高密度粉末冶金螺旋齿轮.pdf

第 2 2卷第 4期 2 0 1 2 年 8 月 粉 末 冶 金 工 业 P 0W DER M ETALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 2 2 No ． 4 Au g．20 12 高密度粉末冶金螺旋齿轮 Ri c h a r d S l a t t e r y ， F r a n c is H a n e j k o ， 1 ． Ca p s t a n At l a n t i c公 司 ， W r e n t h a m，Ma 0 2 0 9 3 Ar t h u r Ra wl i n g s 。 M i c h a el Mar u c c i ；2 ．Ho e g a n a e s 公 司 ， C i n n a mi n s o n ， NJ 0 8 0 7 7 摘 要 汽 车行 业 已证 实， 粉 末 冶金是 生产 高 强度 齿轮 的 一种技 术 。粉 末 生产 、 压 制及 烧 结的 进展 和二 次压 制相 结合 ， 可以使 正齿轮 零件 密度 达到 7 ． 5 g ／ c m。 。然而 ， 由 于螺 旋齿轮 的 几何 形状不适用于DP ／ Ds工艺， 所以螺旋齿轮很难达到相 同的密度 。本文主要讲述能够生产芯部 密度 接近 7 ． 4 g ／ c m。 的 一次压 制与 一 次烧结 螺 旋 齿轮 的 制 造 工 艺。讲 述 了试 验 过 程 ， 制造 烧 结 零件 的 密度及零 件 间的 变动性 。为 了进 一步 改进 这 些 螺 旋齿 轮 的使 用性 能 与几 何 形状 ， 接 着用辗压将之进行 了表 面致密化 。将说明表面的密度与齿轮品质的改进 。 关 键词 粉 末 冶金 ；高 密度 ；螺旋 齿轮 中 图分 类号 TF 1 2 5 文献标 识 码 A 文章编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 2 0 4 0 0 0 1 0 8 POW DER M ETALLU RGY OF H I GH DENSI TY H ELI CAL GEARS Ri c h a r d S l a t t e r y ， F r a n c i s Ha n e j k o z ， 1 ．C a p s t a n A t l a n t i c Wr e n t h a m，Ma 0 2 0 9 3 ；2 ． Ar t hur Ra wl i ng s 2。 M i c ha e l M a r t t c c i 2 Ho e g a n a e s Co r p o r a t i o n C i n n a mi n s o n，NJ 0 8 0 7 7 Ab s t r a c t Po wde r M e t a l l u r g y i s a pr o ve n t e c hn o l o g y t o pr o du c e hi g h s t r e ng t h ge a r s f o r t he a ut o m o t i v e i nd us t r y ．Ad v a nc e s i n po wd e r p r od uc t i o n， c o m p a c t i o n， a n d s i n t e r i n g c o m b i n e d wi t h d o u b l e p r e s s i n g h a v e e n a b l e d o v e r a l l p a r t d e n s i t i e s u p t o 7 ． 5 g ／ c m。i n s p u r g e a r s ．Ho w e v e r，he l i c a l ge a r s a r e mor e d i f f i c ul t t o pr o d uc e t o t he s e s a me de ns i t i e s b e c a us e t he ge o m e t r y d o e s n o t l e n d i t s e l f t o t h e DP／ DS p r o c e s s ．De s c r i b e d i n t h i s p a p e r i s a P ／ M p a r t s ma k i n g t e c hn ol o gy c a p a b l e o f pr o du c i ng s i ng l e p r e s s e d a nd s i n t e r e d he l i c a l g e a r s wi t h c or e de ns i t i e s a p p r o a c h i n g 7 ． 4 g ／ c m。 ．De s c r i p t i o n o f a p r o t o t y p e r u n wi l l b e p r e s e n t e d wi t h t h e r e s u l t i n g s i n t e r e d pa r t d e ns i t i e s a nd pa r t t o pa r t v a r i a b i l i t y ． To f u r t he r e nh a nc e t h e pe r f o r ma nc e a n d ge o me t r y o f t h e s e h e l i c a l g e a r s ， t he y we r e s u bs e q ue nt l y s ur f a c e de ns i f i e d v i a r o l l i n g． I m pr o ve m e nt s i n t he s ur f a c e d e ns i t y a n d g e a r qu a l i t y wi l 1 be d e s c r i b e d ． Ke y wo r d s p o wde r me t a l l u r gy；h i gh d e ns i t y；he l i c a l g e a r s 已证明， 在替代汽车传劫系的许多零件 诸如 ， 连杆 ， 托架 ， 主轴承盖等 n 方面 ， 粉末冶金技术是成 功 的 。粉末 冶金 之 所 以会 取 得 成 功 ， 是 因为 能 为设 计工程师提供所需要 的力学性能和减低零件的生产 成本 。现在， 粉末冶金 主要在二个使用性能领域获 得了成功。第一个是密度低于 7 ． 1 g ／ c m 和需要低 一 中等强度的领域 。第二个主要是粉末锻造的全致 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 1 7 作者简介 R i c h a r d S l a t t e r y ， 博士 ， C a p s t a n At l a n t i c 公司经理 。 密实 粉末 冶金零 件 的应用 领域 。粉末 锻造 是将烧 结 的预成形件热锻到接近无孔 隙密度 ， 以使粉末冶金 零件的力学性能最大化。 为了填充传统粉末冶金零件和全致密粉末锻造 零件之问的间隙， 粉末冶金零件生产者需要一种生 产工艺， 由之用一次压制／ 一次烧结工艺能够制造出 无孔隙烧结件密度9 5 的零件。这种较高的密度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 粉末冶金工业 第 2 2卷 可提供 较 高 的 力 学 性 能 与 较 高 的 弹性 模 量 ] 。虽 然， 高密度可提供较高的力学性能， 例如抗拉性能、 疲劳性 能 、 以及 冲击 韧性 ， 然 而 ， 再 小 的孔 隙 度也 会 对零件的某些性能产生严重的负面影响。特别是高 性能 齿轮 ， 为 了能承受 高赫兹 接触 应力 ， 其关键 应力 区需 要具 有全密 度 。像 表 面致密化 之类 的后 续加工 是一 种能 使齿 轮关键应 力 区 的密 度接 近或具 有全密 度 ， 而 芯部 密 度仍 为 7 ． 4 g ／ c m 左 右 的生 产 工艺L 3 j 。 为了扩大 粉末 冶金 零 件 的潜 在 应 用 ， 需要 将 表 面 致 密 化 的实 施 与较高 的芯部 密度结 合起 来 。 能够 为粉 末冶 金产业 提供 巨大机 遇 的一 类零 件 的例子是 ， 用 于汽 车变速 器行星 齿轮 系的螺 旋齿 轮 。 为 了服役 时能 承受 点 蚀 与表 面 下 碎裂 ， 这些 齿 轮 需 要 表面硬 度 高 ， 芯 部 韧性 好 ， 齿 的弯 曲疲 劳 强 度 ， 滚 动接触疲劳强度及密度高l 4 ] 。当前 ， 这些齿轮， 为使 尺寸达 到技 术条 件 ， 都 是 由 AI S I 8 6 2 0钢 切 削加 工 的或由 AI S I 5 1 2 0钢表面硬化与切削加工的。对于 这些零 件 ， 常规 的压制 与烧结 工艺 虽然生 产成 本低 ， 可是 相关 的力学性 能却 不适 用 。用 粉末 锻造 毛坯 一 切削 加工 ， 虽能 达到需 要 的力学性 能 ， 但 生产 成本过 高 。因此 ， 在思 考一种 工艺 ， 既 要使 芯 部 密度 为 7 ． 4 g ／ c m， 而表 面又 是 完 全致 密 化 的 ， 这将 能 满 足 这 种 应用 的力 学性能 要求 ， 而且 经济上 有竞 争性 。 为满足这些小螺旋齿轮的各种力学性能要求 ， C a p s t a n At l a n t i c 和 Ho e g a n a e s C o r p o r a t i o n合 作开 发 了一种 新压 制 工 艺 An c o r Ma x D 。这 种 工 艺 不 需要预 热粉 末 即可获得 高 的芯部密 度 。这种 工艺 的优势 在于 ， 制造 高 密度 粉 末 冶金 零 件 时具 有较 大 的灵活性 。研 究表 明 ， 用 这 种 工 艺生 产 的螺 旋齿 轮 的烧结 体密 度 接 近 7 ． 4 g ／ c m。 。C a p s t a n利 用 他 们 的表 面致密 化技 术 ， 将 经压 制 和 烧 结后 的齿 轮 高应 力 区进 行致 密化 。将 这项工 艺和适 当的热处理 显微 组织相结合 ， 可使生产的齿轮的使用性能接近精加 工 的钢 齿轮 。 1 An c o r Ma x DT M 工艺 An c o r Ma x D 工 艺是一 项 正在 申请 专利 的预 混合粉技术 ， 其将润滑剂与粘 结剂二者的添加量进 行 了最佳化 ， 以使密 度 比常规 预 混合 粉 增 高达 0 ． 0 5 ～ 0 ． 1 5 g ／ c m3 _ ] 。伴随着这种生坯与烧结件密度 增高 ， An c o r Ma x D工艺还可减小合金偏聚 ， 减少扬 尘， 增高流动性及增大阴模充填量l_ 7 ] 。这些 因素都 有 利 于提高粉 末冶 金零 件 的稳 定性 和 品质 。 多年来 ， 粉末冶金零件产业 的一个 目标是 ， 使 一 次压 制／ 一 次 烧 结 的零 件 达 到 高密 度 。大 概 在 8 年 前 1 9 9 4年 引入 了 ANC OR DE NS E T M 温 压 工 艺 ； 它需 要将 阴模 、 模 冲及 粉末 预 热 至 1 2 0 ～ 1 5 O ℃ 。 然而 ， 在压制 过 程 中难 以使 温度 维 持 恒 定 ，从 而 使 得这 项技术 难 以推广 。An c o r Ma x D工 艺 只需 要 将 阴模 预热 至 6 0 ～ 7 O ℃ 。粉 末在 装 入 模 腔前 不 需 要 加热 。这 个 系 统 的 优 势 在 于 如 上 所 述 ， 密 度 增 高 0 ． 0 5 ～O ． 1 5 g ／ c m。 ， 辅 助设备 少及 可减少 粉末 损 耗 。 鉴于粉末 中传热的限制 ， 需要继续加热阴模 ， 零件的 高度 限制 在不 大于 2 5 mm。还 有 ， 增 高密 度 的前 提 是 压制 压力要 高于 5 5 0 MP a 。图 1 示 由常 规预 混合 粉 ， ANC O R DE NS E预混合粉及 An c o r Ma x D 预合 粉制备的 F L N2 4 4 0 5材料的生坯密度与压制压力 的关 系 的 比较 。从 图 1可看 出 在 最低 的 压制 压力 下 ， A NC OR D E NS E预混合粉的生坯 密度最高 ， 和 AN C OR D E NS E 与 An c o r Ma x D 达 到 的 最 高 生 坯 密度几 乎相 同 。看到 了在 高于 5 5 0 MP a的压 力下 ， An c o r Ma x D 工 艺 的 好 处 。 由 A NC C l R DE NS E 或 An c o r Ma x D可获得 的最 高密度都取决 于预混合粉 的 无孔 隙密度 ， 而其极限值为无孔 隙密度 的 9 8 9 ／ 6 。 量 啪 图 1 常规 的预混合粉和 A N C OR D E N S E与 A n c o r Ma x D 的压 缩 性 比较 2 An c o r Ma x D F L N2 4 4 0 5的性能 为了说明 An c o r Ma x D工艺 的潜在价值 ， 对用 两种 方法 处 理 的 F L N 2 - 4 4 0 5预 混 粉 的力 学 性 能 进 行 了 比较 。表 1 示试 验用 合金 的基 粉 。 表 1 试验 合金基粉 F L N 2 - 4 4 0 5 质量 分数 ％ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 R i c h a r d S l a t t e r y 等 高密度粉末冶金螺旋齿轮 3 图 1示两种 材 料 的压 缩性 曲线 。注意 到 ， 压 制 压力大于 5 5 0 MP a时 ， 生坯密度 呈增高趋 势。然 而， 在压制压力为 4 1 5 MP a时， 密度增 高极少。除 了压缩性 试样 外 ， 还 用温 度 为 6 3 ℃的 阴模 压 制 了标 准 的 MP I F犬 骨状 抗 拉试 样 。还 用 在温 度 6 3 ℃ 的 阴模 中压制 的毛坯 切削 加工 的标准试 验试 样制 造 了 旋 转 弯 曲疲 劳试 样 。所 有 试 样 都 是 在 下列 试 验 条 件 下烧 结 的 1 连 续 网带炉 。 2 标 准水 套冷却 。 3 烧 结温 度 1 1 2 o ℃和 1 2 3 o ℃ 。 4 烧 结保 温 时间 2 5 mi n 。 5 保护气氛 7 5 H。 一2 5 N 体积百分 比 。 增高粉末冶金零件 的密度时， 成 品零件的抗拉 强度 和疲 劳强度 也 增 高 。图 2和 图 3表 明 ， 在 同样 的压 制压力 下 ， 用 An c o r Ma x D工 艺 制备 的试 样 密 度增 高 0 ． 1 g ／ c m。时， 最 终试样 的极 限抗 拉强 度 UTS 和屈 服 强 度 YS 增 高 l 0 。此 外 ， 通 过 对 图 2和 图 3的数据 对 比 ， 发现 将烧 结温度 从 1 1 2 0 ℃ 升高到 1 2 6 0 ℃时， 强度还能另外增高。 表 2中的旋转弯曲疲劳的数据 r b f 表明， 增高 图 2在 1 1 2 0 ℃下烧结的 F L N 2 4 4 0 5的强度 皇 吾 骥 图 3 在 1 2 6 0 ℃下烧结的 F L N 2 ． 4 4 0 5的强度 密度对疲劳极 限， 同样具有有益 的影响。密度增高 0 ． 1 0 g ／ c m。 时，疲劳寿命约增高 1 0 ％。 表 2 A n c o r Ma x D加工的 F L N 2 - 4 4 0 5的 R B F的数据 注 1 0 ．7 5 w／ o Awa x 2 一 Anc o r M a x D 在 1 2 3 0 ℃ 2 3 0 0 。 F 烧结的试样 的旋转弯衄疲 劳 r b f 极 限 比在 1 1 2 0 ℃ 下 烧 结 的试 样 低 ， 于 1 1 2 O ℃下 烧结 的试 样 的疲 劳性 能较好 ， 这 与其 多相 显微结构有关 。在 1 1 2 0 ℃下 ， 预混合的镍并没有完 全扩散到铁基体中， 而是形成 了阻止裂纹扩展的富 镍 第二 相 。相反 的 ， 高温 烧 结 试 样 的 多相 显 微 组织 没 有这 些 阻止裂 纹扩 展 的颗 粒 ， 从 而导 致 疲 劳 性减 低 。 。 3 螺旋齿轮原型生产 为 了证 明 An c o r Ma x D 工 艺 的生产能 力 ，C a p s t a n At l a n t i c和 Ho e g a n a e s C o r p o r a t i o n合作压制 与烧结 了图 4示 的 螺旋 齿 轮 。在 进 行 这 项工 作 时 ， 在未加热的模具 中，在 5 5 0 ～8 3 0 MP a的压力范围 内 ， 以 每 分 钟 约 8件 的 压 制 速 度 ， 压 制 了 组 成 为 F L N2 - 4 4 0 5 表 1 的标准 预混粉 材 。 试验 的第 二 阶段 是用 同样 的螺 旋 齿 轮模 具 ， 将 组成 相 同的 F L N2 4 4 0 5 除了 润滑 剂 的添加 量 和 类 型外 的 An c o r Ma x D预混合粉进行压制。压制压 力为 5 5 O ～8 3 0 MP a ， 阴模温 度为 6 5 ℃。在两种压 制试验中， 零件高度变化范围为 6 ～2 5 mm。 表 3 示 压 制试验 结果 汇总 。和用试 验 室试样 得 到的试验结果相似 ， 在相同的压制压力下 ， 与标准预 混粉相比， An c o r Ma x D齿轮的整体密度增高了约 0 ． O 5 ～O ． 1 0 g ／ c m。 。这项工作值得注意的一个方面 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 粉末冶金工业 第 2 2卷 图 4合作压制的螺旋 齿轮 的照片 注 螺旋齿轮的螺旋角 为 2 2 。 ， 总高度 2 2 ． 5 mm 齿轮外径 4 2 ． 5 mm， 内径 2 3 ． 5 ram 。 是 ， 证 明了减少 润滑 剂添加 量 的 An c o r Ma x D工 艺 ， 一 直 到零 件高度 2 2 ． 5 mm ， 压制 与脱 模都 是令人 满 意 的 。压 制 的齿 轮 的总高度 大 于 2 5 mm 时 ， 不但 脱 模力 高 ， 而 且相 应 的 表 面 粗糙 度 差 。表 3示 螺 旋 齿 轮试 验 的生坯密 度结 果 。 表 3螺 旋 齿 轮试 验 的 生坯 密 度 结果 齿轮于 5 5 0 MP a 下 于 6 9 0 MP a下 于 8 3 0 MP a 下 预混合粉 O AL 的生坯密度 的生坯密度 的生坯 密度 ／ mm ／ g- c m 。 ／ gc m一 。 ／ g c m。 标 准预混合粉1 2 7 ． 1 2 1 9 7 ． 1 3 2 5 7 ． O 3 An c o r M a x D 1 2 7 ． 2 4 1 9 7 ． 2 5 2 2 ． 5 7 ． O 5 用 An c o r Ma x D粉 制造 的齿 轮 ， 其 零 件 之 间 的 重量变动性 表 4 表 明，其分散性 比标准材料小 。 这种分散性减小会导致实际零件生产中尺寸的变化 减 小 。表 4示于 8 3 0 MP a下零件 间重 量 的变动性 。 表 4于 8 3 0 MP a下压制的零 件问重量 的变动性 压制后 ， 齿轮在体积比为 91的氮／ 氢混合气 氛 中 ， 于温 度 1 1 2 0 ℃ 下 进行 了烧 结 ， 烧 结保 温约 3 O mi n 。对 烧结 齿 轮 的烧 结 态 密度 进 行 了 评 定 ， 其 结 果 如表 5所 示 。在 这 个 试 生 产 阶段 ， 压 制 了 3 0 0 0 多个齿 轮 。将零件 按横 截面 直径 分成 四份 和按照 高 度分成三份 ， 对这 1 2 种零件进行了密度评定 。分析 结果示于表 6 。值得注意的是 ， 从顶部到底 部沿着 圆周 的密度 梯度 是均 一 的 ， 位 于 0 ． 0 2 g ／ c m。 范 围 内。 由于整个 零件 密 度 均 匀 ， 从 而 烧结 时 的挠 曲最 小 化 。因此 ， 密度 的这种 均 一性是 至关 重要 的 。表 5 示在 1 1 2 0 ℃ 2 0 5 0 。 F 下烧结 的螺旋齿轮的密度。 表 6示烧 结螺 旋转 齿轮 的密 度变化 。 表 5于 1 1 2 0 C下烧结的螺旋齿轮烧结件的密度 预混合粉 uL 于 5 5 0 M P a T 于 。 。 。 M P a 下 于 。 。 M P a 下 ／ mm ／ g 。 ／ g‘ 旷 ／ g c m 3 标准预混合粉1 2 7 ． 1 2 19 7 ． 1 2 25 6 ． 9 9 Ar l c o r M a x D 1 2 7 ． 2 6 19 7 ． 2 8 2 2 ． 5 7 ． 0 7 4 改进粉末冶金零件物理性能 的方法 增高烧结态密度或许是改进粉末冶金零件使用 性 能 的主要 途径 。然 而 ， 最 近 的试 验 研究 表 明 ， 热处 理 的实 际应 用和 后续处 理零 件 的实 际使用 也 有显著 影响。这一节将 回顾近来这些生产工艺的进展 ， 并 且 说 明这些 进展 是如何 改 进齿 轮 的使 用性 能 的 。 众 所 周 知 ， 渗碳 可 在零 件 表 面 产 生有 利 的压缩 应力 。这种 现象 也适 用于 粉末 冶金零 件 。一 些研究 者发现可改进 1 5 ～2 O O旋转弯曲疲劳性能n ] 。 另外 ， 制造 的含碳 量较 低 的材料 ， 其 冲击 韧性 和芯 部 的延展性较高。虽然 ， 渗碳对力学性能有积极作用 ， 但是 粉末 冶金零 件 的一项 关 键 材 料 特性 ， 在 滚 动 接 触疲 劳强 度 方 面不 如 常 规 锻 钢 。在 滚 动 接 触 疲 劳 中 ， 在 齿 轮接触 区 与相 对 滑 动 中产 生 的表 面 底 下 的 高应力表明， 要承受 和高使用性能齿轮 的滚动接触 疲 劳相关 的 He r t z i a n接 触应 力 ， 在 关 键应 力 区需要 具有 全密 度 。 为了改进粉末冶金齿轮 的使用性能 ， 在不影响 芯部 性能 下 ， 有 时用 表 面 致 密 化 可使 零 件 高 应 力 区 达 到全密 度 。表 面致 密化 的好 处有 1 提供了一种无孔隙表面与多孔性芯部构成 的复 合结 构 。 2 由于仅只零件的关 键应力 区是高 密度 区， 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 粉末冶金工业 第 2 2卷 噪声 ， 振动及不平顺性 越来越高 的要求是最重要 的 。 图 8和 图 9分别 示对齿 轮导 程误差 与渐 开线 齿 廓测定的齿轮的 自动记录。除了需要使表面致密化 与改进齿轮品质外， 这项应用面对的另一难题是， 需 要沿着齿轮节径的渐开线顶点 见渐开线轨迹 ， 在 齿轮 齿面宽 度范 围 内中心拱起 见 导程 轨迹 。 首先 ， 看 导程 轨迹 图 8 ， 注意 尽 管在 轨 迹 的 中 央呈正向拱起， 但是轨迹的起始点和最终点却位 于 同一水 平 。通常 ， 在 粉末 冶 金 齿 轮齿 面 宽 度 的 中心 区或其附近 ， 由于是低密度区， 从而导致在齿的齿宽 中心区呈现凹陷状 。我们称之谓“ 密度下陷” 效应。 从齿顶部到底部密度均匀的高密度齿轮预成形件的 压制成形 ， 使这种” 密度下陷” 最小化 ， 从而结合采用 专门设计的辗压 工艺， 可在 齿轮二 侧面形成 0 ． O 1 mi l l 的拱起 。 精密 小螺 旋齿 轮导程 轨迹 齿轮辗压作业的结果 0 I mm b 一 ⋯ l } 7 f 1 ■、． ＼ ； 0 ． ＼ j f 一 J ． ， ； ／ F ． t _ } ⋯ 注 每 隔 9 O 。 测定 的四个齿 ， 齿的两个侧 面 图 8 在辗压致 密化螺旋转齿轮上每隔 9 0 。 齿轮齿的导程误差 a 右侧 面； b 左侧面 开 线 。 精密 小螺 旋齿 轮渐 开线齿 廓 有效齿廓 开始 注 每隔 9 O 。 测定 的四个齿 ， 齿的两个侧面 图 9 辗压致密化螺旋齿轮上 每 隔 9 0 。 渐开线齿轮 轨迹 a 右侧面； b 左侧 面 除 了辗 压 可得 到 尺 寸 和表 面 粗糙 度 的好 处外 ， 还可实现表面致密化。通常， 需要使齿轮齿侧面的 致密 化 深 度 达 到 0 ． 3 ～ 0 ． 7 mi D _ 。这 种 表 面致 密 化 的主要好处是 ， 通过在齿表面诱发压缩应力 ， 可增高 疲劳寿命与耐磨性 。图 1 O示 表面致密化螺旋齿 轮 的光 学显微 照 片 。为 了表 明在齿 轮齿 的前面 与后 面 致密 化均 匀 ， 将齿 轮 在对 垂 直 面 呈 2 2 ． 5 。 处 切 割 开 。 图 1 1 示 齿 轮致 密 化 的深 度 。这 是 第 一 次 尝试 使 生 产 的小螺旋 齿轮 表 面 致密 化 ， 其 表 面 层 的 致 密化 程 度不及 环形 试样 。表 面层 的孔 隙 之所 以较 多 ， 原 因 很简单 ， 未 能使 辗 压条 件 最佳 化 。C a p s t a n At l a n t i c 以前 的经验 制备 的齿 轮 的致 密化 层 与 试 验 试 样 数 据如 图 5 所 示 相 同。在这个 特别 研究 项 目中 ， 较大 的难题 是 ， 如何 在 齿轮 上 形 成 拱起 。在 以前 的这 种 项 目中 ， 不 曾想 到 碾压 有 拱起 的粉 末 冶 金 齿 轮 。 因 此 ， 对变 形 的性状 并 不 完 全 了 解 。通 过对 辗 压 这 种 齿 轮形 状 的更多 试验 ， 一定 能 生 产 出所 要 求 的致 密 化 层与 形状 细节 。 6 总 结 这种齿轮的渐开线轮廓或“ 齿的形状” 不仅是辗 压作业的功能， 而且也是压制 的齿形的结果。为 了 要得到好的力学使用性能 ，粉 末 冶金 零 件 中烧 形成特定的渐开线轮廓需要利用多个系统方法 。注 结态密度分布有重要影响 。本 文介 绍 了一种 新 的零 意渐开线绘制的是齿轮的理论节线处顶部正向的渐 件制造 工 艺 ， 其 使 用 独特 的粘 结 剂／ 润 滑 剂 系 统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 R i c h a r d S l a t t e r y等 高密度粉末冶金螺旋齿轮 7 图 1 0 辗压致密化螺旋齿轮拱起剖面的光学显微照片 图 1 1 在拱起 区测定 的辗压致密化螺旋 齿轮 的密度梯度 An c o r Ma x D ， 将 阴模温度维持在 6 5 ℃和使用较 高的压制压力就能够生产高密度粉末冶金零件 。已 证 明 ， 使 用 F L N2 4 4 0 5材 料 的试 验 室 试 验 试 样 ， 其 烧结体密度可以达到 7 ． 4 g ／ c m。 。除了密度高外 ， 试验还表明零件从底部到顶部 以及周围的密度均一 性 十分 一致 。 将试验室试验扩展到 了螺旋角为 2 2 。 的螺旋齿 轮的试验生产 。如同在试验试样的试验室生产中所 观 察 到 的 ， 和 标 准 的 预 混 合 粉 F L N2 4 4 0 5相 比 ， An c o r Ma x D表 明螺旋 齿轮 的密度 同样 的增高 了 0 ． 0 5 ～0 ． 1 0 g ／ c m。 。An c o r Ma x D预混合粉 的试验 性 生产 减小 了零 件 间 的重 量 变 动性 ， 减 少 了零 件 间 重量 的差异 ， 从 而提高 了最终 零件 的一 致性 。 除 了开 发 了新 的粘 结剂 ／ 润滑 剂系统 外 ， 表面致 密化还是一种能够使齿轮表面形成全密度层的生产 工艺。其可 使 齿轮 表 面形 成 深度 为 0 ． 3 8～0 ． 7 0 mm 的全致 密 化层 。这种 表面 致密 化创 建 了一种 复 合结构零件 ， 其在零件的关键 的处于受应力状态的 表面 区可形 成 密 度 约 为 9 5 理 论 密 度 的无 孔 隙 密度 ， 而在零件芯部 ， 则具有所需要的芯部性能。除 了致密化复合结构外， 辗压零件 的表面粗糙度远好 于磨削加工的表面。 推荐的高使用性能螺旋齿轮的生产加工路线如 下 采 用 An c o r Ma x D 生 产 工 艺 压 制 到 密 度 7 ． 3 g ／ c m。 ； 烧结 ； 为了同心度 ， 切 削加工 内径 如果需 要 ； 表面致密化到深度 0 ． 7 mm；渗碳热处理 ；需 要 时 ， 进行 精 切削加 工 。 这种生产工艺可提供高密度零件 的力学性能 ， 常规钢零件的疲劳强度以及粉末冶金零件生产固有 的低成本 。 表 面致 密化 的优 势如 下 无 孔 隙 的齿 表 面 ；极 好的 如镜面 表 面粗糙度 ；增 高耐磨性 ；减低 噪 声 ；改进耐腐 蚀性 ；可使 齿之间 的与 总的综合误 差 ， 齿距误 差 最小化 ；改变螺 旋 角 ， 以改 善齿 轮 齿导 程 ， 同时形成齿拱起；定 制的齿廓 ；改进疲劳耐久 性 。 值得 注意的是渗碳 工序会 形成硬 的表 面耐磨 层 ， 而且可产生所期望的表面压应力， 从而增高弯曲 疲劳 性能 。增 高旋 转 弯 曲疲 劳试 样 的存 活 极 限 1 5 ～2 0 左右 。此外 ， 渗碳可使 表面硬化区形成 所希望的针状马氏体显微结构。表面致密化和渗碳 的叠加效应使得可为最终客户提供常规锻钢齿轮的 使用性能和粉末冶金零件生产工艺固有 的低成本 。 最后 ， 而且 可能是 最重 要 的一点是 ， 表 面致密 化 对于生产高尺寸精度零件具有补益作用 。像经过辗 压对导程和渐开线进行过校正的齿轮所表明的， 其 齿轮 误差 与 常 规 切 削 加 工 的 锻 造 钢 齿 轮 相 同 。此 外， 辗压致密化工艺能够形成齿轮上的拱起 ， 从而进 一 步 改进齿 轮 的 NVH 使用 性 能 。用 粉末 冶 金零 件 压制 工艺是 无 法形成 齿轮 的拱起 的。拱起 的一致 性 是整 个零件 烧结 态 密 度 均一 的直 接 结果 ， 而且 是 形 成这种特征的辗压工艺的巧妙设计。 为使 生产 的螺旋 齿轮 达到试 验试 样 的致密化 层 深度 ， 还 需要进 行更 多试 验研究 。可 是 ， 在 用粉末 冶 金工 艺生 产 这 种 零 件 的可 能 性 方 面 已取 得 重 大 进 展 。下一 步需要 试验 研究 的项 目如下 将 齿 轮致 密 化到深度达到 0 ． 7 mm；将零件进行渗碳热处理 ， 以 测定热处理时可能产生的挠曲变形 ；为验证提出的 生产工艺的使用性能 ， 对齿轮进行模 拟试验 ；成 品 齿轮 的实际齿轮试验 ， 以考核生产工艺。 致 谢 感 谢 C a p s t a n At l a n t i c ，C r a i g G a mb l e ，To m Mu r p h y和 Ho e g a n a e s C o r p o r a t i o n的领 导 和 全 体 员工对这项工作的支持 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 粉末冶金工业 第 2 2卷 参 考 文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Do n Wh i t e ．“ S t a t e o f t h e No r t h Ame r i c a n P ／ M I n d u s t r y ” ，Ad v a n c e s i n P o wd e r M e t a l l u r g y a n d P a r t i c u l a t e M a t e r i a l s，Pa r t 8， p p． 1 1 1 1 2，M e t a 1 Powde r I n d u s t r i e s Fe d e r a t i o n， Pr i n c e t o n，NJ ，2 0 0 2 ． Ma t e r i a 1 S t a n d a r d s f o r P ／ M S t r u c t u r a 1 P a r t s ．2 0 0 0 E di t i on，M PI F St a nda r d 3 5，Pub l i s he d by M e t a l Po w de r s I n dus t r y Fe d e r a t i o n． S h i v a n a t h R，P e t e r s R，J o n e s P，E1 一 S a wa f E．“ Va c u u m Ca r b u r i z a t i o n o f Hi g h Pe r f o r ma n c e Au t o mo t i v e PM Pa r t s ”． I n du s t r i a l H e a t i n g， May 20 01， p p． 3 7 3 9． Ge a r De s i g n ， M a n u f a c t u r i n g a n d I n s p e c t i o n M a n u a l ， P u b l i s h e d b y t h e S o c i e t y o f Au t o mo t i v e E n g i n e e r s ， W a r r e nd a l e，PA ，1 9 09 6，19 9 0，P ． 51 ． Don a l d s o n I W ．e t al 。“ Pr oc e s s i ng o f H y br i d Al l oy s t 0 H i g h De n s i t i e s ” ． Ad v a n c e s i n P o wd e r M e t a l l u r g y a n d P a r t i c u l a t e M