单，加工更容易，精度也更容易保证，模具制造成本更低。

通过振动的挤压阴模或者挤压芯棒以一定的频率和振幅，往复挤压粉末冶金零件预制坯的外侧表面或者内孔表面，以若干小增量的渐进挤压过程代替现有表面一次直接挤压的一个挤压过程，使得单个往复挤压周期内预制坯表层受到挤压载荷作用的区域小，且表层金属在往复应力作用下，变形抗力降低，表层金属塑性流动更充分，形成的表面致密层的致密化更均匀，同时显著降低挤压载荷，减少挤压模具的磨损，延长挤压模具寿命，提高表面致密化粉末冶金零件的加工质量和力学性能。粉末冶金零件预制坯表层金属，在挤压阴模或者挤压芯棒的每个挤压周期的回退过程中，应力不断释放，使得预制坯表层累积的弹性变形量显著减小，降低表面振动挤压后粉末冶金零件的回弹量，更好地保证了表面致密化粉末冶金零件的形状和尺寸精度。

此外，在挤压阴模或者挤压芯棒的每次回程过程中，润滑剂得以进入粉末冶金零件预制坯与挤压模具之间的界面，大大改善润滑效果，进一步降低挤压载荷，同时显著减少挤压模具的磨损，并且提高表面致密化粉末冶金零件的表面质量(形状公差，光洁度等)。

此外，本申请还涉及一种粉末冶金零件，其由如前述的制备方法制备而得。该粉末冶金零件挤压载荷低，挤压后表面质量好，回弹量小，致密层的致密化更均匀，硬度高，耐磨性好。

在可选的实施方式中，该粉末冶金零件的孔隙率低于2％的致密层深度为0.1-1.0mm，如0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm或1.0mm等。此外，在其它可选的实施方式中，孔隙率低于2％的致密层深度也可超过1.0mm。

在可选的实施方式中，粉末冶金零件的硬化层深度不低于致密层深度。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种外侧表面振动挤压致密化粉末冶金耐磨环，其制备过程主要包括：

①根据粉末冶金耐磨环的成分：Fe-0.5Mo-2Cu-0.6C(wt％)，按比例称取Fe-Mo预合金粉、铜粉、石墨粉和润滑剂在混料机中均匀混合；

②将混合粉末置于粉末成形模具中，压制成与最终粉末冶金耐磨环形状和尺寸相近，孔隙率约为10％的粉末冶金耐磨环的预制坯生坯；

③压制的预制坯生坯在烧结炉中于1150℃烧结60min，制得粉末冶金耐磨环的预制坯；

④将粉末冶金耐磨环的预制坯置于台阶角度α为5°的表面振动挤压模具中，以频率为20Hz、振幅为1mm以及一个振动周期挤压进给量为0.4mm的条件对耐磨环预制坯的外侧表面进行振动挤压，径向挤压量为0.3mm，得到外侧表面振动挤压致密化的粉末冶金耐磨环。

本实施例得到的外侧表面振动挤压致密化粉末冶金耐磨环的外观照片如图9(c)所示。

此外，设置对照组1和对照组2，对照组1与实施例1的区别在于：未进行挤压；对照组2与实施例1的区别在于：使用相同的挤压模具对预制坯进行一次直接挤压。

对照组1未挤压所得的粉末冶金耐磨环的外观照片如图9(a)所示，对照组2经表面一次直接挤压所得的粉末冶金耐磨环的外观照片如图9(b)所示。

此外，对上述对照组2以及实施例1中的预制坯在挤压过程中的载荷-位移关系进行研究，其结果(载荷-位移曲线图)如图10所示。

对对照组1、对照组2以及实施例1所得的粉末冶金耐磨环外侧表面的微观孔隙形貌进行比较，对应的微观孔隙形貌照片如图11至图13所示。

制备过程中使用的振动挤压阴模内径以及对照组2和实施例1所得的粉末冶金耐磨环的外径尺寸对比如图14所示。

对照组1、对照组2以及实施例1所得的粉末冶金耐磨环外侧表层硬度对比如图15所示。

对照组1、对照组2以及实施例1所得的粉末冶金耐磨环的外侧表面，在相同磨损测试条件下的磨损量(耐磨性)如图16所示。

从上述照片和图示可以看出，表面振动挤压方式较未挤压或采用一次直接挤压方式明显提高了粉末冶金耐磨环的表面质量、表层致密度、表层硬度和耐磨性。并且，相比于表面一次直接挤压，表面振动挤压粉末冶金耐磨环的挤压载荷更低，挤压后表面质量更好，回弹量更小，致密层的致密化更均匀，硬度更高，耐磨性更好。

实施例2

本实施例提供一种内孔表面振动挤压致密化粉末冶金耐磨环，其制备过程主要包括：

①根据粉末冶金耐磨环成分：Fe-2Cu-0.6C(wt％)，按比例称取铁粉、铜粉、石墨粉和少量润滑剂在混料机中均匀混合；

②将混合粉末置于粉末成形模具中，压制成与最终粉末冶金耐磨环形状和尺寸相近，孔隙率约为10％的粉末冶金耐磨环的预制坯生坯；

③压制的预制坯生坯在烧结炉中于1200℃烧结30min，制得粉末冶金耐磨环的预制坯。

④将粉末冶金耐磨环的预制坯置于台阶角度为60°的表面振动挤压模具中，以频率为35Hz、振幅为2.5mm以及一个振动周期挤压进给量为0.5mm的条件对耐磨环预制坯的内孔表面进行振动挤压，径向挤压量为0.2mm。

此外，设置对照组3，对照组3与实施例2的区别在于：未进行挤压。对照组3未挤压所得的粉末冶金耐磨环内孔表面的微观孔隙形貌照片如图17所示，本实施例得到的内孔表面振动挤压致密化的粉末冶金耐磨环内孔表面的微观孔隙形貌照片如图18所示。

从图17和图18可以看出，表面振动挤压明显提高了粉末冶金耐磨环内孔表面的致密度，孔隙率低于2％的致密层深度约为0.5mm。

实施例3

本实施例提供一种齿部表面振动挤压致密化粉末冶金齿轮，其制备过程主要包括：

①根据粉末冶金齿轮成分：Fe-2Cu-0.6C(wt％)，按比例称取铁粉、铜粉、石墨粉和润滑剂在混料机中均匀混合；

②将混合粉末置于粉末成形模具中，压制成与最终粉末冶金齿轮形状和尺寸相近，孔隙率约为10％的粉末冶金齿轮的预制坯生坯；

③压制的预制坯生坯在烧结炉中于1120℃烧结45min，制得粉末冶金齿轮的预制坯；

④将制得粉末冶金齿轮的预制坯置于台阶角度为30°的表面振动挤压模具中，以频率为50Hz、振幅为0.5mm以及一个振动周期挤压进给量为0.2mm的条件对齿轮预制坯的齿部表面进行振动挤压，径向挤压量为0.5mm。

本实施例得到的表面振动挤压粉末冶金齿轮齿部表面的微观孔隙形貌照片如图19所示。

从该图可以看出，表面振动挤压可使粉末冶金齿轮的齿部表面具有较高的致密度。此外，本实施例得到的粉末冶金齿轮的孔隙率低于2％的致密层深度约0.3-0.4mm。

实施例4

本实施例提供一种齿部表面振动挤压致密化+表面淬火粉末冶金链轮，其制备过程主要包括：

①根据粉末冶金链轮的成分：Fe-2Cu-0.6C(wt％)，按比例称取铁粉、铜粉、石墨粉和润滑剂在混料机中均匀混合；

②将混合粉末置于粉末成形模具中，压制成与最终粉末冶金链轮形状和尺寸相近，孔隙率约8％的粉末冶金链轮预制坯生坯；

③将压制的预制坯生坯在烧结炉中于1200℃烧结30min，制得粉末冶金链轮预制坯；

④将粉末冶金链轮预制坯置于台阶角度α为60°的表面振动挤压模具中，以频率为25Hz、振幅为2.5mm以及一个振动周期内挤压进给量为0.25mm的条件对链轮预制坯的齿部表面进行振动挤压，径向挤压量为0.3mm。

⑤对表面振动挤压致密化后的粉末冶金链轮的齿部，进行高频感应加热淬火，然后200℃低温回火。

所得的粉末冶金链轮的齿部硬化层深度约1.2mm。

实施例5

本实施例提供一种齿部表面振动挤压致密化+表面渗碳淬火粉末冶金齿轮，其制备过程主要包括：

①根据粉末冶金齿轮的成分：Fe-0.5Mo-2Cu-0.35C(wt％)，按比例称取Fe-Mo预合金粉、铜粉、石墨粉和润滑剂在混料机中均匀混合；

②将混合粉末置于粉末成形模具中，压制成与最终粉末冶金齿轮形状和尺寸相近，孔隙率约8％的粉末冶金齿轮预制坯生坯；

③将压制的预制坯生坯在烧结炉中于1150℃烧结60min，制得粉末冶金齿轮预制坯；

④将粉末冶金齿轮预制坯置于台阶角度α为5°的表面振动挤压模具中，以频率为20Hz、振幅为1mm以及一个振动周期内挤压进给量为0.2mm的条件对齿轮预制坯的齿部表面进行振动挤压，径向挤压量为0.3mm。

⑤对表面振动挤压致密化后的粉末冶金齿轮，进行渗碳淬火，渗碳温度920℃，时间120min，渗碳层深度约1.0mm，渗碳后进行淬火，200℃低温回火。

综上所述，本申请提供的表面振动挤压致密化强化技术能够提供均匀的挤压力，使粉末冶金零件预制坯的表层金属塑性流动以及表层致密化更均匀，并且，该方法加工容易，能够较好地保证粉末冶金零件的形状和尺寸精度，同时，还能降低挤压载荷，减少挤压模具的磨损，延长挤压模具寿命，提高粉末冶金零件的加工质量和力学性能。制备所得的粉末冶金零件挤压载荷低，挤压后表面质量好，回弹量小，致密层的致密化更均匀，硬度高，耐磨性好。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粉末冶金零件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对粉末冶金零件预制坯的表面进行振动挤压。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将挤压模具于往复运动状态下对所述粉末冶金零件预制坯的表面进行振动挤压，其中，所述挤压模具的往复运动方向为所述挤压模具的轴线方向；

或将所述挤压模具固定，所述粉末冶金零件预制坯往复运动以对所述粉末冶金零件预制坯的表面进行振动挤压，其中，所述粉末冶金零件预制坯的往复运动方向也为所述挤压模具的轴线方向；

优选地，每次往复运动过程中，所述挤压模具的前进距离大于回退距离；

优选地，所述挤压模具包括挤压阴模或挤压芯棒；

优选地，所述挤压模具具有台阶，更优地，所述挤压模具具有单台阶；

优选地，所述粉末冶金零件预制坯的表面包括所述粉末冶金零件预制坯的外侧表面和/或所述粉末冶金零件预制坯的内孔表面；

优选地，振动挤压过程中，所述挤压模具与所述粉末冶金零件预制坯的表面之间填充有润滑剂。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，振动挤压的振动频率为0.1-1000Hz，振幅为0.1-50mm。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，每个振动周期内的挤压进给量为0.01-5mm，所述挤压进给量为所述前进距离减去所述回退距离的值。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，振动挤压过程中，垂直于所述挤压模具的运动方向的挤压变形量为0.05-5mm。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述挤压模具的台阶角度为1-89°。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述粉末冶金零件预制坯主要经以下步骤制得：烧结粉末冶金零件预制坯生坯；

优选地，烧结温度为所述粉末冶金零件预制坯生坯中主要成分材料熔点的0.45-0.9倍；

优选地，烧结时间为5-150min。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粉末冶金零件预制坯生坯主要由按配比混合后的原料压制而得；

优选地，所述粉末冶金零件预制坯生坯的孔隙率低于30％；

优选地，压制过程中预留有0.05-5mm的挤压变形量。

9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，还包括在振动挤压后进行热处理；

优选地，热处理包括淬火处理以及低温回火处理；

优选地，淬火处理包括高频感应加热淬火或渗碳淬火；

优选地，渗碳淬火是先于800-1000℃的条件下进行20-200min的渗碳处理，随后再淬火；更优地，渗碳是于920℃的条件下进行120min；

优选地，低温回火处理的温度为100-250℃，更优为200℃。

10.一种粉末冶金零件，其特征在于，由如权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而得。

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