粉末冶金齿轮材料进展_FrancisHanejko2010

1 概述
齿轮是用于在平行或垂直于原来施加力的方向 传递扭矩与运动的机械部件 。 利用几何形状不同的 齿轮(直齿 , 螺旋齿 , 锥齿等)可使齿轮的噪声最小化 或使齿轮承载的扭矩特性最大化 。 由于对齿轮功率
密度与寿命的要求增高 , 促进了改进材料与材料生 产工艺的发展[ 1] 。 图 1 示铸锻齿轮材料与其极限抗 拉强度和其最大弯曲应力的关系曲线图 。
在粉末冶金中 , 合金化的方法有预混合法 , 扩散 合金化法及完全预合金化法 。图 2 示在粉末冶金零 件生产中使用的合金化方法 。最常用的合金化方法 是预先将各种合金化元素 、石墨粉及压制用润滑剂 混合于基粉铁粉中 。这种方法的好处是 , 能保持纯 铁粉固有的高压缩性 , 而且能够使用各种合金化元 素 。对预混合法的一项改进是扩散粘结的或部分合 金化的 材料(FD 材料)。 这种材 料的独 特之 处在 于 , 除石墨外 , 所有合金化元素都是通过热处理被粘 结在纯铁粉颗粒上 。其优势是 , 减少偏聚与压缩性 高 。扩散合金化粉的不足之处在于材料的生产成本 较高 , 这是因为其需要增加运送和热处理 。通过熔 化与雾化可生产完全均一的合金 ;可是 , 这样合金化 的铜与镍会降低铁粉的压缩性 。 用钼作为主要合金 化元素时 , 可使压缩性的下降最小化 , 而且生产的粉 末冶金零件显微组织均一和增高压缩性[ 8] 。 最后 , 可利用预合金化粉与额外添加的镍与铜(混合合金) 获得较高的烧结态与热处理态强度 。
·材料种类与热加工 ·表面硬度 ·强度与疲劳特性 ·齿轮质量 由于新材料与生产工艺的发展 , 粉末冶金在齿 轮传动装置应用中的使用在继续扩大 。 粉末冶金生 产工艺节约原材料 , 能制成具有最终形状的齿轮传 动装置 。 历史上 , 鉴于粉末冶金零件材料中固有的 孔隙度 , 和对于粉末冶金材料可采用的合金化受到 限制 , 粉末冶金局限于低强度应用 。近年来 , 新合金 与先进生产工艺的发展显著提高了粉末冶金零件的 密度与强度 , 从而使粉末冶金齿轮传动装置可与高 性能齿轮应用进行竞争[ 3 , 4] 。 本文将述评当前可利 用的材料 , 用这些材料可达到的性能 , 以及为使标准 的与先进材料的使用最佳化的零件的生产工艺 。
ADVANCES IN P/ M GEAR MA T ERIAL S
Francis Hanejko (H oeg anaes Cor po ratio n 1001 T aylor s Lane Cinnaminson , N J 08077 , USA)
Abstract :P ow der M etallurgy is an ef ficient m anufacturing process f o r the production of gearing and similar net shape component s.Because of lim itat ions arising f rom the i nherent po rosit y and limit ed alloy system s avai lable , the t raditio nal use of P/M gearing w as fo r relatively low st ress applicat ions.T he recent i nt roductio n of new com paction techniques and new alloy ma terials has produced P/ M com ponents wi th si gnif icant ly higher yield and tensile st reng ths approaching the st rengt h levels of w rought gearing m aterials.T he new P/ M processes and ma terials and their sui tabilit y fo r gear ty pe applications are review ed w i th.Mechanical pro peries compared wi th t ho se of comm on aut omo tive gearing mate rials includi ng ducti le and malleable cast iro ns and w ro ug ht low alloy steels. Key words :pow der m etallurgy ;gear ;P/ M gear ;advance
由于需要使用性能较高与耐久性较好的齿轮传 动装置 , 提升了对齿轮材料的要求 , 从而导致从灰铸 铁 、经球墨铸铁与可锻铸铁 , 最后发展到了高性能渗 碳低合金钢 。齿轮的渗 碳表面可赋予其表面以压 缩压力 , 这在常规齿轮运转中可起到抵消拉伸应力
收稿日期 :2009-12-25 作者简介 :Francis H anejk o 男 , 美国人 , 博士学位 , 美国粉末冶金协会高级会员 。
用 ANCO RBOND 工艺生 产的含 0.85 %钼 , 1.0 % 镍 , 0.85 %锰及 0.85 %铬的合金 。 这种合金具有优 异的淬透性 , 不用加速冷却就能形成马氏体显微组
织 ;而且 , 还具有优异的力学性能 。 这个合金系统的
缺欠是 , 需要采用高温烧结 , 使合金进行均一化与防
温烧结才能还原 , 因此 , 在粉末冶金中应用有限 。在 金属粉末工业联合会(M PIF)的标准 35[ 5] 中列出了 标准粉末冶金材料与其力学性能 。最常用的粉末冶 金材料是铜钢(F C 类材料)。 在粉末冶金中使用铜 作合金元素 , 是因为铜在烧结时易与铁形成合金 , 和 提高烧结态零件的强度[ 6] 。通常都不指定铜钢在热 处理状态应用 , 这是因为粉末冶金材料固有的孔隙 度与马氏体显微组织相结合 , 会导致疲劳性能与冲 击韧度减低 。对于在热处理状态应用 , 最好选用含 镍的钢(牌号为 FN)。鉴于元素镍扩散不完全可起 阻碍裂纹扩展的作用 , 因此 , 镍钢在热处理状态应用 时 , 具有较高的疲劳强度[ 7] 。
烧结硬化是一种生产工艺 , 其不需要单独进行 热处理作业 , 就能使粉末冶金零件材料中形成 90 % 以上的马氏体显微组织[ 12] 。 取消后续的淬火与回 火作业时 , 可避免零件产生变形 , 并会使最终用户节 约生产成本 。一般而言 , 烧结硬化合金比标准粉末 冶金材料的合金含量高 , 并且增高淬透性往往含有 预混合的铜 。烧结硬化是在安装在烧结炉中的加速 冷却区实 现的 。对 于得 到导 致颗粒 硬度 高于 55H RC 的 理想 显 微 组 织 , 认 为 冷 却速 率 不 低 于 2.8 ℃/ s 是适当的[ 13] 。鉴于烧结态显微组织中马氏 体百分率高 , 为增高粉末冶金零件的强度与冲击功 , 烧结硬化材料需要进行回火 。 表 2 中列出了 M PIF 标准中介绍的烧结硬化材料 。
· 42 ·
粉末冶金工业 第 20 卷
一性和减小偏聚 。 这种粘结方法是 , 使用粘结剂将
合金化添加剂化学粘结于基粉铁粉颗粒上 , 以减小
偏聚(从而强化尺寸控制)与赋予良好充填模 具能 力 。 这种化 学粘 结技术 的一个 例子是 H oeganaes Co rp , 开发 的 A N CO RBO N D TM 工艺[ 9] 。 用这种 工
第 20 卷第 3 期 2010 年 6 月
POWDER粉ME末TA冶LL金UR工GY业INDUSTRY
VJoul.n2.02N01o0.3
粉末冶金齿轮材料进展
Francis Hanejko
(H oeg anaes Cor po ratio n 1001 T aylor s Lane Cinnaminson , N J 08077 , USA)
第 3 期 Franci s Hanej ko :粉末冶金齿轮材料进展
· 41 ·
图 1 弯曲 应力与极限抗拉强度关系曲线 (参 考文献 :齿轮设计 , SAE P.51)
的作用[ 2] 。 渗碳的附带好处是 , 可增高耐点蚀强度 , 同时由于在齿轮表面存在残余奥氏体 , 可改善耐磨 性[ 2] 。 良好的齿轮使用性能需要具有下列关键性冶 金特征 :
摘 要 :对于生产齿轮与类似的最终形零件 , 粉末冶金是一种有效工艺 。 鉴于因固有孔隙度产 生的限制和受限制于可用的合金系统 , 传统的粉末冶金齿轮应用皆用于受力较小者 。 近年来 , 采用新压制工艺和新合金材料生产的粉末冶金零件 , 其屈服强度与抗拉强度皆显著增高 , 已接 近锻造齿轮材料的水平 。这篇论文将评述新粉末冶金工艺与新材料 , 和他们对齿轮类应用的 适用性 。 另外 , 还将和常用的汽车齿轮材料(包括球墨铸铁 、可锻铸铁及锻轧低合金钢)的力学 性能进行比较 。 关键词 :粉末冶金 ;齿轮 ;进展 中图分类号 :T F 125 文献标识码 :A 文章编号 :1006 -6543(2010)03 -0040 -07
止锰与铬氧化 。 当时 , Anco rst eel 41AB 的推广 , 受 到高温烧结生产可用性的限制 , 从而限制了 A ncor-
steel 41AB 的使用 。 现在高温烧结设备在市场上可以买到 。 为了充
分利用这项开发 , H oeganaes Co rp , 在推广 A ncorl oy M D 合金材料系列[ 11] 。 这些材料利用硅作为主 要合金元系之一 。在锻钢冶金中广泛用硅作为铁素
艺可使生产的烧结材料的力学性能和扩散合金化的
材料相同 , 但是生产成本较低 , 并可改善粉末的流动 性。
在 MP IF 标准 35(现为 2009 版 -译者注)中可
找到关于粉末冶金材料的标准材料性能数据 。这个 标准中介绍了常用粉末冶金材料的拉伸 、冲击及疲
劳性能 。 这是粉末冶金零件设计人员的一本极好的
2 材料与生产工艺述评
2.1 材料发展 传统粉末冶金钢都是含铜 、镍 、钼及石墨的合
金钢 。含这些 合金元素的钢都 可在常规烧结 温度 1120 ℃下生产 。 鉴于锻钢采用的合金元素(诸如锰 , 铬或硅)会形成稳定氧化物 , 而且这些氧化物需要高
图 2 粉末冶金材料的合金化方法
虽然图 2 中没有表明 , 但是采用元素合金添加 剂时 , 若采用粘结法的话 , 仍然可使材料具有高度均
参考资料 。
在粉末冶金中 , 材料研发集中在通过一次压制/ 一次烧结提升零件材料的密度 , 利用新合金系统(包
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
括开发烧结硬化材料 , 以取消热处理)生产抗拉强度
较高的材料 。 关于提高密度的 问题将在下一 节讨
论 。 新合金系统涉及到采用非传统的粉末冶金合金 化元素 , 诸如铬 、锰及硅 。 在 1980 年代开发的一种 这类材料是 A ncorsteel 41A BTM [ 10] 。 这种材料是利
Anco rloy MD 钢粉的一个重要特性是 , 不用加 速冷却 , 在烧结与回火状态就能得到高强度 。在于 690 M Pa 下压制后 , 抗拉强度就能达到 1 380 MP a 。 达到这个高 强度 的同时 , 材 料的拉 伸伸 长率 约为 2 %。这些材料意味着在开发齿轮应用的高强度粉 末冶金材料方面前进了重要一步 。也可将他们包括 在铁粉的不需要单独热处理工序的 , 粉末冶金材料 的烧结硬化牌号一类 。
体强化剂 。可是 , 其在粉末冶金钢中的应用局限于 电磁合金 。为了使合金添加剂效益最大化 , 添加硅
需要采用高温烧结(1 175 ℃和更高)。 表 1 中列出
了 H oeganaes Corp 当前在市场上销售的 Anco rloy
MD 系列合金 。
表 1 Ancorloy MD 系列的化学组成(质量分数) (%)
版号 MDA M DB M DC M DC L
Si 0.70 0.70 0.70 0.35
Ni 0.05 2.00 4.00 4.00
Mo 0.03 0.85 0.85 0.85
C 0.90 0.60 0.60 0.60
开发这些牌号时 , 最重要的是使抗拉强度 、韧 度及 冲击性 能最大 化 。 Anco rloy M DA , A ncorloy M DB 及 Anco rloy M DC 的常规压制证明 , 生产的综 合性能能够接近等同于某些球墨铸铁与可锻铸铁牌 号[ 1 1] 。采用密度较高的生产工艺 , 能够在接近等于 或高于用常规压制生产的产品的强度水平下达到高 韧度 。