齒輪作為重要的傳動零件, 在汽車上起著關(guān)鍵的作用。齒輪的密度、硬度等與材料的性能及制備工藝息息相關(guān)。先進(jìn)的壓形技術(shù)提高了粉末壓坯的密度, 改進(jìn)了粉末冶金制品的性能; 同時, 零件的尺寸精度可以獲得提高, 形狀也可以更加復(fù)雜。下面首先討論粉末冶金新工藝及其對齒輪的影響。
1. 1 溫壓成形
溫壓技術(shù)是在20世紀(jì)90年代開發(fā)并獲得工業(yè)應(yīng)用的制造高強(qiáng)度鐵基粉末冶金零部件的新型剛性模成形技術(shù)。該技術(shù)既保持了傳統(tǒng)模壓工藝的高生產(chǎn)率和尺寸精度高等基本特點(diǎn),又以較低的成本提高了零部件的密度(7.20～7.35g/cm3)。由于零部件密度提高, 其綜合力學(xué) 性能大幅度改善, 應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大, 為充分發(fā)揮粉末冶金的技術(shù)優(yōu)勢創(chuàng)造了條件。
溫壓技術(shù)的致密化主要通過在溫壓溫度下鐵粉顆粒的加工硬化速率降低和程度減輕, 以及鐵粉顆粒塑性變形阻力減小來實(shí)現(xiàn)的。此外,在成形過程中的顆粒重新排列, 也可以使密度提高 。目前已經(jīng)制備出抗拉強(qiáng)度達(dá)1500 MPa 的燒結(jié)鐵基零件。Ford 汽車公司已將質(zhì)量達(dá)1.2kg的溫壓流體變速渦輪轂用在發(fā)動機(jī)上。溫壓工藝的關(guān)鍵在于以較低的成本制造出高性能的鐵基粉末冶金零件,為汽車的零部件在性能與成本之間找到一個較佳的結(jié)合點(diǎn)。溫壓的優(yōu)勢在于: 壓坯密度和燒結(jié)密度高, 壓坯強(qiáng)度高, 脫模壓力低, 彈性后效小。
1. 2 高速壓制
瑞典開發(fā)了高速壓制的工藝。這種工藝的開發(fā)使高密度和超過5kg的大型粉末冶金零件的開發(fā)成為可能, 它使粉末能在20ms以內(nèi)被壓縮,而且在300ms內(nèi)多次壓制還可以進(jìn)一步提高密度。高速壓制作為大批量的生產(chǎn)方法可以突破目前粉末冶金的局限性。傳統(tǒng)壓制成形要求高的成形壓力,而成形壓力又受到壓機(jī)噸位的限制, 高速壓制則不受此限制。基于預(yù)合金化和擴(kuò)散合金化的粉末密度可以達(dá)到7.4～7.7g/cm3,這種新型的制造技術(shù)最近引入到了粉末冶金行業(yè)。高速壓制的致密化主要通過由液壓控制的沖錘產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波來實(shí)現(xiàn),沖錘的質(zhì)量和壓制時的速度決定了沖擊功的大小和致密化程度。由于采用液壓控制,安全性能較高。通過合適的工藝控制,可以避免非軸向的反彈引起壓坯的微觀缺陷。對于高速壓制, 進(jìn)行多次壓制是可能的,
而傳統(tǒng)壓機(jī)在第一次壓制后的重復(fù)壓制密度不會顯著增加。因?yàn)?kJ的沖擊功與2次2kJ的沖擊功, 其壓制密度是相同的。因此, 可以采用中等壓機(jī)經(jīng)多次壓制達(dá)到高密度。多次沖擊壓制也可以快速完成,因?yàn)槊看螞_擊的間隔時間小于300ms。這種壓機(jī)可以用計算機(jī)精確控制沖錘的行程和沖擊功,由其壓制的零件生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)的成形工藝大體一致。
傳統(tǒng)粉末壓坯的密度呈中間低、兩端高的分布, 這樣易造成燒結(jié)后中部收縮過大而影響零件的尺寸精度。而高速壓制的零件,密度分布則較為均勻。燒結(jié)后中部與端部尺寸相差將會較小, 這樣將改善零件尺寸的一致性。高速成形如果再與其他工藝相結(jié)合,則材料的性能將會大幅提高。含碳0.4%的ASTALOY CrM 預(yù)合金化粉末經(jīng)高速壓制后的壓坯密度達(dá)7.5g/cm3 ,經(jīng)1250℃高溫?zé)Y(jié)后抗拉強(qiáng)度達(dá)到1220 MPa , 經(jīng)1120 ℃燒結(jié)硬化處理后抗拉強(qiáng)度為1380 MPa。由此可見高速壓制的零件,其性能達(dá)到了一個較高的水平。高速壓制作為介于傳統(tǒng)粉末成形和粉末鍛造之間的工藝, 其優(yōu)勢是明顯的。由于具有良好的性價比,應(yīng)用范圍比較廣泛。具體而言, 其優(yōu)勢有: 較高的且分布均勻的密度, 高生產(chǎn)率, 可以生產(chǎn)幾公斤的大零件, 較小的彈性后效和較高的精度,可以生產(chǎn)長徑比較大的零件(長徑比可達(dá)6. 0) 。
高速壓制技術(shù)目前尚在不斷開發(fā)之中, 在開發(fā)的初期僅僅能成形沒有臺階的直桶類簡單零件,而現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了能成形一個臺階的較復(fù)雜零件。但是對于其他形狀更復(fù)雜的零件目前尚不能生產(chǎn), 這也是高速壓制技術(shù)受到局限的重要原因。
1. 3 燒結(jié)硬化
燒結(jié)硬化是將粉末冶金的燒結(jié)與提高材料性能的淬火熱處理工序合二為一, 以降低成本。燒結(jié)硬化工藝可以省去燒結(jié)后熱處理工序, 同時可以獲得高強(qiáng)度和高硬度的性能, 從而降低生產(chǎn)成本。此外, 淬火時會產(chǎn)生高的殘余內(nèi)應(yīng)力并且使零件發(fā)生變形, 給控制零件尺寸公差帶來困難。燒結(jié)硬化工藝, 由于燒結(jié)后的冷卻速度遠(yuǎn)低于淬火的冷卻速度,因而可以使變形減少到最小。因此燒結(jié)硬化工藝適用于難以處理的大型以及形狀復(fù)雜的零件。
燒結(jié)硬化鋼一般用來制造中高密度零件。一般情況下,燒結(jié)硬化鐵粉的主要合金元素有鉬、錳、鉻、銅和鎳等。含有這些合金元素的材料具有足夠高的淬透性,在燒結(jié)冷卻期間能夠淬硬。燒結(jié)硬化后合金金相組織多為馬氏體, 此外還有少量的細(xì)珠光體、貝氏體和殘余奧氏體; 根據(jù)燒結(jié)溫度和時間的不同,可能還有少量的富鎳區(qū)。根據(jù)燒結(jié)的實(shí)際條件和零件的具體要求, 適當(dāng)調(diào)配化學(xué)成分, 在冷卻后可以得到要求的硬度和性能。據(jù)文獻(xiàn)報道,目前已經(jīng)有大量的燒結(jié)硬化齒輪開始應(yīng)用于汽車等傳動機(jī)構(gòu)上。與傳統(tǒng)的工藝相比, 它降低了生產(chǎn)成本,但是沒有降低任何使用性能。這些齒輪的尺寸精度高, 噪音低, 強(qiáng)度高,耐磨性和耐腐蝕好。寧波東睦(NB TM) 公司的齒輪,通過燒結(jié)硬化, 密度大于7.0 g/cm3 , 經(jīng)過回火處理后硬度大于HRC40 。與傳統(tǒng)方法相比成本降低10 %,且減小了淬火變形的危險。
1. 4 高溫?zé)Y(jié)
高溫?zé)Y(jié)是提高強(qiáng)度的一項(xiàng)重要措施。通過高溫?zé)Y(jié), 可以使一部分氧化物還原、提高原子的擴(kuò)散速率和增加成分均勻性,可以使孔隙充分球化和孔隙間距更大, 適合于新型粉末冶金材料例如高速鋼、不銹鋼和高溫合金等。這樣, 可提高零件的密度、機(jī)械性能、軸向/
旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度、耐蝕性和物理性能。但是, 也存在一些弊端, 例如設(shè)備損耗加大、能耗增加、爐子維護(hù)成本增加、生產(chǎn)率降低、零件變形加大、零件的同軸度降低、低冷卻速率以及其他工藝問題。因此,粉末冶金零件高溫?zé)Y(jié), 將會增加一些額外的成本。
對于鐵基材料而言, 高溫?zé)Y(jié)適用于以下幾種情況: 材料需要高溫?zé)Y(jié), 如新型含硅的鐵基材料、高性能不銹鋼;高溫?zé)Y(jié)是最有效或唯一能達(dá)到要求的方法; 高溫?zé)Y(jié)能減少工序或其他設(shè)備,如將二次壓制改為一次壓制; 預(yù)合金或預(yù)混粉燒結(jié),此時由于一些氧化物被還原, 其合金化程度增加、硬化性能改善、機(jī)械性能提高。燒結(jié)齒輪性能不穩(wěn)定的一個重要原因是混合粉的偏析。通過高溫?zé)Y(jié),可以顯著減小或消除偏析的影響。高溫?zé)Y(jié)對于一些材料是必需的, 另一方面, 在較低溫度燒結(jié)時,現(xiàn)有的材料沒有完全發(fā)揮潛能。要完全開發(fā)這些材料的潛能, 即要求它們具有高的表觀硬度、超常的耐沖擊性和抗拉強(qiáng)度,也必須使用高溫?zé)Y(jié)。具有這些性能的粉末冶金零件, 其競爭力將會很強(qiáng); 盡管根據(jù)國外的分析, 高溫?zé)Y(jié)將增加成本約10 %～15 %。
1. 5 熔滲
熔滲是在燒結(jié)過程中將其他材料(對于鐵基燒結(jié)件而言主要是銅) 熔化并在毛細(xì)管和重力的作用下滲入燒結(jié)坯內(nèi),以提高零件的密度和性能。一般情況下, 原材料費(fèi)用較高, 熔滲時銅向骨架基體中擴(kuò)散和生成大量液相, 尺寸變化較大。寧波東睦公司的滲銅齒輪,其質(zhì)量達(dá)到2 700 g 、高度超過70 mm ; 燒結(jié)熔滲處理后, 齒輪的硬度為HRB85 , 總體密度為7. 3 g/ cm3 。
