表面致密化粉末冶金齿轮的性能.pdf

第 3 0卷第 3期 2 0 1 2年 6月 粉末 冶金 技术 Po wde r M e t a l l ur g y Te c hno l o g y Vo 1 ． 3 0，No ． 3 J u n ． 2 0 1 2 表面致密化粉末冶金齿轮的性能 L o r e n z S ． S i g l ， Gfi n t e r Ra u， Mi c h a e l Kr e h l S i n t e r s t a h l Gmb H， D- 8 7 6 2 9 F t l s s e n ， Ge ma n y 摘要 用压制 、 烧结及选择性横 向辗压 表面致密化制造 了轿车变速器 的粉末冶 金螺旋齿 轮。在 生产的每 一 道 工序中都根据显微组织 、 齿轮几何形状 、 表 面粗 糙度及 D I N品质对齿 轮的性能 演变进行 了监 控。将粉末 冶金齿 轮的几 何形状和现在变速器 中使用 的常规生产的锻钢齿轮 D I N品质 7 进行 了比较 。表明 ， 制 造的粉 末冶金齿 轮的品质位于 D I N品质 8范 围以内； 而且 ， 证 明通过生产工序 的改变可减小对 中与齿廓 的误差 。虽 然锻钢齿 轮的对 中与齿廓误差较小 ， 但是 粉末 冶金齿轮的偏心率与节矩 的误差和表面粗糙度较好 。 关键词 粉末冶金 ； 齿轮 ； 表面致密化 ； 螺旋齿轮 Pr o pe r t i e s o f s ur f a c e d e n s i fie d P／M g e a r s Lo r e nz S． Si g l ， Gtint e r Ra u， M i c hae l Kr e hl S i n t e r s t a h l Gmb H， D一 8 7 6 2 9 F fi s s e n ， Ge r ma n y Abs t r a c tA h e l i c a l PM g e a r f o r a pa s s en g e r c a r g e a r bo x wa s ma n u f a c t u r e d b y p r e s s i ng，s i n t e r i n g a nd s e l e c t i v e s u r f a ce d e n s i f i c a t i o n b y t r a ns v e r s e r o l l i n g． The e vo l u t i o n o f t h e g e a r pr o pe r t i e s i n t e rm s o f mi c r o s t m c t u r e，g e a r g e o me t r y，s u rfa c e r o ug hn e s s a n d DI N- q ua l i t y i s mo ni t o r e d a t e a c h s t e p o f t he p r o c e s s i ng s e q ue n c e ． Th e g e o me t r y o f t h e P M g e a r i s c o mp a r e d t o a c o n v e n t i o n a l w r o u g h t s t e e l g e a r D I N- q u a l i t y 7 b e i n g c u r r e n t l y u s e d i n t h e g e a r b o x ．I t i s s h o wn t ha t PM g e a r s c a n be ma n u f a c t ur e d we l l wi t h i n t h e DI N q ua l i t y 8 t o l e r a n c e fie l ds ． F u r t h e r mo r e i t i s de mo n s t r a t e d t h a t a l i g n me nt a n d pr o fil e e rro r s i s r e d u c e d i n t he s e qu e n c e o f p r o c e s s i n g ． W h i l e wr o u g h t g e a r s h a v e l e s s a l i g nme n t a nd p r o fil e e rro r s， PM g e a r s a r e s up e rio r i n t e r ms o f r u n o u t a n d p i t c h e r r o r s a s we l l a s s u r f a c e r o u g hn e s s ． Ke y wo r dsp o wd e r met a l l u r g y； g e a r ； s e l e c t i v e s ur f a c e d eu s i fic a t i o n； h e l i c a l g e a r 齿轮在现代传动技术中是关键结构零件。齿轮 的主要 功 能 目标 是 可 靠 且 无 噪 声 地 传 输 转 矩 。通 常 ， 齿 轮是 在齿 顶或 齿 顶 稍 下 方 表 面 啮 合 时 承受 脉 动应力 ， 因此 ， 主要是需要在其表面或表面层具有高 强度与耐磨性。除 了需要强度外， 对于许多齿轮 的 应用， 噪声低也是必须的。噪声的产生基本上决定 于齿 轮 的尺 寸公 差 、 形 貌 及 表 面粗 糙 度 。齿 轮 的几 何形状或组件的不精确都会显著减低齿轮的使用寿 命、 承载能力及增强噪声的产生。因此 ， 一般需要齿 轮的几何形状具有高品质 ， 变速器用的齿轮通常要 高 于 D I N 7 。 除了要求强度与噪声之外 ， 对改善齿轮 的经济 特性 的要求也在提高 。近年来 ， 先进的粉末冶金生 产工艺能够制造出成本可行和强度相当高的高负载 齿轮。预计这种生产工艺方法制造的粉末冶金齿轮 除强度与噪声性能可和常规生产的齿轮相 比拟外 ， 还具有显著的经济与技术优势。 近 年来 ， 已证 明选择 性 表 面致 密 化 可减 小 表 面 区域 的孔隙度 ， 而保持心部的孔隙度 ， 从而很有希望 在改进噪声性能的同时， 提供 足够高 的强度。横向 辗压 是制 造 表面致 密化 粉末 冶金齿 轮最 有前 景 的工 艺。采用横向辗压工艺形成的全致密化表面层深度 达到约 0 ． 31 ． 0 ram， 而零件 心部的孔隙度水平并 没有改变 。笔者想说明的是 ， 按照在论 文中提 出的生产工艺生产时 ， 图 l示的螺旋齿轮的显微组 织 、 几 何形 状及 品质 是如何 演 变 的。 l 试 验 研究的齿轮是图 1 所示 的螺旋齿轮 ， 其特性是 螺旋角为 3 0 。 及内径有花键。几何形状 的参数 汇总 于表 1中。现在这种齿轮是用锻钢制造 的， 用作轿 车 变速 器五 挡 的固定 齿轮 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金技术 2 0 1 2年 6月 图 1 用作标 准变速器固定齿轮 的粉 末冶金 齿轮 左 与常规 生产 的螺旋齿轮 右 F i g ． 1 P M g e a r 1 e f t a n d c o n v e n t i o n a l h e l i c a l g e a r r i g h t w i t h i n n e r s p l i n e u s e d a s a fi x e d g e a r i n a s t a nd a r d g e a r bo x 表 1 图 1 示螺旋齿轮成 品的几何形状详 细说 明 Ta b l e 1 Geo me t r i c de t a i l s o f fin i s h e d h e l i c a l g e a r f r o m F i g． 1 齿轮参数 精加工的齿轮 齿数 z 法向模数 m ／ ra m 压力角 a ／ 。 螺旋 角 口 ／ 。 螺旋方 向 变位系数 外径 d ／ ram 根径 d ， ／ ra m 二球测量／ r a m 标称节径 d ／ ra m 3 1 1 ． 6 2 O 3 0 左 一 0 ． 2 2 1 5 6 O． 1 6 ～6 0 ． 5 5 5 1 ． 3151 ． 7 0 61 ． 5 6 7 61 ． 6 0 0 5 7 ． 2 7 3 1 ． 1材料选 择 材料是根 据 以前 的生产经 验 压 制与辗压试 验 和滚动接触疲劳试验 的评价选择的。根据这些 资料 ， 选择了含 1 ． 5 ％ 质量分数 M o 预合金化 的 与 2 ． 0 ％ 质量分数 N i 扩散粘结的 ， 预混合 0 ． 1 5 ％ 质量分数 石墨、 0 ． 6 ％ 质量分数 K e n o l u b e的水雾 化预合金与扩散合金化粉末。 1 ． 2工 艺过 程与 模具 这项研究采用的生产工艺的工序如下 1 压制 有裕 量 的齿轮 。 2 烧结体密度达到 9 0 ％ 一 9 2 ％理论密度。 3 用横向辗 压将 表面附近区域选择性致密化 到 1 0 0 ％密度 ， 同时心部 的孔隙度保持不变。 重要 的是 ， 要 注意在 制造 表面 致密化 齿 轮时 ， 关 键 问题 是压 制 的模具 和辗 压 用 工具 轮 要 完 全 一 致 。 这基本 上是 要求 生 产 的烧 结 齿 轮裕 量 要 精 确 ， 这 样 辗压后 ， 才能使得到的充分致密化的深度 0 ． 4 mm； 辗压与硬化后 ， 齿轮的几何形状才能位于所需公差 范 围之 内 。 齿 轮 预成 形 件 的几 何 形状 ， 即齿 轮 在辗 压之 前 的几何形 状 ， 包括 齿 侧 面 与齿 根 的裕 量都 是 计 算 确 定 的。而且 ， 为了评估 由于压制 回弹 与烧结 收 缩 发 生 的 尺 寸 变 化 ， 要 进 行 预成 形 试 验 。 为 了 确 定压制模具与辗压工具轮的尺寸 ， 要将由于压制 、 烧 结及辗压产生的形状变化进行综合处理 。 生产 工艺 的第 一道 工序 是冷压 制 。 图 2图解 示 冷 压制 时模 具 的动作 ， 即采 用 模 架 来 控制 上 模 冲 的 螺旋移动。常规 压制 时， 装 粉之后 是上 模 冲下行 图 2中步骤 1 ； 上模 冲一面下行一面旋转 ， 使之和 螺旋阴模精确配合 。为 了使零件横 向密度分 布均 匀 ， 阴模向下移动但不转动 ， 即在上 、 下模 冲反 向旋 转时向下移动 图 2中步骤 2 。将粉末充分 压制 后 ， 上、 下模冲开始同方向旋转 图 2中步骤 3 。最 后 ， 上模冲回升 图 2中步骤 4 ， 将压制的齿轮生坯 脱 出 。实 际压制 是在 T P A 3 5 0 t 压机 上 进行 的 见 图 3 。 营营 善 誊 压制 步骤 1 图 2粉末 台金螺旋齿轮的压 制程序 Fi g ． 2 Pr e s s i n g s e q ue nc e f o r a h e l i c a l P M g e a r s c h e ma t i c 然后 ， 将齿轮生坯置于陶瓷板上 ， 在标准网带式 炉内， 于 吸 热 性 煤 气 气 氛 中， 在 1 1 2 0 o C下 烧 结 3 0 m i n 。为使齿轮的含碳量保持在起始的水平 ， 必须 精密控制炉中的碳势。所有零件都是以约 0 ． 2 K s 的冷却速率从 烧结 温度 缓慢冷却 的。烧 结后齿 轮的密度很均匀 ， 即心部为 6 ． 9 6 g ／ O l l l ’ 、 7 ． 0 g ／ c m 。 。 烧结后 ， 在控制力 的圆形辗压机 见图 4 上进 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 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