粉末冶金表面致密化齿轮的国产化分析.pdf

第 2 5卷 第 3期 2 0 1 5年 6月 粉 末 - 盒金 工 业 P0W DER M E1lALLURGY I NDUSTRY Vo 1 ． 2 5，No ． 3，p 61 6 4 J un ． 2 0 1 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 2 8 ．b o y u a n ． i s s n l O 0 6 6 5 4 3 ． 2 0 1 4 0 0 9 5 粉末冶金表面致密化齿轮的国产化分析 彭景光 ， 陈 迪 上海汽车粉末冶金有限公司， 上海 2 0 0 0 7 2 摘要 分析了国内外粉末冶金表面致密化齿轮的发展现状 ， 从原材料选择、 斜齿成形、 致密化工艺、 模拟分 析等几个方面分析粉末冶金表面致密化齿轮国产化生产的难点， 通过引进先进技术等方法来分析国产化的可 行性 。 关键词 粉末冶金； 齿轮； 表面致密化； 国产化 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 6 6 5 4 3 ． 2 0 1 5 0 3 - 0 0 6 1 ． 0 4 Lo c a l i z a t i o n a na l ys i s o f po wd e r me t a l l u r g y s ur f a c e de ns i fie d g e a r s PENG J i ng g ua ng ，CHEN Di S h a n g h a i Au t o mo t i v e P o wd e r Me t a l l u r g y C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e d o me s t i c a n d f o r e i g n d e v e l o p me n t s t a t u s o f p o wd e r me t a l l urg y s u r f a c e d e n s i fi e d g e a r s wa s a n a l y z e d ． Th e d i ffic u l t y o f d o me s t i c a l l y p r o d u c i n g g e a r s wi t h h i g h s u r f a c e d e n s i t y wa s d i s c u s s e d f r o m ma t e r i a l s e l e c - t i o n ， h e l i c a l g e a r f o r mi n g ， d e n s i fic a t i o n p r o c e s s and s i mu l a t i o n a n a l y s i s an d S O o n ． T h e f e a s i b i l i ty o f d o me s t i c a l l y p r o d u c i n g g e ars wi t h h i g h s u r f a c e d e n s i ty t h r o u g h a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s wa s a l s o a n a l y z e d ． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l u r gy ； g e ar； s u r f a c e d e n s i fic a t i o n ； l o c a l i z a t i o n 粉末 冶金零件成功地应用 于许多汽车部件， 诸 如发动机与变速器等 】 。除了能降低生产成本及尺 寸公差紧密外， 粉末冶金钢的力学性能一直在不断 改进 。粉末冶金钢 的力学性 能主要受控于材料密 度， 常规生产的粉末冶金零件， 残 留孔隙率约为 1 0 ％ 体积分数 。另外 ， 合金的选择与显微组织也对材 料性能具有重要作用口 。若能进一步提高粉末冶金 钢的力学性能， 其可能会有更多有潜力的应用。 对于大量生产的形状复杂的零件， 粉末冶金是 一 种可进行价格竞争的工艺口 。常规工艺生产的粉 末冶金零件 ， 由于材料中含有残 留孔隙 ， 因此 强度 与耐磨性 比锻钢零件低 ， 这是因为零件的力学性能 主要受控于材料的密度 。 为 了能更好地提高齿轮强度和耐磨性， 使用表 面致密化技术 生产 的粉末 冶金齿轮被 广泛应用 于 汽车发动机正时系统和变速箱中。 1 粉末冶金表面致密化齿轮 的发展现 状 在 1 9 9 9 年度基金计划 中， 欧盟将粉末冶金表面 致密化齿轮列为“ 竞争与可持续性增长” 项 目。Ho g a n a s A B和 WZ L R WT H 亚琛 理工大学， 德 国 等 共同参与了该项 目的开发[5 】 。 2 0 0 3 年在美 国L a s V e g a s 召开的世 界粉末冶金 大会上 ， R i c h a r d S l a t t e r y等做 了关于粉末冶金表面 致密化 齿轮 的试 验报 告“ 高密度粉 末冶金螺 旋齿 轮” [ 。 2 0 0 8 年 ， 日本三菱材 料 P MG有 限公司开发 的 可应用于一种新型汽车驾驶系统 中的一套高强度 齿轮组 ， 获得美 国金属粉末工业联合会颁发的粉末 冶金设计竞赛奖 。 制造 高负载粉末 冶金齿轮的生产工艺是选择 作者简介 彭景光 1 9 8 4 一 ， 男， 硕 士， 工程师 ， 主要从 事粉末 冶金表面 致密化 的研 究。 收稿 日期 2 0 1 4 ． 1 0 ． 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第 2 5 卷 性表面致密化工艺 ， 使用该工艺生产的粉末冶金齿 轮 ， 其表面的全致密化层深度约 1 n i l ／ 1 ， 而齿轮心部 仍保持一般水平的孔隙率嘲。 宁波东睦新材料股份有 限公司 已经引进 了齿 轮表面致密化轧机和轧辊模制作设备 ， 正在开展表 面致密化齿轮的研发 。 2 粉末冶金表面致密化齿轮的国产化 分析 粉末冶金表 面致 密化 齿轮通常 的工艺流程如 下 粉末制备、 压制 、 烧结、 去毛刺 、 表面致密化、 热 处理 。主要 的检测和分析难 点是模拟分析和裂纹 检测等。本文 主要针对 原材料选择 、 斜齿成形 、 表 面致密化、 模拟分析进行国产化分析。 2 ． 1 原材料的选择 通 常 ， 适 用于 制造表 面致密 化齿轮 的粉 末有 “ 预合金铁基粉末” 和“ An c o r s t e e l F D 一 4 6 0 0 A 石墨” 粉末 ， 这 2 种粉末都具有较好的压制性和流动性 。 预合金铁基粉末包括 A s t a l o y A、 As t a l o y Mo 、 As t a l o y 8 5 Mo 、 As t a l o y C r L ， 均添加 0 ． 2 ％～0 ． 3 ％ 质 量分数 的石墨 ， 润滑剂为Ami d wa x ， 添加质量分数 0 ． 8 ％， 不同材料 的化学成分如表 1 所示” o 】 。 An c o r s t e e l F D． 4 6 0 0 A 石墨 质量分数 为0 ． 3 ％ 粉， 其中A n c o r s t e e l F D． 4 6 0 0 A材料成分是 F e 1 ． 7 5 ％ Ni 0 ． 5 0 ％Mo 1 ． 5 0 ％C u 均为质量分数 。 表 1 各预合金铁基粉末的化学成分及密度 可以发现， 不管是“ 预合金铁基粉末” 还是“ An c o r s t e e l F D 一 4 6 0 0 A 石墨” 粉末的化学成分均含有 C 和 Mo 。C通常 以石 墨状态加入 ， 是形成 F e 基 合金 的基本元素之一 ， 与 F e 形成 间隙固溶体； 表面致密 化 齿轮通 常需要 进行热处理， Mo的作用是提 高材 料 的强度与淬透性， 减少回火脆性u ” 。 国内可以直接采购Q MP 、 赫格纳斯、 海格纳士 等 进 口原材料粉 末 ， 同时国内鞍钢 、 莱钢等粉末冶 金厂也可 以提供相 同牌号粉末。 2 ． 2 斜齿成形 表面致 密化工艺要求毛坯烧结后密度在 7 ． O ～ 7 ． 2 g ／ c m3 之 ， 属 于粉末冶金常规要求 。粉末冶 金表面致密化齿轮包括直齿轮和斜齿轮2种， 仅有 斜齿轮需要在压机上增加模架旋转机构进行生产， 需特别关注斜齿轮成形密度 。可提供斜齿轮生产 技术的厂家如表 2 所示。 表2 可提供斜齿轮生产技术的厂家 厂家名称 国家 瑞士 法 国 瑞 士 2 ． 3 表面致密化工艺 为了能承受产生的应力 ， 零件必须具有高疲劳 强度与高滚动接触疲劳强度 。使粉末冶金钢零件 达 到这种性 能的最佳 生产 工艺方法是选择性表面 致 密化 。用这种方法可将 承受局部应力集中区选 择性密 实到孔 隙率接近 于零 的状态 。表面致密化 是 使齿轮表 面及 其下一定深度 内的密度达到或接 近材 料的无孔 隙密度 ， 从而产生压缩应力 ， 以增高 齿 面的滚动接触疲 劳强度 ， 改进齿轮表面粗糙度 ， 减小NVH 噪声、 振动、 不平顺性 的工艺 。 通常表面致密化有 2 种方式 一种为整形致密 化 ， 一种为滚压致密化 。 整形致密化是通过对零件 在轴 向上施加一 定 压力使其产生塑性变形， 而提 高零件表面密度的一 种方法 。整形致密化是P MG公司的专利技术 ， 其专 利名称 为“ 金属粉末齿轮致密化方法和装置 ” ] ， 该 装置用于斜齿轮 的表面致密 化， 如 图 1 所示 。还有 F e d e r a l Mo g u l 专利 ， 其专利名称 为“ 金属粉末 半成 品致密化方法和装置” [ 1 ， 该装置用于直齿轮的表面 致密化 ， 如图2 所示。 滚 压致密化是利用滚压 刀具 对零件表面施加 盯 {至 ．至 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 粉末冶金工业 第2 5 卷 行 业 动 态 中国钢协粉末冶金分会发布主要金属粉末的生产销售统计 中国钢协粉末冶金分会调查统计我国2 0 1 4 年度主要金属粉末生产销售状况及初步分析如下。 1 钢铁粉末 1 全国3 4家钢铁粉末生产量为 3 8 ． 9 7 万t ， 与 2 0 1 3 年基本持平 ， 其 中还原铁粉 1 9 家 1 8 ． 7 6万t ， 雾化钢 铁粉末 5 家 1 9 ． 1 5 万t ， 合金钢粉 5 家 2 9 0 0t ， 羰基铁粉 4家 6 7 0 0t ， 电解铁粉 1 家 l 0 0 0 t 。 2 国产铁粉销售3 7 ． 8 4 万 t ， 其 中出口约0 ． 8 0 万t ， 合金钢及羰基铁粉 出口约 8 0 0 t ； 从 3 家外企统计进 口 还原铁粉 0 ． 3 0 万 t ， 雾化钢铁粉末 6 ． 1 0 万t ， 进 口总量增长 2 7 ％。 3 总计我国钢铁粉末 2 0 1 4 年度市场总销售量为4 3 ． 4 4 万 t ， 比2 0 1 3 年增长3 ． 7 ％。 4 国产还原铁粉产销量下降8 ． 6 ％ 雾化铁粉增长 1 1 ． 6 ％。雾化铁粉的产销量第1 次超过了还原铁粉。 5 1 0 家规模在年产 1 万 t 以上 的生产企业铁粉产量 3 3 ． 6 4 万 t ， 占全 国总产量 的9 0 ． 4 ％ 质量 分数 ， 与 2 0 1 3 年相 比集 中度进一步提高 。 2 铜及铜合金粉末 2 0 1 4 年国内的铜及铜合金粉末产量约4 ． 6 7 万t ， 约比2 0 1 3 年增长8 ． 5 ％。电解、 雾化为铜粉主要生产方 法， 占总产量的8 6 ． O ％ 质量分数 ， 其中电解铜粉 2 ． 3 O 万t ， 占总量约 4 7 ． 8 ％ 质量分数 。化学包覆法生产 的 铜铁复合粉 占总量近 1 0 ． 0 ％ 质量分数 ， 增长速度较快 。据了解 ， 全国3 0多家生产企业生产铜及铜合金粉 末， 年总产能超过 5 ． o 0 万t ， 其中年产能超过 2 0 0 0 t 的企业约 1 0 家。 中国钢协粉末冶金分会秘书处 参考文献 [1] 毛志 强． 粉末 冶金 零 件在 汽车 上 的应 用[ J ] ． 粉 末冶 金 工业， 2 0 0 3 ， l 3 1 8 - 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