——齿轮零件粉末锻造成型工艺分析

齿轮零件粉末锻造成型工艺分析

张安民

摘要：由于粉末锻造传统工艺技术的限制, 成型加工齿轮密度较低, 影响了齿轮的性能。温压成形、高速成形、成型加工硬化、高温成型加工、熔渗、HVC 粉末成形和齿轮表面致密化等技术在成型加工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, 成型加工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。但是成本也是考虑成型加工齿轮的一个重要因素。生产成型加工齿轮真正困难的是同时达到高密度、低成本和高精度。成型加工齿轮的性能与粉末锻造工艺密切相关, 不同工艺和技术路线生产的齿轮, 性能差异很大, 而粉末锻造技术的发展促进了成型加工齿轮性能的提高和尺寸的稳定。近年来发展起来的温压成形、高速成形、成型加工硬化、高温成型加工、熔渗和齿轮表面致密化等技术及其在齿轮制造中的应用可望同时实现高密度、低成本和高精度的齿轮生产。在成本、交货日期和噪音等方面机加工齿轮难以满足要求; 而粉末冶金零件的基本市场是汽车产业，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, 。?适合大批量生产, 能满足汽车工业对零部件的要求。因此年3月的统计,国内粉末锻造行业的汽车市场仅占19%。对于汽车和其他工业而言, 粉末锻造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、成型加工和特殊的后加工, 粉末锻造工艺已经可以生产出密度超过7.5g/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。粉末锻造工艺的成功, 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, 必将对粉末锻造工业提出更高的要求。

关键词：粉末；锻造；齿轮；成型工艺

前言

据统计，2007年全球汽车产量为7307.2万辆，比前一年增加了5.1%，排在前5位的依次是日本、美国、中国、德国、韩国，印度位列第10。日本连续两年占据首位，达1159.6万辆，占全球产量的15.87%。销量亚军为美国，达1075.1万辆，同比减少4.5%；第三位是中国，产量达888.2万辆，同比增加22%，占全球总量的12.16%。目前中国与印度人口合计约23亿，而注册车辆为3920辆，平均每百人仅为1.7辆。据预测，今后40年，发达国家的注册车辆将增加约1倍，可能超过10亿辆，而发展中国家，特别是东南亚国家，轿车的注册与生产的发展速度可能非常快。根据美国能源部的资料，2050年发展中国家轿车的注册数量可能会增加到25亿辆。粉末冶金产业包括金属粉末、金属粉末制品及粉末冶金生产设备制造企业。齿轮零件粉末锻造目前的形势从20世纪80年代，中国（大陆）改革放以来，经济发展日新月异，家电、汽车等产业的快速发展，不仅带动了中国（大陆）粉末冶金零件产业的发展，而且，使粉末冶金零件产业成为世界粉末冶金界关注的焦点之一。进入21世纪以来，亚洲地区粉末冶金汽车零件（包括摩托车零件）生产的发展趋势。可看出，亚洲地区粉末冶金汽车零件（包括摩托车零件）的生产普遍呈上升态势，增长最的是新加坡。汽车零件在粉末冶金零件总产量中所占比率（2006）最高者是日本，高达91%，其次是韩国（86%），中国（大陆）（53%）。汽车零件（包括摩托车零件）在粉末冶金零件总产量中所占比率，在一定程度上，反映了该地区粉末冶金零件的生产技术水平。粉末锻造成型技术能够将此行业的生产能力提升很高一个层次。齿轮粉末锻造成型工艺，粉末锻造工艺粉末锻造通常是指将粉末烧结的预成形坯经加热后，在闭式模中锻造成零件的成形工艺方法。它是将传统粉末冶金和精密锻造结合起来的一种新工艺，并兼两者的优点。可以制取密度接近材料理论密度的粉末锻件，克服了普通粉末冶金零件密度低的缺点。使粉末锻件的某些物理和力学性能达到甚至超过普通锻件的水平，同时，又保持了普通粉末冶金少屑、无屑工艺的优点。通过合理设计预成形坯和实行少、无飞边锻造，具有成形精确，材料利用率高，锻造能量消耗少等特点。粉末锻造的目的是把粉末预成形坯锻造成致密的零件。

1.粉末分析及锻造原理

目前，常用的粉末锻造方法有粉末冷锻、锻造烧结、烧结锻造、和粉末锻造几种，粉末锻造在许多领域中得到了应用。特别是在汽车制造业中的应用更为突出。原理：利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压。锻造是机械制造中常用的成形方法。通过锻造能消除金属的铸态疏松，焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。锻造按成形方法则可分为自由锻、模锻、冷镦、径向锻造、挤压、成形轧制、辊锻、辗扩等。坯料在压力下产生的变形基本不受外部限制的称自由锻，也称开式锻造。其他锻造方法的坯料变形都受到模具的限制，称为闭模式锻造。成形轧制、辊锻、辗扩等的成形工具与坯料之间有相对的旋转运动，对坯料进行逐点、

渐近的加压和成形，故又称为旋转锻造。

锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、铜、钛等及其合金。材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。金属粉末：经压制和烧结成的粉末冶金预制坯在热态下经无飞边模锻可制成粉末锻件。锻件粉末接近于一般模锻件7.8 克／立方厘米的密度，具有良好的机械性能，并且精度高，可减少后续的切削加工。粉末锻件内部组织均匀，没有偏析，可用于制造小型齿轮等工件。但粉末的价格远高于一般棒材的价格，在生产中的应用受到一定限制。

2. 粉末锻造新技术在成型加工齿轮中的应用

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。

2.1 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最近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, 而传统压机在第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。

2.2 齿轮成型加工硬化