碎纸机用粉末冶金齿轮的研制.pdf

第 1 8 卷第 2 期 2 0 0 8年 4月 粉末 冶 金工 业 P0W DER M ET ALLURGY I NDUS TRY Vo1 ．1 8 No ．2 Ap r ． 2 0 0 8 碎纸机用粉末冶金齿轮的研制 丁华 堂 闽东金锋粉末冶金有 限公 司 ， 福建周宁 3 5 5 4 0 0 摘 要 本 文通过 大量 实验 深入地 研 究 了碎 纸机 用粉 末 冶金 齿轮 的 生产 工艺 ， 找 到 了适合 齿轮 生产 的工 艺方案 ， 成 功地研 制 出了碎 纸机 用粉 末冶金 齿轮 。 关键 词 粉 末 冶金 ； 齿轮 ； 碎 纸机 中图分 类 号 TF 1 2 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 0 8 0 2 0 0 1 8 0 5 DE VE I OP ME NT OF P ／ M GE AR S F OR P AP E R S HE AR E R DI NG Hu a - t an g F u ] i a n Mi n d o n g J i n f e n g P o w d e r Me t a l l u r g y C o ． L t d ， Z h o u n i n g F u j i a n 3 5 5 4 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e P ／ M g e a r s f o r p a p e r s h e a r e r we r e d e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y t h r o u g h e x p e r i me n t a n d t e c hn ol og y s t ud y ． Ke y wo r d s p o we r m e t a l l ur g y； g e a r ； p a pe r s he a r e r 随着粉末冶金工业的发展， 粉末冶金技术的不断 进步， 粉末冶金节能、 节材的这一优势不断得到体现， 粉末冶金零 件 的应 用领域 正 日益 拓展 。近年 来 ， 粉末 冶金零件层出不穷， 粉末冶金工业的发展如火如茶。 碎纸机是常见的办公设备。碎纸机在工作过程 中， 齿 轮要 承受 高 强度 的交 变 载 荷 。生产 厂家 为 了 保证碎纸机产品质量， 装机前对各部件进行碎纸机 极 限使 用状 态 的台架 试 验 转 堵 试 验 ， 以检 验 各 部 件是否 满 足使 用 要求 。要使 碎纸 机齿 轮满 足使用 要 求 ， 则不仅要求有较高的整体硬度 3 0 ～3 5 HRC ， 同时还要求有很高的齿根弯曲强度 ≥6 5 0 MP a 。 本 文作 者 通 过 大量 试 验 ， 对 碎纸 机 齿 轮 的生产 工艺作 了较为深人的探索 ， 找到 了适合 齿轮生产的 工艺方法， 成功地研制出了碎纸机用粉末冶金齿轮； 其 齿轮 密度 为 6 ． 9 7 g ／ c m。 ， 硬度 为 3 0 ～3 5 HR C， 齿 根弯 曲强度 达到 6 9 4 MP a 。经使 用厂 家 台架试验认 定 ， 齿 轮完全 满 足使用要 求 。 1 碎纸机用粉末冶金齿轮 1 齿轮的几何尺寸如图 1 所示 。 l U 一 一 卜 ⋯ ／ 一 、 川 ， 、 、 、 ． 。 ～ ／ ～ ‘．一 。 1 4 3 I 1 5 一- Ⅲ0 ． 1 ’ 一 ～ 卜 1 图 1 碎纸机齿轮 的几何尺寸 2 齿形 参数 如表 1所示 。 表 1 齿形参数 参数名称 数值 齿数 z 模数 m 压力角 a ／ 。 分度 圆直径／ ram 公法线长度／ ram 公法线变动量／ ram 变 位 系 数 x 跨测齿数 1 ． 1 齿 轮 的几何 尺寸 和齿 形参数 1 ． 2 齿轮 的物理 力学 性能及 台 架试验 要 求 收稿 日期 2 0 0 7 1 1 --0 8 作者简介 丁华 堂 1 9 6 5 一 ， 男 汉 ， 福建长汀县人 ， 工 程师， 从事粉末冶金新产品开发工作。 M 一 2 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 丁华 堂 碎纸 机用粉末冶金齿轮的研制 1 9 1 齿轮 的物 理 力学 性能 如 表 2 所 示 。 表 2齿轮的物理力学性 能 项 目 数值 硬度 HR C 密度／ gc m 齿根抗弯强度／ MP a 2 台架试 验 转堵实验 。这是一个 检验碎纸 机各部件是否满足极限使用要求的台架实验 。试验 时 ， 开机让碎 纸机正转 ， 在进 纸 口同时插入美 国产 7 5克 A4纸 数 张 ， 碎 纸机 即进 入 碎 纸 工 作 状态 。 由 于试验是在碎纸机级限工作状态进行 的 ， 当进纸数 量达到使用极 限时 ， 碎纸机的电机 因超负荷而停转 ， 此时试验人员停机并开启反向键使碎纸机反转让纸 退 回， 然后再次开机正转⋯⋯。电机每停转一次称 为转堵试验一次 ； 如此反复进行。 合格 的试验转堵 次数如下 1 9张美 国产 7 5克 A4纸进行转堵试验达到 2 0 0次 ， 完成后再用 2 O张 美国 A4纸切 完一叠 ， 如果碎纸机仍然保持正 常工 作状态 ， 就判定碎纸机为合格 。 2 工艺路线 的制定 和主要原料 的选用 2 ． 1工 艺路 线 的制 定 根据齿轮的性能要求 ， 选定 F e Ni Mo C u C系 合金作为齿轮的材质 。 工艺路线 混粉一压制一烧结一光亮热处理一 清理 一 浸油一 包 装 。 2 ． 2主要原 料 的选 用 1 水雾 化 F e Ni Mo预合 金 粉 ， 材 料 化 学 成分 和物 理 性能 如表 3所 示 。 表 3 材料的化学成 分和物理性能 2 电解铜粉 ， 技术条件满足 G B ／ T5 2 4 6 1 9 8 5 规定 的 FTD3型号要 求 。 3 石 墨粉采用 3 8 m 一4 0 0目 高纯石 墨 粉 ， 总碳 大 于 9 8 ％ 以上 。 3 实验方法 3 ． 1 铜含量对齿轮物理力学性能的影响 在石墨加量一 定和硬 脂 酸锌加 量一 定 、 及 压制 密 度为 6 ． 8 g ／ c r D ．3的情 况下 ， 通过 改变不 同的加铜量 1 ． O 、 1 ． 5 、 2 ． O 、 2 ． 5 、 3 ． O 、 3 ． 5 、 4 ． O 试 制 齿轮样品， 检测烧结后齿轮的硬度和齿根弯曲强度， 观 察铜含量对齿轮力学性能的影响。烧结条件 烧结温 度 1 1 2 o ℃， 在 NH3 分解保护气氛下烧结 1 h 。 3 ． 2 石墨加量对齿轮物理力学性能的影响 通过 3 ． 1 实验 ， 选定合理 的铜含量后 ， 仍然加入 原来量的硬脂酸锌 ， 压制密度仍 为 6 ． 8 g ／ c m。 。通 过 改 变 不 同 的 石 墨 加 量 0 ． 8 、 1 ． 0 、 1 ． 2 、 1 ． 2 5 、 1 ． 5 来试制齿轮 。检测烧 结后 齿轮 的硬 度和齿根弯曲强度 ， 观察 不同的石墨加量对齿轮物 理 力 学 性 能 的影 响 。烧 结 条 件 烧 结 温 度 1 1 2 0 ℃ ， 在 NH。 分 解保 护气 氛下 烧 结 1 h 。 3 ． 3烧 结温 度 的选 定 在确定铜 和石墨加量后 ， 压制密度仍然控制在 6 ． 8 g ／ c m。 。通过 改变 不 同的烧结 温度 1 1 2 0 ℃、 1 1 4 0 ℃ 、 1 1 6 O ℃ 、 1 1 8 0 ℃ 、 1 2 0 0 ℃ 来 烧结 齿 轮 保 护气氛仍为 NH。 分解气 ， 检测烧后齿轮的硬度 和 齿根弯 曲强度 ， 观察不 同的烧结温度对齿轮物理力 学性 能 的影 响 。 3 ． 4热处理 工 艺 的制定 依据资料[ 3 对金属材料热处理 的论述 ， 同时参 考 资 料口 对 F e Ni - Mo - C u - C 材 料 的热 处 理 实 验 数 据 。本文作者充分考虑实验的实际情况 ， 制定齿 轮 光亮热处理工艺如下 在 网带式光亮淬火炉中、 将齿 轮 在 NH。分 解 气 保 护 下 ， 在 8 6 0 ℃ 温 度 保 温 3 O mi n ， 之后在光亮淬火油 中淬火 。最后在 2 5 0 ℃温度 油 中 回火 1 ． 5 h 。 4 实验结果 4 ． 1 铜含量对齿轮硬度和齿根抗弯 曲强度的影响 铜 含量 对 齿轮 硬度 和齿 根抗 弯 曲强度 的影 响如 ∞ ∞ ∞ 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 粉末冶金工业 第 1 8卷 图 2所示 。 鼎 鼋 讣 蜩 图 2铜含量对齿轮烧结后物理力学性能的影响 a 硬度 ； b 齿根 弯曲强度 4 ． 2石 墨加量 对 齿轮 烧 结 后硬 度 和 齿 根 弯 曲强度 的影 响 石墨加 量对 齿轮烧 结后 硬度 和齿 根弯 曲强度 的 影响 如 图 3所示 。 鼎 钽 蜩 图 3在含 C U 量不变的条件下石墨加量对烧结后 齿 轮 物 理 力 学 性 能 的 影 响 a 硬度 ； b 齿根抗弯强度 4 ． 3 烧 结温 度对 齿轮 物理 力学性 能的影 响 烧结温度对齿轮物理力学性能的影响如图 4 所示。 鼎 钽 蛔 图 4 烧 结温度对 齿轮物理力学性能的影响 a 硬度 ； b 齿根弯曲强度 4 ． 4齿轮进 行光 亮热 处理后 的 物理 力学性 能 齿轮进行光亮热处理后的物理力学性能如表 4 所示。 表 4 齿轮进行光亮热处理后的物理力学性能 5 分析与讨论 受粉末冶金工艺特性 的影响， 粉末冶金材料都 或多或少地存在着一定数量 的孑 L 隙， 铁基粉末冶金 材料也不例外 。这就使得材料在承受载荷时， 材料 内部的孑 L 隙引起应力集 中而产生裂纹 ， 最终导致材 料断裂l 2 ] 。因此不难想象， 要提高材料的强度 ， 其途 径 只能是在提高材料本身强度的同时， 最大限度地 减少孔隙 ， 以减轻材料承载时的应力集 中现象 。 正是基于这样 的考虑 ， 本文作者在研制高强度齿 轮时 ， 在材料配方 的设计上作 了较为深入 的探索 。 众 所周 知 ， 碳 是形 成 F e C合 金 的基 础 元 素 ， 它 与铁 形成间隙固溶体 ； 铜是铁基结构材料常用 的元素， 它 能溶入到铁 中起到 固溶强化 的作用l 1 ] ， 碳和铜 的 存在显著地强化 了铁基体。文献l 2 指出 镍与铁形 成置换固溶体 ， 能有效地提高基体的强度和韧性 ； 钼 与铁形成 固溶体 ， 并细化奥氏体晶粒 ， 大幅度地提高 基体 的强度和硬度 。此外， Mo 、 Ni 还可提高铁基体 的淬透性 ， 使材 料 热处 理 后 能 获得 优 良 的物理 力 学 性 能 。 从本 文 实验 3 ． 1的结 果 图 2可 以看 到 ， 铜 对 齿 轮材料硬度的影响表现为 当铜含量≤1 时 ， 齿轮 烧结后 的硬度 达不 到 HR C数 值， 实际情况硬度只 能 1 O 0 ～1 2 0 HB； 随 着铜含 量 的增 加 ， 硬度值 不 断升 高， 当铜含量达到 2 ． 5 时硬度达到峰值 ， 继续增加 铜量则硬度降低 。铜对齿轮齿根弯曲强度的影响与 硬度类似 ， 即随含铜量 的增加， 强度不断上升， 含铜 量达到 2 ． 5 时强度达到峰值 ， 此后继续加铜 ， 强度 反 而 降低 。 出现实验 3 ． 1现象 的原 因， 显然是铜对铁基体 形成固溶强化 的结果。当铜含量太少 ≤1 ％ 时 ， 这 种少量铜产生 的固溶强化效果可能是局部 的、 也可 能是整个组织的轻微强化， 但无论是哪种情况都无 法达到整个组织显著强化的效果 ； 因而在宏观的硬 度值上就无法得 到体现 ； 当然 ， 随着铜含量 的增加， 固溶强化 的现象逐渐加强 ， 硬度值也就不 断上升。 由于 Ni 、 Mo 元素是以预合金 的形式加入的， 加入前 已先和铁元素形成 固溶体 ， 这样就 降低 了铜在铁 中 的溶解 度 ； 因此 ， 当铜 含 量 达 到 2 ． 5 时 ， 材 料 的硬 度和强度都达到了峰值 ， 显然是铜在铁 中的溶解度 达到饱和的结果 。实验过程 中， 本文作者在观察齿 轮金相组织时发现， 当加铜量达到 2 ． 5 时， 组织 中 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 丁华 堂 碎纸机用粉末冶金齿轮的研制 2 1 部分区域有少量 的铜相存 在 ， 当铜含量达 到 3 ． 0 以上时就更多 。我们知道 ， 铜是软相 ， 它硬度低、 延 展性好 ； 这种未固溶 的单质铜显然对基体 的硬度和 强度 都 带来 不利 的影 响 。反 映 到 宏 观 实 验 中 ， 表 现 为硬度和强度都有所降低。 从 F e C相 图[ 3 ] 上可详知碳 的作用 ， 几乎钢 中所 有 的组织 都 是 由 F e和 C形成 的 间隙 固溶 体 。 由此 可 见 ， 石 墨 的加量 对 粉 末 冶 金 工 艺 过 程 的影 响是 至 关重要的。由图 3可 以看到 ， 当在氨分解气氛保护 下烧结 ， 石墨加量为 0 ． 8 时 ， 齿轮烧结后的硬度不 能显示 HRC值 。这是 由于这种烧结方式会导致大 约 5 O 的 石 墨 损 失 即 脱 碳 ， 实 际 化 合 碳 只 有 0 ． 3 左 右 ， 金相 显示 珠 光体 量 还 达 不 到 5 O ， 这 种 由铁素体为主构成 的组织 ， 硬度显然 会 比较低。当 石 墨加 量 在 0 ． 8 ～ 1 ． 2 5 之 间 时 ， 硬 度值 会 随 石 墨 的增 加而 上升 ， 通 过 金 相 组 织 的 比较 可 以清 楚 地 看 到 ， 珠 光体 量 随石 墨量 的增 加 而增 加 ， 当石 墨 加量 达 到 1 ． 2 5 时 ， 珠 光 体 量 达 到 9 0 ％ ， 说 明 碳 元 素 的 扩散已达到饱和状态 。继续增加石墨 ， 硬度值看不 到明显的升高 ， 金相组织 的珠光体量也不再增加 ； 富 余的石墨以游离状态存在或是形成石墨孔隙 ， 这种 游 离状态 的石墨 和 石 墨 孔 隙 的 增 加 ， 减 少 了材 料 承 载 时 的实 际 受力 面 积 ， 同 时也 增 加 了应 力 集 中 的机 会 ； 因此对强度的损害就显而易见 ， 金相和齿根弯曲 强度 的检 验 证实 了这 一 点 。 烧结 温 度对 齿轮 物 理力 学性 能 的影 响 主要 体现 在齿 根 弯 曲强度 上 。 由图 4可 见 ， 齿 轮在 1 1 2 0 ℃温 度下烧结 1 h与在 1 1 8 0 ℃温度烧结 1 h的情况 比 较 ， 其硬度值没有本质的区别 ， 随着温度的升高只略 有升高 。这就说明 1 1 2 O ℃的烧结温度足 以实现铜 的固溶强化 ， 因为铜的溶点只有 1 0 8 3 ℃ 。应该说 固 溶强化后 的室温组织具备 了较高的硬度 ； 但从整体 组织来看， 随着烧结 温度 的升 高、 烧 结颈 的不断长 大 、 孔隙的球化以及孔隙率的降低 ， 使材料承载时的 状 况发 生 了很 大 的 改变 。 因而 ， 齿 轮 材 料 的强 度 随 之大幅升高 。但过高的烧结温度会造成齿轮烧结时 的变形量 增 大 ， 导致 齿 轮 的尺寸 精度 偏差 。 钼元素细化奥氏体晶粒 的作用是很明显的。与 普 通 的 F e C和 F e C u C材 料相 比 ， 本 次 实 验过 程金 相所看到的珠光体均是细片状珠光体 ； 由于晶粒 的 细化及合金元素的固溶强化作用 ， 使材料 的强度显 著增加， 使得材料在烧结态就获得 了普通铁碳材料 热处 理后 的硬度 。 从表 5 齿 轮热处理前后对 比数据可知 ， 热处理 过程 通 过组 织 转变 和 内应 力 的消 除 ， 齿 轮 的强 度 和 硬度都有了很大的提高 。 表 5齿轮热处理前后数 据对 比 要生产 出合格 的粉末冶金零件 ， 光有好 的材质 是远不够的， 正如本文分析 与讨论开头所讲 的要最 大限度 的提高零件密度 、 降低孔隙率 。众所周知 ， 齿 轮有很发达的外表 面， 大面积 的齿形面使齿轮在压 制 时导 致粉 末 与模 腔 的摩 擦 力 增 加 ， 这 样 就 造 成齿 轮 的齿 面密 度低 ， 从 而使 齿 轮 的整 体 密 度 达 不 到 理 想的状态 ， 采用常规压 制工艺 只能使齿轮压制密度 达到 6 ． 8 g ／ c m。 。为 了解决这个 问题 ， 本文作 者采 取了下列措施 一是用硬质合金材料作为 阴模材料 并降低 阴模型腔的粗糙度 ， 使粗糙度达到镜面 的数 值 ； 有效地减小 了粉末与模腔的摩擦 ， 从而提高齿形 面的压制密度。二是使用蜡性成形剂。这样就从根 本上改变了粉末的成形状况 ； 提高 了粉末与粉末之 间以及粉末与模 腔之 间的润滑性。实施上述措施 后 ， 齿轮的压制密度有了很大的提高， 齿轮坯压制密 度达到 7 ． O 5 ～7 ． 1 0 g ／ c m。 。本文作 者对热处 理后 的齿轮进行表面清理 ， 以去除齿轮的粗糙表皮， 减少 齿轮工作时形成表 面的应力集 中点 ， 进一步稳定齿 轮 强度 。 改进 压 制 工 艺 后 齿 轮 的物 理 力 学 性 能 如 表 6 所示。经使用厂家 台架试验认定 ， 所生产 的齿轮完 全达到性能和使用要求 。 表 6 改进 压 制 工 艺 后 齿 轮 的 物 理 力 学 性 能 物理力学性能 样号 密度 HRc 齿根 弯曲强 备注 ／ g c m一 0 度 ／ MP a 6 8 0 压制 密 度 7 ． 0 5 ～ 7 ． 1 O 6 9 4 g ／ 。烧 结 温 度 6 9 2 1 1 8 0 “ C， 时间 1 h ， N H3 6 8 2 分解气氛保护， 淬火温 6 8 5 度 8 6 0 C， 2 5 0 “C油 回火 6 91 1 ． 5 h 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 粉末冶金工业 第 1 8卷 6 结论 用本 文所 述 工 艺方 法 生 产 的碎 纸 机齿 轮 ， 产 品 密度 达到 6 ． 9 7 g ／ c m。 ， 硬度 为 3 0 3 5 HR C， 齿根 弯 曲强度 达 到 6 9 4 MP a 。完 全 达 到 齿 轮 要 求 的参 数 值 ， 也 完全 满足齿 轮 台架试 验 的要求 。 参 考文献 [ 1 ] 韩风麟编著． 粉末冶 金机械 零件 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 2 ] 刘传 习 ， 等主编 ．粉末冶 金工艺 学[ M] ． 北 京 科 学技 术普及 出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 3 ] 宋 维 锡 主 编． 金 属 学 [ M] ． 北 京 冶金 工业 出 版社 ， 1 9 8O ． 行 业 动 态 中国钢铁工业协会 2 0 0 8年理事会议在京召开 中图分类号 T F 1 2 文献标识码 D 中国钢铁工业协会 2 0 0 8年理事 扩大 会议于 2 0 0 8年 2月 1 6 1 7日在北京举行。张晓刚会长在题为 “ 深人贯彻落实科学发展观 ， 开创钢铁工业又好又快发展的新局面” 的大会报告 中指出 2 0 0 7年， 我 国生产粗 钢 4 8 9 2 4 ． 0 8 万 t ， 比上年 增加 6 6 2 5 ． 2 2万 t 。增 长 1 5 ． 6 6 ； 生 产生铁 4 6 9 4 4 ． 6 3 万 t ， 比上年 增 加6 1 8 9 ． 2 2 万 t ， 增长 1 5 ． 1 9 。钢铁生产较快增长 ， 是国内、 国际两个市场需求旺盛拉动的结果 。2 0 0 7年 ， 国内市场粗 钢表观消费量为 4 3 4 3 6万 t ， 比上年增加 4 6 1 0万 t ， 增长 1 1 ． 8 7 。国际钢协预计 2 0 0 7年全球市场钢材表观 消费量为 1 1 ． 9 7 6亿吨， 比上年增长 6 ． 8 。在 国际市场需求旺盛的拉动下， 2 0 0 7年我国钢材 、 钢坯进口和出 口相抵并折合成粗钢 ， 全年净 出口5 4 8 8万 t ， 比上年增加 2 0 1 5 万 t ， 增长 5 8 ． 0 2 。总之， 把进 口、 出口因素 考虑在内， 2 0 0 7年国内市场钢铁产品总体保持供需基本平衡 ， 年末企业和社会的钢材库存处于正常水平。 国务院国资委黄淑和副主任在大会表示 ， 广大钢铁企业应该认清形势， 把握大局， 全面落实科学发展观。 并对 2 0 0 7年我国钢铁工业取得的成就作出了充分肯定 ； 同时， 对中国钢铁工业协会今后的工作提出了希望 。 黄淑和认为， 我国钢铁工业取得上述成绩是钢铁行业认真贯彻落实科学发展观， 贯彻 国家宏观调控方针 ， 努 力转变发展方式 ， 根据经济社会发展需要和市场需求， 加快结构调整的结果 ， 与钢铁企业积极努力和钢铁工 业协会积极努力分不开的。目前 ， 我国钢铁工业正处在 由大 向强转变的关键时期 ， 在发展当中还面临着诸多 的矛盾和问题 。因此， 钢铁行业要认清形势 ， 把握大局 ， 全面落实科学发展观， 加快转变发展方式， 不断创新 发展模式， 努力实现我国钢铁工业又好又快发展 ， 把钢铁行业发展推上一个更高的台阶。 筱 华 美国麦特达 因公司扩大在 中国的生产能力 中图分类 号 TF 1 2 文 献标 识码 D 2 0 0 7年 6月 2 7日美国麦特达因 Me t a l d y n e 公司在 中国苏州 的首家工厂正式投产， Me t a l d y n e 公 司建 设这个工厂共投资 了约 1 0 0 0万美元 ， Me t a l d y n e公司将在 2 0 0 7 年底开始第二期工程的建设 ， 在未来的 5年 里 Me t a l d y n e公司还将在中国追加投资 3 0 0 0 5 0 0 0万美元 。Me t a l d y n e 公司在中国建立的这个工厂位于 上海西北约 7 5 k m， 占地 8 5 4 7 m ， 可生产曲轴调节器、 控制臂和关节等多种粉末冶金制品， 现在雇用员工 5 4 人 ， 预计到 2 0 0 7年底雇用员工数将达 到 9 7人。完全投产后 ， Me t a l d y n e公司在苏州的生产 厂将雇用员工 3 5 0 4 0 0名 。 孙世 杰 摘译 自{ P o wd e r Me t a l l u r g y } } ， 2 0 0 7， 5 0 3 1 8 9 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m