粉末冶金新技术在烧结齿轮中的应用

粉末冶金新技术在烧结齿轮中的应用

烧结齿轮的性能与粉末冶金工艺密切相关，不同工艺和技术路线生产的齿轮，性能差异很大，而粉末冶金技术的发展促进了烧结齿轮性能的提高和尺寸的稳定。文章作者根据其多年从事粉末冶金齿轮生产与科研的实践经验分析和评述了近年来发展起来的温压成形、高速成形、烧结硬化、高温烧结、熔渗和齿轮表面致密化等技术及其在齿轮制造中的应用，采用温压成形、高速成形、烧结硬化、高温烧结或溶渗等新技术配合表面数字化，可望同时实现高密度、低成本和高精度的齿轮生产。

作为传动系统重要零件的齿轮，一般都是通过机械加工法制成的。但是随着汽车工业的发展，对齿轮等零件的要求越来越高，在成本、交货日期和噪音等方面机加工齿轮难以满足要求；而粉末冶金则是项能制造形状复杂零件的技术，可以节料、节能、省工、优质，适合大批量生产，能满足汽车工业对零部件的要求。因此，粉末冶金工业与汽车工业密切相关。在美国，铁基粉末冶金零件的市场有70%以上属于汽车市场；而在国内，远未达到这个比例，据中国机协粉末冶金专业委员会2004年3月的统计，国内粉末冶金行业的汽车市场仅占19%。

对于汽车和其他工业而言，粉末冶金是生产高强度和形状复杂齿轮的有效工艺。目前，通过使用高性能的粉末成形、烧结和特殊的后加工，粉末冶金工艺已经可以生产出密度超过7．5 g／cm3的齿轮。这些技术的使用，已经成功地替代了机加工或其他方法加工的零件。粉末冶金工艺的成功，使机械工程师设计高性能和较低成本的零件成为可能。目前在汽车上使用的齿轮零件有同步器齿毂、离合器齿毂等，随着汽车工业的发展，必将对粉末冶金工业提出更高的要求。本文将从粉末冶金材料工艺和齿轮表面致密化等方面探讨粉末冶金工业的最新进展及其在齿轮生产中的应用，为机械工程师在设计齿轮时提供参考。

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，改进了粉末冶金制品的性能；同时，零件的尺寸精度可以获得提高，形状也可以更加复杂。温压技术的致密化主要通过在温压温度下铁粉颗粒的加工硬化速率降低和程度减轻，以及铁粉颗粒塑性变形阻力减小来实现的。此外，在成形过程中的颗粒重新排列，也可以使密度提高D]。目前已经制备出抗拉强度达1 500 MPa的烧结铁基零件。Ford汽车公司已将质量达1．2 kg的温压流体变速涡轮毂用在发动机上。温压工艺的关键在于以较低的成本制造出高性能的铁基粉末冶金零件，为汽车的零部件在性能与成本之间找到一个较佳的结合点。温压的优势在于：压坯密度和烧结密度高，压坯强度高，脱模压力低，弹性后效小。

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的大型粉末冶金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冶金的局限性。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7．4～7．7g／cm3，这种新型的制造技术最近引入到了粉末冶金行业。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。

烧结硬化是将粉末冶金的烧结与提高材料性能的淬火热处理工序合二为一，以降低成本。烧结硬化工艺可以省去烧结后热处理工序，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。烧结硬化工艺，由于烧结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到最小。因此烧结硬化工艺适用于难以处理的大型以及形状复杂的零件。烧结硬化钢一般用来制造中高密度零件。一般情况下，烧结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，在烧结冷却期间能够淬硬。烧结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；根据烧结温度和时间的不同，可能还有少量的富镍区。根据烧结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。目前已经有大量的烧结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(NBTM)公司的齿轮(见图3)，通过烧结硬化，密度大于7．0 g／cm3，经过回火处理后硬度大于HRC40。与传统方法相比成本降低1O％，且减小了淬火变形的危险。

高温烧结是提高强度的一项重要措施。通过高温烧结，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(见图4)，适合于新型粉末冶金材料例如高速钢、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。

熔渗是在烧结过程中将其他材料(对于铁基烧结件而言主要是铜)熔化并在毛细管和重力的作用下渗入烧结坯内，以提高零件的密度和性能。一般情况下，原材料费用较高，熔渗时铜向骨架基体中扩散和生成大量液相，尺寸变化较大。

粉末冶金工艺生产的齿轮具有良好的力学性能、尺寸精度和表面粗糙度，且适用于大批量生产，因而具有良好的性价比，这是烧结齿轮能赢得汽车工业认可的重要原因。由于粉末冶金传统工艺技术的限制，烧结齿轮密度较低，影响了齿轮的性能。温压成形、高速成形、烧结硬化、高温烧结、熔渗、HVC粉末成形和齿轮表面致密化等技术在烧结齿轮中的应用解决了密度较低、尺寸精度和力学性能达不到规定要求的问题。从目前的技术发展来看，烧结齿轮要达到全致密不存在技术障碍，尺寸变化也完全可以达到可控的程度。但是成本也是考虑烧结齿轮的一个重要因素。生产烧结齿轮真正困难的是同时达到高密度、低成本和高精度。