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粉末冶金齿轮零件粉末锻造成型制造 粉末冶金高强度​齿轮生产

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粉末冶金齿轮零件粉末锻造成型制造 粉末冶金高强度​齿轮生产

发布日期:2017-09-13 作者: 点击:



 粉末冶金齿轮零件粉末锻造成型制造 粉末冶金高强度齿轮生产 


   一、粉末锻造新技术在成型加工齿轮中的应用
    粉末整体锻造过程:装粉——填充粉——粉末封压——粉末压制——压胚脱落——压胚导走——装粉。

    齿轮作为重要的传动零件,在汽车上起着关键的作用。齿轮的密度、硬度等与材料的性能及制备工艺息息相关。先进的压形技术提高了粉末压坯的密度,改进了粉末锻造制品的性能;同时,零件的尺寸精度可以获得提高,形状也可以更加复杂。下面首先讨论粉末锻造新工艺及其对齿轮的影响。

    1、粉末锻造齿轮的高速压制

    瑞典开发了高速压制的工艺。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与提高材料性能的淬火热处理工序合二为一,以降低成本。成型加工硬化工艺可以省去成型加工后热处理工序,同时可以获得高强度和高硬度的性能,从而降低生产成本。此外,淬火时会产生高的残余内应力并且使零件发生变形,给控制零件尺寸公差带来困难。成型加工硬化工艺,由于成型加工后的冷却速度远低于淬火的冷却速度,因而可以使变形减少。因此成型加工硬化工艺适用于难以处理的大型以及形状复杂的零件。

    成型加工硬化钢一般用来制造中高密度零件。一般情况下,成型加工硬化铁粉的主要合金元素有钼、锰、铬、铜和镍等。含有这些合金元素的材料具有足够高的淬透性,在成型加工冷却期间能够淬硬。成型加工硬化后合金金相组织多为马氏体,此外还有少量的细珠光体、贝氏体和残余奥氏体;根据成型加工温度和时间的不同,可能还有少量的富镍区。根据成型加工的实际条件和零件的具体要求,适当调配化学成分,在冷却后可以得到要求的硬度和性能。

    据文献报道,目前已经有大量的成型加工硬化齿轮开始应用于汽车等传动机构上。与传统的工艺相比,它降低了生产成本,但是没有降低任何使用性能。这些齿轮的尺寸精度高,噪音低,强度高,耐磨性和耐腐蚀好。宁波东睦(NB TM) 公司的齿轮,通过成型加工硬化,密度大于7.0g/cm3,经过回火处理后硬度大于HRC40。与传统方法相比成本降低10 %,且减小了淬火变形的危险。
    3、高温成型加工
    高温成型加工是提高强度的一项重要措施。通过高温成型加工,可以使一部分氧化物还原、提高原子的扩散速率和增加成分均匀性,可以使孔隙充分球化和孔隙间距更大,适合于新型粉末锻造材料例如高速钢、不锈钢和高温合金等。这样,可提高零件的密度、机械性能、轴向/ 旋转弯曲疲劳强度、耐蚀性和物理性能。

    但是,也存在一些弊端,例如设备损耗加大、能耗增加、炉子维护成本增加、生产率降低、零件变形加大、零件的同轴度降低、低冷却速率以及其他工艺问题。因此,粉末锻造零件高温成型加工,将会增加一些额外的成本。

    对于铁基材料而言,高温成型加工适用于以下几种情况:
    ①材料需要高温成型加工,如新型含硅的铁基材料、高性能不锈钢;
    ②高温成型加工是有效或能达到要求的方法;
    ③高温成型加工能减少工序或其他设备,如将二次压制改为一次压制;
    ④预合金或预混粉成型加工,此时由于一些氧化物被还原,其合金化程度增加、硬化性能改善、机械性能提高。

    成型加工齿轮性能不稳定的一个重要原因是混合粉的偏析。通过高温成型加工,可以显著减小或消除偏析的影响。高温成型加工对于一些材料是必需的,另一方面,在较低温度成型加工时,现有的材料没有完全发挥潜能。要完全开发这些材料的潜能,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,也必须使用高温成型加工。具有这些性能的粉末锻造零件,其竞争力将会很强;尽管根据国外的分析,高温成型加工将增加成本约10%~15%。

    二、齿轮的表面致密化工艺

    达到高密度是改善粉末锻造零件性能的主要方法,然而研究显示热处理和后加工也能对零件质量产生重要影响。齿轮的失效大部分为表面接触疲劳,提高表面密度可以提高疲劳性能。经表面渗碳、表面热处理(高频或激光热处理)的齿轮,其外部硬度(碳含量) 高,耐磨性好,心部硬度(碳含量) 低,韧性好。

    粉末锻造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,而通过表面致密化处理后在齿部与轧辊模接触的表面几乎达到全致密。表面致密化后,齿轮齿部是无孔的表面,心部是多孔体;仅仅齿轮表面承受外加应力,因而齿轮的生产成本相对较低;成型加工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,通过表面致密化后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渗碳钢的水平。制造上述齿轮的工序如下:成形(高密;成型加工(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,尺寸精度高和零件的疲劳特性好等优点。这些因素无疑都是高质量齿轮所必须具备的。这也说明了密度仅为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还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(如图1)



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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使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




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