高强度铁基粉末冶金ORT齿圈的研制.pdf

第 2 6卷第 5期 2 0 0 8年 l O月 粉末 冶金技术 Po wd e r M e t a l l ur g y Te c h no l o g y Vo 1 ． 2 6，No． 5 Oc t ． 2 00 8 高强度铁基粉末冶金 OR T齿圈的研制 王季林 无锡市南方粉末冶金制品有限公 司，江苏无锡2 1 4 1 6 1 摘要 密度为 7 ． 2 g ／ c m 相对 密度 9 3 ％ 的 F e ， C u N i Mo WC C铁基粉末 冶金结构 钢制成 的洗 衣机零 件 O R T齿圈 ， 在可控气氛下碳氮共渗淬火、 低温回火后 ， 其组织为针状 马氏体 ， 细小 的 WC硬质颗粒均 匀分布在 基体 中， 抗拉强度达到 9 8 0 MP a 。其综合力学性能优越 ， 耐磨性优于 G C r 1 5轴承钢件。 关键词 双动力洗衣机零件 O R T齿圈 ； 粉末冶金结构钢 D e v e l o p me n t o f h i g l l s t r e n g t h p o w d e r me t a l l u r g y F e b a s e d O R T r i n g g e a r W a ng J i l i n Wu x i C i t y S o u t h P o w d e r Me t a l l u r g y P r o d u c t L i mi t e d C o m p a n y ， Wu x i J i a n g s u 2 1 4 1 6 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Af t e r b e i n g c a r b o n i t r i d e d a n d h a r d e n e d i n c o n t r o l l e d a t mo s p h e r e a n d t e mp e r e d a t l o w t e mp e r a t u r e ， F e Cu Ni Mo - W C C mu l t i e l e me n t f e r r o u s P／ M s t r u c t u r e s t e e l wi t h t h e d e n s i t y o v e r 7． 2 g ／ c m3 d e n s i t y r a t i o 9 3％h a s mi c r o s t r u c t u r e o f a c i c u l a r ma r t e n s i t e a n d h i g h s t r e n g t h u p t o 9 8 0 MP a a n d we a r r e s i s t e n c e s u p e r i o r t o GC r l 5 b e a r i n g s t e e 1 ． S ma l l h a r d W C p a r t i c l e s a r e u n i f o r ml y d i s t r i b u t e d i n t h e b a s e ， h a r d n e s s a n d we a r r e s i s t a n c e p r o p e r t y o f t h e b a s e a r e d i s t i n c t l y i mp r o v e d． M e c h a n i c a l p r o p e r t y o f OR T r i n g g e a r ma d e f r o m t h e ma t e r i a 1 c o mp l e t e l y me e t t h e s p e c i f i c a t i o n s o f s up e r d e c e l e r a t i o n c l u t c h o f d up l e x dy n a mi c wa s h e r． Ke y w o r d s d u p l e x d y n a mi c wa s h e r p a r t OR T r i n g g e a r ； P ／ M s t r u c t u r e s t e e l O R T齿 圈 图 1 是具 有桶 回转 技 术 的洗 衣机 中超级减 速离合 器 的核 心 零 件 ， 其 梅 花 形 内齿 圈 表 面工作 时承受最大压强 3 3 0 0 ～3 8 0 0 MP a ， 转 速 1 8 0 --2 0 0 r ／ mi n ， 与内齿表面相接触的工作“ 激波器” 高频率交变旋转 正转 1 ． 5 s 、 停止 0 ． 2 s 、 反转 1 ． 5 s ， 图 1 OR T 齿 圈 Fi g． 1 ORT r i n g g e a r *王季林 1 9 5 2 一 ， 男 ， 工程 师。E ． ma i l s a l esn f f my j ． e o m 收稿 日期 2 0 0 8 一O 1 2 3 因此 ， 梅花形内齿圈表面工作时承受较大的交变冲 击力 和摩擦 力 。所 以 ， 要 求 O R T 齿 圈 的 力 学 性 能 应达 到 硬 度 为 4 8 ～5 5 HR C， 抗 拉 强 度 5 5 0 MP a ， 伸长 率 0 ． 2 ％ ， 耐冲击 、 耐磨 损 。 在研 制初 期采 用 G C r l 5轴 承钢 ， 经 下料 、 锻 造 、 车加工、 热处理、 磨加工、 线切割等加工工序制造。 材料利用率低 ， 生产成本高 ， 零件批量生产尺寸精度 和形位 精度不 稳定 ， 批 量生产 受 到很大 限制 ， 不能满 足生产需 要 。 为 此 ， 笔 者 设 计 成 分 为 F e C u Ni ． Mo - WC - C多 元铁基 粉末烧 结钢 试 制 O R T 齿 圈 。设 计 要 求 材料 性能 达 到 抗 拉 强 度 ≥ 6 0 0 MP a ， 高 硬 度 5 0～ 5 5 HR C， 耐 冲击 ； 耐磨性优 于 GC r l 5轴 承 钢 ； 烧 结 变形 小 、 热处理 变形小 ， 以保证 制造 零件精度 。 1 试验过程 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷第 5期 王季林 高强度铁基粉末冶金 OR T齿圈的研制 3 7 5 选用 铁 基材 料 作 为基体 ， C u 、 N i 、 Mo 、 WC 、 C等 元素作 为强化组元。主要原材料的技术要求 见表 1 ； 为提高金 属粉 末压 制 时 的成 形性 能 ， 在 材料 中另 加 1 ％硬脂酸锌成形剂， 材料成分配比见表 2 。为了 尽可能降低高密度 we 理论密度 1 5 ． 6 g ／ c m 和石 墨 理 论密 度 2 ． 2 5 g ／ c m 在混 料时 与 F e 等 主要 合 金元素 因密度差 异 较大 而 形成 的偏 析 的程 度 ， 混 料 前在 F e粉 中另 b J J tl 入 低 粘度 锭 子油 约 0 ． 1 ％。采 用复压 、 复烧 和碳 、 氮共 渗 淬火 及低 温 回火工 艺 ， 最 后用 Y G 8硬 质合 金 芯棒 精 整梅 花形 内齿 圈并 磨 削 零件 的端 面及外 圆。 在 HR VC 一 1 8 7 ． 5型布 洛维硬度 计 上测 定烧 结 件硬度 HR B 和淬 火件硬 度 H R C ； 在 T G 3 2 8 A S 型分析 天平上测 预压件 、 复压件 密度 ； 在 4 X B 一 Ⅱ型 双 目金相显微 镜上 观 察工 件 的烧 结 、 淬 火态 材料 组 织 ； 在 wE 一3 o 0型 3 0 0 k N液 压 万 能试 验 机 上测 抗 拉强度、 伸长率 试样执行 G B ／ T 7 9 6 31 9 8 7标准 ， 厚度 6 ram 。 表 1 原材 料技术要求 Ta b l e 1 Te c h n i c a l r e q u i r e me n t o f r a w ma t e r i a l s 表 2 材料成分配比 质量分 数 Ta b l e 2 Comp o s i t i o n s of ma t e r i a 1 ％ F e粉 C u粉 N i 粉 Mo粉 WC粉 石墨粉 余量 3 ． 5 1 ． 2 0． 4 0 ． 6 1 ． 2 2 试验结果与分析 2 ． 1 工艺 条件对 合金性能 的影响 试 验采 用的复压 、 复烧 和碳 、 氮共渗 淬火及低 温 回火主要工 艺条件 初压 压 力 5 0 0 MP a ， 密 度 6 ． 2 g ／ c m ； 在 网带 炉 预 烧 0 ． 5 h ， 预 烧温度 7 8 0 ～8 2 0 ℃ ， 分解氨气 氛保护 。 复压 压力 6 8 0 MP a 。 密度 7 ． 2 g ／ c m0 。初 压 、 复 压 均 在 2 o 0 0 k N全 自动粉 末 液压 机 A 型模 架 上 进行 ， 通 过 双向压 制使零 件 上 、 下密 度趋 于均匀 。复 烧 在 网 带炉 分 解 氨 气 氛 中 于 1 1 5 0 ℃ 烧 结 1 ． 5 h ， 然 后 在 8 9 0 ℃碳 、 氮共渗淬 火 ， 于 1 8 0 ℃ 回火 。复 压 、 复 烧 和 碳 、 氮共渗淬火的试样 表 2的成分 力学性能见表 3 ； 复烧试样的光学显微组织见图 2 ， 碳 、 氮共渗淬火 试 样 的材 料组织 见图 3 。 表 3 复压 、 复烧和 碳、 氮 共渗淬火试样的力学性能 Ta b l e 3 M e c h a n ic a l p r o p e r t i e s o f r e p r ess e d a n d r e s i n t e r e d s p e c i me n a n d c a r b o ni t r i d e d a n d h a r d e n e d s pe c i me n 图 2复烧样 品的光学显微组织 2 0 0 Fi g． 2 Op t i c a l mi c r o s t r uc t ur es o f r e s i n t e r e d s pe c i me n 芯部一表层 图 3碳、 氮共渗淬火样 品的材料组织 Fi g． 3 Opt i c a l mi c r o s t r u c t ur e s of c a r b on i t r i d e d a n d ha r d e ne d s p e c i me n 由图 2中可 以看 到 ， 烧 结态 材 料 的组织 为 细片 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 7 6 粉末冶金技术 2 0 0 8年 l 0月 状珠光体和少量铁素体 ； 其 中， 白色块状为钼复合碳 化物 。Mo是碳化物形成元素 ， 烧结时形成高硬度 复合碳化物， 能阻止晶粒长大 ， 使得到细且强度高的 珠光体； 此外 ， Mo溶入 F e基体 中还能起 固溶 强化 作用 ， 并增加珠光体含量 ， 从而提高强度⋯ 1。 材料 中加 入 的 Ni 可 以产 生 固溶强 化 作 用 。Ni 是扩大 7相区和稳定奥 氏体 的元素。针对 Ni 在 7 一 F e 中的扩散系数较小 ， 采用混合粉烧结 Ni 钢时 ， 必 须选用很细的 Ni 粉 ， 并在较高温度烧结来达到合金 均匀化。Ni 在提高韧性的同时， 还可提高耐热强度 和高温抗氧化能力 ， 这对减少工件在重负荷下产生 的剥落、 破碎 、 提高耐磨性有利L 2 J 。 在 F e 粉中同时加 入 C u 、 Ni 粉时， 两种合金元 素的附加强化作用不是累加 ， 当两种合金元素同时 存在于单相固溶体 中时得到 的强度显著高 于计算 值 。 W 元素 以碳 化 物 的形 式 加 入 到烧 结 碳 化 钢基 体中， 细小的 wC硬质相均匀分布于基体 中， 起 到 颗粒强化的作用 ， 材料的磨损性能显著提高。 由图 3可以看出， 碳 、 氮共渗淬火样品的材料组 织表层为针状马氏体和残留奥 氏体 ， 内部的残留奥 氏体量减少 ， 图中白色块状颗粒为未熔化的钼复合 碳化物。碳 、 氮共渗淬火工艺使材料表面硬化 ， 经测 定 ， 硬化层 渗碳层 厚度为 0 ． 0 8 ～0 ． 3 0 mm， 显微组 织 主要为 马氏体 ， 回火 硬度 4 8 ～5 5 H R C。烧 结 硬化 钢经热处理后 ， 其组织构成由珠光体转变为马氏体 ， 溶人基体 的 Mo 、 Ni 、 C u等元素 ， 在热处理过程中进 一 步起到强化作用 ， 因而明显提高了基体的硬度和 耐磨 性能 _ 4 _ 5 j 。 2 ． 2 C u与 c含量对 合 金性能 的影 响 为满足产品烧结件具有高密度 、 高强度和较好 的综合 力学性 能要求 ， 以及 梅花 形 内孔 变形量 小 、 尺 寸稳定性好等要求 ， 将 此 F e C u ． Ni Mo ． WC ． C材料 中 F e 、 Ni 、 Mo 、 WC的含量 固定， 压坯密度为 7 ． 2 g ／ cr n0 ，通过调整 C u 、 C质量分数的一组试验 表 4 找 到能满足上述要求较理想 的成分配比。 表 4 不 同成分粉末冶金结构钢的力学性 能比较 Ta Ne 4 G啪 p s 0 n o f me c h a n i c a 1 p r o p e r t i e s f o r P A V I s t r u e t u r e s t e e l s wi t h d i f f e r e n t c 0 mp 0 s j t i o n s 从 1 与 2 、 3 与 4 两组合金成分比较可以看 出， 在含 C量不变 的情况下 ， 随着 C u含量增加 ， 烧 结 件 的硬度 、 抗拉 强度 随之提 高 ， 但烧 结膨胀 率也 相 应增大。这是由于在 F e C u ． C系中， C u在合金 中不 仅起到固溶强化的作用 ， 而且在烧结时形成液相渗 到 F e 颗 粒 中 ， 在随后 的烧结 致密化 过程 中 ， 原来 C u 颗粒存在的地方有可能 留下微孔 ， 使得烧结件 出现 膨胀 。 从 2 与 3 、 4 与 5 两 组合金 成分 比较可 以看 出 ， 在含 C u量 不 变 的情 况 下 ， 随着 C含 量 增 加 ， 烧 结件膨胀率分别有所下降。 为 了获得 高 硬度 、 高 强度 和 较好 的综 合 力学 性 能 ， 应 当将 C元素含量控制在使烧结件组织尽可能 全部是珠光体。在 网带炉分解氨气氛 中保护烧结 时 ， F e - C系烧结后 C e 含量一般 为石墨加 入量 的 6 0 ％左右 j ， 因此要控 制在共 析点 的全 珠光体 成 分 ， 石 墨加入 量约 为 1 ． 3 ％。 由于所加 的 C u 、 Ni 、 Mo 金属元素在合金中都使 S点 共析点 左移 ， 使共析 钢含 C量 降 低， 即在本 试 验 条件 石 墨加 入 量为 1 ． 2 ％时 3 、 4 合金 获 得 1 0 0 ％珠光体 成分 。 5 合金虽然硬度、 抗拉强度 高， 但 由于出现较 多的渗碳体 ， 伸长率较低 ， 而且烧结膨胀率较大。从 表 4中 5种合金相比较可以看出， 3 合金综合力学 性能较好 ， 能满足使用要求 ， 烧结膨胀率较小。因 此 ， 将此合金的 C含量控制在 1 ． 2 ％， C u含量控制 在 3 。 5 ％ ， 可 较 精 确 控 制 F e C u C 系 烧 结 件 的 尺 寸 』 ， 将 梅 花形 内齿圈烧结 膨胀 率控 制在 0 ． 2 7 ％。 3装机试 用结果 为验证此材料能否满足使用要求 ， 无锡邦舁 电 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷第 5期 王季林 高强度铁基粉末冶金 O R T齿圈的研制 3 7 7 器有 限公 司分 别 将 本 材料 和 GC r l 5轴 承钢 制 造 的 OR T齿 圈 ， 装 在相 同机 型的大功 率洗 衣机超 级减 速 离合 器 中 ， 按 国家洗 衣 机 行业 的惯 例 ， 进 行 5 0 0 0 h 不间断开机 满负荷 最 长 时 间的 疲劳 试 验对 比， 内齿 圈在受 3 8 0 0 MP a 压强 下交 变 冲击 4 5 0万次 。然 后 拆开观察 ， 发现 所 研制 的新 材料 制造 的 OR T齿 圈 梅花形内齿圈表面无磨损现象 图 4 ， 完全能满足 使用要求； 而 G C r 1 5轴承钢制造的 OR T齿圈梅花 形 内齿圈边 缘有 明显 磨 损塌 边 痕 迹 图 5 ， 说 明新 材 料耐磨性 优于 G C r l 5轴 承钢 。 图 4 边 缘 无 磨 损 的 F e Cu Ni Mo WC C 粉 末 结 构 锢 OR T 齿 圈 Fi g。 4 ORT r i ng g e a r ma de o f F e ． C u Ni M 卜 W C C f e r r o u r P／ M s t r u c t ur e s t e e l wi t h o u t v e r g e wo r n 4 结论 1 F e C u Ni Mo WC C合金经 6 8 0 MP a复压 、 在 分解氨气氛下于 1 1 5 0 ℃复烧 ， 经过碳氮共渗淬火和 低 温 回火处理 ， 可 以获得 9 8 0 MP a的抗拉 强度 、 5 2 ～ 5 6 HR C的硬度以及 0 ． 2 ％的伸长率。 图 5边 缘 磨 损 的 G Cr l 5轴承 钢 ORT 齿 圈 Fi g． 5 ORT r i n g g e a r ma de o f GCr l 5 b ea r i n g s t e e l wi t h v e r g e wo r n 2 应 用所 研 制 的材 料 和 生产 工 艺 制造 的 OR T 齿 圈完全 满足双动 力洗衣 机超级减 速离合 器使用要 求 。其耐 磨性优 于 GC r l 5轴承 钢。 3 在 粉末烧结 钢 中直 接加 入 粒度 为 1 4 ～2 0 ,u m 的 WC颗粒 ， 可 以有 效地提 高工件 的耐磨性能 。 参考文献 [ 1 ] 申小平， 王继业 ， 苏晓虎 ， 等 ． 铁基粉末冶金 1忙块和滑块的试制 ． 粉 末 冶 金技 术 ， 1 9 9 5 ， 1 4 4 3 0 9 [ 2 ] 王 文辉， 马华农 ， 肖凯 ， 等 ．重负荷铁基粉末冶金摩擦 材料的研 制粉末冶金技术 ， 2 0 0 7 ， 2 5 2 1 2 1 1 2 5 [ 3 ] 徐润泽 ．粉末冶 金结构材 料学 ． 长 沙 中南 工业 大学 出版社 ， 1 9 9 8 6 99 0 [ 4 ] 何凤鸣， 茹红强 ， 霍地 ， 等 ． F e Mo Mn C u WC烧结 硬化 钢的摩擦 磨损性能／ ／ il l 东莱芜 2 0 0 5全国粉末冶金学术及应用技术会议论 文集 ． 2 0 0 5 2 8 8 [ 5 ] 孙大涌， 侯增寿 ， 樊东黎 ， 等 ． 热处理手册 第 1卷 ． 北京 机械工 业出版社 ， 2 0 0 6 ⋯，⋯，⋯----， ⋯，⋯，⋯-，，． -，， ，，lm’ ●● mm，， ’ l●l ，m，l ，●，m，’ 广告征订启 示 本刊是 由中国机 械工程学会 粉末 冶金分会 、 中国金 属学会 粉 末 冶金 分会 、 中国有 色金 属学 会 粉末冶 金及金 属陶瓷学术 委员会 共 同主办 ， 1 9 8 2年 8月创 刊 ， 是 我 国粉末 冶金行 业创 办最 早 的期 刊 ， 有 广大 的作 者与读 者群体 ， 覆盖 面广 ， 国内外公开 发行 。 我刊为 双月 刊 、 大 l 6开版 本 ， 现征 订 2 0 0 9年广告 ， 有意 者请速 与我刊联 系 ， 以便 安排版 面。 联系人 张彤 地址 北 京市 丰台区永外 东铁 匠营顺 五条 1 0号 邮编 1 0 0 0 7 9 电话／ 传真 0 1 0 6 7 6 2 1 3 1 7 手机 1 3 6 8 1 1 8 0 2 1 1 E ma i l f my j c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n ； z h a n g t o n g 7 0 1 2 6． c o rn 粉 末 冶金技 术 编辑 部 ； ， t ， ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m