粉末冶金齿轮材料进展.pdf

第 2 O卷第 3期 2 0 1 0年 6月 粉末 冶 金“- r业 P 0W DER M ETALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 2 O No． 3 J u n ．2 0 1 0 粉末冶金齿轮材料进展 F r a n c i s Ha n e j k o Ho e g a n a e s C o r p o r a t i o n 1 0 0 1 Ta y l o r s L a n e Ci n n a mi n s o n， NJ 0 8 0 7 7， US A 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 1 2 5 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 0 0 3 0 0 4 0 0 7 ADVANCES I N P ／ M GEAR MATE RI AI S F r a n c i s Ha n e j k o Ho e g a n a e s C o r p o r a t i o n 1 0 0 1 Ta y l o r s La n e Ci n n a mi n s o n， NJ 0 8 0 7 7。 US A Ab s t r a c t Po wde r M e t a l l ur gy i s a n e f f i c i e nt m a nu f a c t ur i ng p r o c e s s f o r t he p r od uc t i on of ge a r i n g a nd s i m i l a r ne t s h a pe c omp on e n t s ． Be c a u s e o f l i mi t a t i o ns a r i s i n g f r om t h e i n he r e nt p o r os i t y a n d l i mi t e d a l l o y s y s t e ms a v a i l a b l e ， t h e t r a d i t i o n a l u s e o f P ／ M g e a r i n g wa s f o r r e l a t i v e l y l o w s t r e s s a pp l i c a t i o n s ． The r e c e n t i nt r o d uc t i o n o f ne w c o m p a c t i o n t e c hn i q ue s a nd n e w a l l o y ma t e r i a l s h a s p r o d u c e d P／ M c o mp o n e n t s wi t h s i g n i f i c a n t l y h i g h e r y i e l d a n d t e n s i l e s t r e n g t h s a p p r o a c h i n g t h e s t r e n g t h l e v e l s o f wr o u g h t g e a r i n g ma t e r i a l s ． Th e n e w P／ M p r o c e s s e s a n d ma t e r i a l s a nd t he i r s ui t a b i l i t y f o r g e a r t y pe a p pl i c a t i o ns a r e r e v i e we d wi t h． M e c h a n i c a l p r o p c r i e s c o mp a r e d wi t h t h os e of c o m mo n a ut o mo t i v e ge a r i ng ma t e r i a l s i nc l u d i n g d uc t i l e a nd rea l l e a bl e c a s t i r o n s a n d wr ou g ht l o w a l l oy s t e e l s ． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l u r g y ；g e a r ； P ／ M g e a r ； a d v a n c e 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 l 】 ] 。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。 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 2 0 0 9 1 2 2 5 作者简介 F r a n c i s Ha n e j k o男， 美 国人 ， 博士学位 ， 美 国粉末冶金协会高级会员。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 F r a n c i s Ha n e j k o 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 ， S AE P ． 51 】 的作用 ] 。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 ] 。 良好 的齿 轮使用 性 能需要 具 有下 列关 键 性 冶 金 特征 材料 种类 与热 加 _T 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 争口 “ ] 。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 。 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 1 1 2 0 C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 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 MP I F 的标 准 3 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 l 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 F N 。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 l 7 ] 。 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 F D 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 。 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 ∈ 妪暗g 似镫匪 姬袋 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 粉末冶金工业 第 2 0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 Ho e g a n a e s C o r p， 开 发 的 ANCORB ONDT M工 艺l g 。用 这 种 工 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 I F标 准 3 5 现 为 2 0 0 9版 一译 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 参 考资料 。 在 粉末冶金 中， 材 料研发 集 中在 通过 ～次压制 ／ 一 次烧结 提升零件 材料 的密度 ， 利用新 合金 系统 包 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 l 9 8 0年 代 开发 的一 种 这类材 料是 An c o r s t e e l 4 1 AB M f ] 。这种 材料 是 利 用 A NC OR B OND 工 艺 生 产 的 含 0 ． 8 5 钼 ， 1 ． 0 镍 ， 0 ． 8 5 ％锰 及 0 ． 8 5 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 止锰 与铬氧 化 。当 时 ， An c o r s t e e l 4 1 AB的推 广 ， 受 到高温烧 结生产 可用性 的限制 ， 从 而 限制 了 An c o r s t e e l 4 1 AB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 ， Ho e g a n a e s C o r p ， 在 推 广 An c o r l o y MD合金材 料系 列l 】 。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 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 1 7 5 ℃ 和更 高 。表 1中列 出 了 Ho e g a n a e s C o r p当前在 市 场上 销 售 的 An c o r l o y MD 系列 合金 。 表 1 A n c o r l o y MD系列的化学组成 质量分数 ％ 版号 S i O ． 7 0 O．7O O．7O 0 ． 3 5 N1 O ． O 5 2 ． O 0 4．00 4．OO M O 0．03 0 ． 8 5 O ． 8 5 0 ． 8 5 C M DA MDB M DC M DCL 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 。An c o r l o y MD A， An c o r l o y MD B及 An c o r l o y MD C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 。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 。 An c o r l o y 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 6 9 0 MP a下压制 后 ， 抗 拉强度 就能 达到 1 3 8 0 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 。 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 9 O 以上的马 氏体 显微 组 织 引。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 5 5 HRC的理 想 显 微 组 织 ， 认 为 冷 却 速 率 不 低 于 2 ． 8 ℃／ s 是适 当 的_ 】 。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 MP I F 标准 中介绍 的烧结 硬化 材料 。 对 于 制造 粉末 冶 金 齿轮 ， 烧 结 硬化 并不 是一 项 新 技术 ， 其在非 汽 车 领 域应 用 已十分 广 泛 。烧结 硬 化 工艺 能够在形 成 马 氏体 显 微 组织 的同 时 ， 保 持 粉 末冶金 工 艺固有 的尺 寸精度 。表 2中没有列 出近 年 开发 的 材料 A n c o r s t e e l 7 3 7 S H； 这 种材 料 既增 强 了 烧 结硬 化能力 ， 又具 有优 异 的力 学 性 能l_ 】 。An c o r s t e e l 7 3 7 S H 是 一 种 含 质 量 分 数 为 1 ． 2 钼 ， 1 ． 4 镍及 0 ． 5 ％ 锰 的预 合 金 化 钢 粉 。 由于 其 合 金 含 量 高 ， 和 通 常 使 用 的其 他 烧 结 硬 化 材 料 相 比， An c o r s t e e l 7 3 7 S H 添加较 少 量 的铜 与 石 墨 就 能达 到 烧 结 硬化 。在 一项试 验研 究 中 ， 在 An c o r s t e e l 7 3 7 S H 中 预先 混 入 了数 量 不 同的 铜 与 石 墨 添 加 剂 ， 见 表 3 。 表 3 中 的 数 据 是 在 5 9 0 MP a 下 压 制 ， 于 常 规 l 1 2 0 ℃下 烧结后 ， 经 于 2 0 4 ℃ 下 回火 得 到 的 。当预 混合 的石 墨 含量 超 过 0 ． 7 质 量 分数 时 ， 发 现 只 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 F r a n c i s Ha n e j k o 粉末冶金齿轮材料进展 43 有表观 硬 度略有 增 高 。表观 硬度 增高 不 大证 明 An c o r s t e e l 7 3 7 S H 的 耐用 性 ， 和 在 考 虑 的生 产 条 件 下 有一“ 表观 硬度 平稳 段 ” 。预 混合 石 墨含 量质 量分 数 为 0 ． 7 0 ． 6 3 化 合 碳 时 ， 横 向断 裂 强 度 有 一 最 向断 裂强 度减 低 ， 认 为 这 些强 度 水 平 较 低 是 由 于显 微 组 织 中残余 奥 氏体 的 数 量 较 大所 致 化 合碳 含 量 增 高 时 ， 马 氏体 的最 终 温度 减低 ， 从 而产 生较多 的残 余 奥 氏体 。虽 然 ， 在屈 服强 度 的数据 中可看到类 似 大值 ， 这和铜 的含量无关 。当 叫 c 0 ． 7 ％时 ， 横 峰值 ， 但极限抗拉强度并没有 出现这种趋势。 表 2烧 结 硬 化 材 料 质 量 分 数 0 ％ 牌 号 C Ni C u Mo Mn C r 注 译者根据 MP I F标准 2 0 0 9年版 作了补充 。 ①至少 以元素粉状预混含有 2 镍 。 ②其他元素 最高含量 2 ． 0 ， 其 中包括为特定 目的添加的其他较少量元素 。 图 3 A n c o r l o y MD钢 粉 的 力学 性 能 ▲ 一MDA； 一 MDB 回 火 的 ； ● 一 MD C 回火 的 从 表 3中可 清楚 看 出铜 的作用 。添加 l ％铜 质量分 数 时 ， 在碳 含量 的整 个范 围 内 ， 横 向断 裂强 度 都 明显增 高 。可是 ， 当铜 含量 增 高 到 2 时 ， 都 没 有 看 到横 向断裂 强度 或 强度性 能 明显增 高 。发现 屈 服 强度 有类 似 现象 。这 个 结果 好 像 暗示 ， 在 研 究 的 条 件 下 ， 对 于强 度 与经 济性 ， 添加 1 铜 最合 适 。 2 ． 2生产 工 艺发展 粉末 冶 金 零 件生 产 工 艺 中有 许 多 关键 性 发 展 ， 其 中有 利 用 二 次压 制 ／ 二 次 烧结 DP／ DS 与 温压 制 造 高 密度粉 末 冶金零 件 ； 用粉 末 锻造 达 到接近无 孔 隙密 度 ； 用 表面 致密化 使 齿轮 的工 作 区达到 接近无 孔 隙密度 ； 用 高温烧 结 ， 通过 较强 的孔 隙 圆化 ， 达到较 高 密实 与较 高力 学性 能 。 表 3碳 与 铜 含 量 对 A n c o r s t e e l 7 3 7 SH的 影 响 借 助 D P ／ DS或 温压 使零 件达 到 较高 密 度这 个 问题 一 直受 到相 当大 的 注意 。温 压 可 替代 DP ／ DS 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 粉末 冶 金 工 业 第 2 O卷 温压 的优势在 于 ， 用 其 他方 法 都 不 能通 过 一 次压 制 使零件经济地达到较高密度 。温压包括将模具与粉 末加热 到温度 约 1 5 0 ℃ 。温压 用 的粉末 都 是 利用 为 该 项应 用 专 门设 计 的 特 种 润 滑 剂 化 学 粘 结 的 粉 末 ] 。在生 产汽 车 与非 汽 车零 件 包 括 齿 轮传 动装 置 的领 域 ， 温压 在工业 生产 中是可行 的 。 为 了了解 温 压 丁 艺 对 于 潜 在齿 轮 应用 的适 用 性 ， 进 行过 一项关 于 开发 替 代用 于汽 车齿 环 的 可锻 铸铁 与球 墨铸 铁 的 材 料研 究[ ] 。选 择 了 4种 待 选 材料 ， 和他们 的力 学 性 能都 是 利用 温 压 研 发 的。这 4 种 材料 的合金组 成 示 于表 4 。所 研 究 的 4种 粉 末 冶金材料 系统 ， 其屈 服 与抗 拉 强度 皆等 同于未 经 热 处理 的可锻铸铁 图 4 。热处 理状 态铸 铁 的拉 伸 性 能 为 屈 服 强 度 约 6 9 0 MP a与 抗 拉 强 度 为 约 8 9 6 MP a 。要使 粉末 冶金 材 料 达到 这 个水 平 ， 或 者 需 要 将材 料进行 热处 理 或者 将 材料 A 或 材 料 B进 行 高 温烧结 。铸铁 的弹 性 模 量 为 约 】 8 0 GP a ； 测定 的 密 度为 7 ． 3 ～7 ． 4 g ／ c m 的粉 末 冶金 材 料 的 弹性 模 量 约 1 7 2 GPa 。 表 4 替代可锻铸铁的待选材料的合金组成 质量分数 ％ 铁 基 体 是 用 Mo琐合 金 化 的 。 图 5示铸铁 和 4种 待选 粉 末 冶 金 材 料 的拉 伸 伸长率 。每一 种粉末 冶 金材 料 在 1 l 2 0 ℃ 下烧 结 后 拉伸伸 长率 都 是 约 2 。通 常 ， 将 烧 结 温 度 增 高 到 1 2 6 0 ℃时 ， 拉 伸伸 长率减小 。这 种伸 长率 减小 是 由 于合金化 添加剂 的 均一 化 程度 增 高 ， 其 次是 烧 结 件 的表 观硬度 较高所 致 。珠 光体 可锻铸 铁 的拉 伸伸 长 率 约为 8 V 0 ， 但 为 将 强 度 与硬 度 二 者 增 高 到 技 术要 求 的范 围进 行 热 处 理 时 ， 拉 伸 伸 长 率 减 小 到 了约 4 。粉末冶金 材料 的拉 伸伸 长 率 都 比铸 态 与热 处 理状态 的铸 铁 小 。若需 要 拉 伸 伸 长 率 大 于 4 时 ， 必 须增高粉 末冶 金零件 的密 度 。认 为 7 ． 5 g ／ c m。 的 烧 结件 密度 能达 到 伸 长 率 4 ， 当今 正 在 研 究 使 零 件 达到这个 水平 的方 法 ， 和 这将 继 续 是 粉末 冶 金研 究 的主要对 象 。可是 ， 注 意到 ， 可锻铸 铁的技 术条件 中拉 伸伸 长率 最 小 为 2 。考 虑 到这 个 技 术 条 件 ， 材料 A 与材料 B都 能满 足 技 术条 件 关 于 屈服 强 度 与抗拉 强度 ， 伸 长率 及弹性 模量 的要求 。 图 4 4种 待选 材料 的拉 伸 性 能 1 k s i 一 6 ． 8 9 4 7 6 M P a 有标记 *的材料表示高温烧结的结果 。标记“ C I A R” 表示 标准铸铁和“ CI HT” 表示热处理状态铸铁 图 5 4种待 选 材 料 的伸 长 率 标记“ CI A R” 表示标准铸铁和“ C I HT” 表示热处理状态铸铁 表 5烧 结 硬化 材料 基体 的合 金 组 成 质 量 分 数 ％ 所有 纯铁 粉与低 合金 钢粉 都可 采用 温压 工艺 。 生坯密 度 的增 高取 决于 合金 的组 成 和预混合 粉 的组 分 。如 同上 面和 可锻 铸 铁 的 比较所 表 明的 ， 高 温烧 结 可显 著改进 所选择 的材 料 的力 学性 能 。高 温烧结 也用 于烧 结 An c o r l o y MD系列材 料 ， 而且 已证 明对 于烧 结硬 化材 料是一 种有 益的技 术 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 Fr a n c i s Ha n e j k o 粉末冶金齿轮材料进展 4 5 7 3 7 SH FI 4 9 0 0 FL4 2 O O 73 7 SH FL4 9 0 0 FI 4 4 0 0 高温烧结 高温烧结 高温烧结 常 规 烧 结 常 规 烧 结 常 规 烧 结 最 近 ， Al p h a S i n t e r e d Me t a l s对 于 An c o r s t e e l 7 3 7 S H 与 两 种 预 混 合 粉 材 料 表 5 ， 在 1 1 6 3 ℃ 和 1 2 6 0 ℃ 下 烧 结 的 材 料 的 尺寸 变 化 与 力 学 性 能 进 行 了研究 l 】 。高 温烧 结 的 和 常 规 烧 结 的试 样 二 者 都 证 明尺寸 稳定性 良好 见 表 6 。这 再 次表 明烧 结 硬 化工艺 的尺寸稳 定 性优 异 。还 和 以前 在标 准 压制 压 力下完 成 的烧结 硬 化工 作进 行 了 比较 。像 预 期 的一 样 ， 于 1 2 6 0 ℃ 下 烧 结 的 压 坯 ， 其 尺 寸 变 化 和 于 1 1 6 3 ℃ 下烧 结 的试 样 不 同 。高 温 烧 结 的零 件 密 度 增高 ， 同 时尺寸 对 阴模 尺 寸 收缩 较 大 。另一 方 面 ， 常规 的标 准烧结 压 坯 由于 尺 寸 收 缩 较小 ， 不 可 能 达 到高 温烧 结时 的 同样尺 寸 大小 。在 高温 与常 规烧 结 温度 之 间值得 注 意 的是 ， 两 种 生 产 工 艺 的零 件 与 零 件之 间 的变动 很 紧 密 。 因此 ， 设 想 和 高 温 烧 结 相 关 的可 能变 形 ， 对 于这 些材 料 不是 一个 大 问题 。 温压 和 高 温烧 结 相 结 合 的 主要 目的是 ， 增 高 材 料 的拉 伸 与 冲击 性 能 ， 以满 足 较 严 格 应 用 的需 求 。 如 同表 7中 的 数 据 所 表 明 的 ， 预 合 金 化 的 An c o r s t e e l 7 3 7 S H 和 An c o r s t e e l 1 5 0 HP材料 的拉 伸 性 能 接 近相 同 ， 而 An c o r s t e e l 8 5 HP 的性 能 较 低 。 当将 温压 的 An c o r s t e e l 7 3 7 S H 材 料 和 以前 完 成 的 常规 压 制 的高温 烧结 工 件 进 行 比较 时 ， 温 压 的 工 件 的拉 伸 性能 增 高 1 3 ， 认 为 这是 由于 温压 工 艺 的 增 高 密 度 所致 。高 温烧 结 和标准 冷却 相结 合 可使 在这 项研 究 中评 述 的所有 材料 的拉 伸 和 冲击 性 能二 者都 最佳 化 。 在这 项 工 作 中 最 值 得 注 意 的 部 分 是 ， An c o r s t e e l 7 3 7 S H 预合 金化 材料 在高 温 和 常规 烧 结 条件 下得 到 的 拉 伸 性 能 接 近 相 同。 尽 管 密 度 相 差 约 0 ． 1 0 g ／ c m。 ， 常规烧 结 ／ 快速 冷 却 的试 样 表 明 拉伸 性 能与伸 长 率接 近 相 同 。认 为 这 是 温 压致 密 化 所 致 。 可是 ， 常规 烧结 的用 F I 一 4 4 0 0与 F L 一 4 9 0 0铁 基粉 制 备 的试 样 强度较 低 。这 种差 异是 由于 烧结 温度 较低 时镍扩 散 不充 分所 致 。镍 扩 散 不 充分 时 ， 由 于铁 素 体 强化 减 弱和显 微 组 织 中含 有 未 扩散 的镍 颗 粒 ， 从 而导致 抗 拉强度 较低 。 3 结束语 由于 新 材料 与新 工 艺 的继 续 发 展 ， 粉 末 冶金 在 齿 轮制 造 中 的应用 将 会 继 续 扩 大 。近年 来 ， 烧 结 硬 化 、 温 压及 先进 材料 的高 温烧 结表 明 ， 在继续 力求 获 得 较高 密度 与较 高 强度 。已证 明将 所 有这些 作业 结 合起 来 时 ， 能获得 优 异 的零 件 使 用性 能 和适 用 的尺 寸稳 定 性 。当今 ， 用 一 次 压 制 与 一 次烧 结 工 艺 制 造 的生坯 和烧 结 体 的 密 度 局 限 于 7 ． 2 ～ 7 ． 4 g ／ c m。的 范 围之 内 ， 这 取 决 于 零 件 的几 何 形 状 和 合 金 。用 二 次 压制 ， 表 面致 密化及 最后 粉末 锻造 制 造 的零 件 ， 其 使用 性 能都 和常 规 的锻钢 齿轮 传动 装置 相 同 。用 这 些制 造 工艺 生产 粉 末 冶金 零 件 时 ， 额 外 增 加 的生 产 工序 和 生产 成本 ， 往 往 会 导 致 粉末 冶金 零 件 的生 产 成本 没 有竞 争性 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 粉末冶金工业 第 2 0 卷 Mc Ge e和 B o n e t t i e t a l 撰 写 的两篇关 于粉末 冶金 齿轮 的优秀评 述 性 论 文 ， 用 许 多 文献 证 实 了增 高零 件密 度 和使 用 较 高 的合 金 化 基 材 料 的 有 益 效 果[ 1 7 , 1 8 ] 。两 篇论 文 都 阐 述 了粉 末 冶 金 工 艺 的局 限 性和粉 末冶 金的潜在 机会 。对于齿 轮传 动装置需 要 另外考 虑的一个 问题 是表面 接触应 力和孔 隙度对 齿 轮承受 表 面接 触 应 力 的能 力 的影 响 。S a n d e r o w1 ] 。 。 发表 的 由粉 末 冶 金 技 术 中心 C e n t e r f o r P o wd e r Me t a l l u r g y T e c h n o l o g y 资 助 的试 验 成 果 表 明 ， 零 件 密度 和表 面 接 触应 力抗 力 之 间几 乎 呈 直线 性 关 系 。 因此 ， 密度较 高 的零 件 具有 较 高 的表 面 疲 劳强 度 。 值得注 意的是 ， 依据零 件 的几 何形状 ， 粉末 冶金 材料 与 生 产 工 艺 都 能 使 零 件 的 密 度 达 到 7 ． 3 ～ 7 ． 5 g ／ c m。 。这种零 件 密 度 水 平 的 增 高 会 为 将 来 采 用 粉末 冶金提供 新 的机会 。鉴于粉 末冶金 独特 的成 形 零件最 终形状 的 能力 和能 够 达到 A GMA 的 中等 ～ 高级齿 轮品质 ， 齿 轮传 动 装 置是 这 些新 的高 密度 生产 工艺 的一个极 好 的机 会 。鉴 于 可使 齿轮 表面致 密化 ， 因此 可使齿 轮工作 区 的表 面实 现完全致 密化 ， 从而扩 展应用 粉末 冶金工 艺的范 围 。对粉末 冶金产 业提 出的任务是 ， 需要 继续 开发新 材料与 生产工 艺 ， 以增 高粉 末冶 金零件 的密 度和改进 生产 T艺 的尺寸 精度 。致 力 于这两方 面 的需 求会保 证粉末 冶金 在将 来 的应用 中继续 获得成 功 。 参考文献 [ 1 ] E 2 ] E 3 ] [ 4 1 [ 5 ] [ 6 ] Ge ar De s i g n，M a n uf a c t u r i n g a nd I n s p e c t i on M a n ua l ， Pu bl i s he d by t h e So c 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