高使用性能粉末冶金零件的表面致密化.pdf

第 3 0卷第 2期 2 0l 2年 4月 粉 末冶金 技术 Po wde r M e t al l ur g y Te c hno l o g y Vo 1 ． 3 0， No ． 2 Apr i l ． 201 2 高使用性能粉末冶金零件的 表面致密化 L o r e n z S S i g l ， Gt i n t e r Ra u， Ch r i s t i a n De n n e r t P MG F t i s s e n G m b H， F t i s s e n 8 7 6 2 9 ， 德国 摘要 为保证机构 的可靠性 ， 历史上一直在用锻钢合金批量生 产高转矩变速器零件 ， 诸如变 速器 齿轮、 高 性能链轮 、 单向离合器座圈及滚珠轴 承座 圈。虽然用粉末冶金工 艺生产 的零件成本 低廉 ， 但 常规粉末冶金 钢 的静态 、 疲劳及耐磨性 能的局限性 ， 使粉末冶金零 件不 能应用于 上述领域 。 为解 决这些缺 欠， 近年来 ， 一直在研发用选择性表面致密化 S S D 改进粉末冶金钢性能 的各 种生产工艺 。 特别是 ， P MG集 团开发出 了一种拥有专 利权 的表 面致密化 工艺 D e n s i F o n n 。利用这种 工艺 可使零 件表 面关键部分形 成深度达 1 m m的完全致密化表面层 ， 而零件 心部仍然是多孔性 的。这 种结合 与粉末冶金 材料 合金化的灵活性 ， 使生产的烧结钢零件的使用性能可与在高 应力下使用 的锻钢性能相 比拟。本 文将介绍 2个 例子 ， 即变速器 中应用 的表面致密化螺旋齿轮和直齿链 条的驱动链轮 。 本文说明 了螺旋齿轮和驱动链 轮的生产工艺与显微组织 ， 介绍 了轿 车变速器用螺旋 齿轮的性能 其 中包 括在三轴总成的成对试 验台架上得到的滚动接 触疲劳 的数据 和表面致密化链轮的材料性能与使 用性 能。 关键词 选择 性表 面致 密化 ； 粉末 冶金 ； 螺旋齿轮 ； 链轮 S e l e c t i v e s ur f a c e de n s i fic a t i o n f o r h i g h pe r f o r ma n c e P／ M c o mpo ne n t s Lor e nz S Si g l ，Gi i nt e r Rau，Chr i s t i a n De nn e r t P MG F fi s s e n Gmb H，F t i s s e n 8 7 6 2 9，Ge r ma n y Ab s t r a c t Hi s t o r i c a l l y， wr o u g h t s t e e l a l l o y s ha v e b e e n e mp l o y e d i n t h e s e r i e s ma n u f a c t u r i ng o f hi g h t o r q ue t r a n s mi t t i n g c o mp o ne nt s s u c h a s t r a n s mi s s i o n g e a r s，hi g h p e rfo r ma nc e s pr o c ke t s，o ne - wa y c l u t c h r a c e s a n d b e a r i n g r ac e s t o i ns u r e l o ng t e r m s y s t e m r e l i a b i l i t y ． Ahho u g h P／ M t e c hn o l o g y o f f e r s l o we r c o s t c o mp o n e nt s，l i mi t a t i o ns i n s t a t i c，f a t i g u e a n d we a r p r o p e r t i e s o f c o nv e nt i o na l P／M s t e e l s p r e c l u de u t i l i z a t i o n o f po wd e r me t a l l u r g y p a r t s i n t h e s e a p pl i c a t i o n s ． To a d d r e s s t he s e s h o r t c o mi n g s，v a r i o us p r o c e s s e s t o i mpr o v e t he pr o pe r t i e s o f P／M s t e e l s by s e l e c t i ve s u rfa c e d e n s i fi c a t i o nS S D h a v e b e e n d e v e l o p e d d u r i n g t h e p a s t y e a r s ． S p e c i f i c a l l y， t h e P MG G r o u p d e v e l o p e d De n s i Fo r m ，a p r o p r i e t a r y de ns i fic a t i o n p r o c e s s wh i c h g e n e r a t e s c o mp o ne nt s wi t h a f u l l y d e ns e s u rfa c e l a y e r i n c r i t i c a l a r e a s u p t o 1 mm d e e p i nt o t h e p a r t a n d a hi g h l y d e ns e y e t s t i l l p o r o us c o r e ． Th i s c o mb i na t i o n a n d po wd e r me t a l a l l o y i n g fle x i bi l i t y a l l o ws t he p r o d uc t i o n o f s i nt e r e d s t e e l c o mpo ne n t s whi c h ma t c h t he pe rfo r ma n c e o f wr o ug ht s t e e l i n hi g h l y s t r es s e d a pp l i c a t i o ns ．Two e x a mp l es ，i ．e ． a s u rfa c e d e ns i fie d h e l i c a l g e a r f o r a g e a r bo x a p pl i c a t i o n a n d a s pu r c h a i n d r i v e s p r o c k e t a r e d e s c r i be d i n t hi s p a p e r ． Af t e r d e s c r i b i n g t he pr o c e s s i n g a nd mi c r o s t r u c t ur e，p r o p e r t i e s o f a h e l i c a l P ／M g e a r f o r a p a s s e n g e r c a r g e a r bo x a r e pr e s e nt e d i n c l u di n g r o l l i n g c o n t a c t f a t i g u e da t a o b t a i n e d o n a 3 - s h a f t b a c k t o b a c k t e s t r i g ．F i n a l l y t h e p r o p e r t i e s a nd p e r f o r ma n c e d a t a o f s urfa c e d e n s i fie d s p r o c ke t s a r e de s c r i b e d． Ke y wor dss e l e c t i v e S u rfa c e d e ns i fic a t i o n； po wd e r me t a l l ur g y； h e l i c a l g e a r ； s p r o c ke t 利用粉末冶金工艺的最终形成形的特点 ， 可降 低零件的生产成本 ， 使得粉末冶金零件在汽车的传 动 系 中的应 用迅 速扩大 。这 除 了传 统粉末 冶金 零件 的优势 ， 诸如成本低与尺寸公差精密之外 ， 还因为粉 末冶金钢的力学性能都是根据那些应用的具体要求 开发的。不过 ， 传统粉末冶金零件 的强度与硬度都 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷第 2 期 L o r e n z S S i g l 等 高使 用性能粉末冶金零件的表面致密化 1 4 5 受 到残 留孔 隙 的 限制 ， 一 般 残 留 的孔 隙 度 约 为 5 ％ ～ 1 5 ％ 体积分数 图 1 。倘若 粉末冶金钢 在以 下 2方 面能有 实质 性 改 进 ， 则许 多有 吸引 力 的 应 用 可 采用 粉末 冶金钢 力学强度 ， 特别是疲劳与抗冲击强度 图 2 ； 尺寸精 度 。 图 1 密度为 7 ． O g ／ c m 的烧结态粉末 台金钢的 典型显微组织 Fi g ． 1 Ty pi c a l mi c r o s t r u c t u r e o f a s s i n t e r e d P ／M s t e e l a t 7． 0 g ／c m d e n s i t y 嘏 譬 羹 ～ ⋯⋯⋯。’ - ． ． ． ．． ’． 常规锻钢与 ； 高强度铸件 ． ． ． ． ． ． ． ． ．．．⋯ 一．． ． ’ 抗拉强度、弯曲疲劳强度 图 2 常规锻钢与高强度铸件和 传统粉末 台金钢 之 间的力学性能 空白区 Fi g． 2 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s g a p b e t we e n wr o u g ht s t e e l a nd hi g h s t r e n g t h c a s t i n g s V S ．t r a d i t i o na l P／M s t e e l s 除了通过研发新合金改进外 ， 若能将粉末冶金 钢加 工到孑 L 隙 度为 0时 ， 粉 末 冶金 钢 的力 学性 能 可 能会 和锻 钢 的性 能相 比拟 或 会超 过 之 。特 别 是 ， 低 密度 粉 末 冶 金 零 件 的静 态 强 度 相 当 高 ， 即密 度 为 6 ． 9 g ／ c m 8 7 ％ 理论密 度 时 ， 静 态 强度 约 为 锻 钢强 度 的 7 0 ％ ， 而密度 为 7 ． 4 g ／ c m 9 4 ％ 理 论 密 度 时 ， 静态 强度 约为 锻钢 强度 的 9 5 ％ 。可是 ， 孔 隙度 对疲 劳性 能有 重 大影 响。一 般 密 度 为 7 ． 1 g ／ c m 的粉 末 冶金钢的弯曲疲劳强度不大于锻钢的 6 0 ％。 在许多应用 中， 负载在零件表面或其附近会产 生高应力 ， 因此， 并不需要整个零件具有全密度 。在 这些场合 ， 强化粉末冶金钢最引人注意 的加工工艺 是选 择 性表 面致 密 化 S e l e c t i v e S u r f a c e D e n s i f i c a t i o n ， S S D 。这 种工 艺 形 成 的表 面 致 密 化 层厚 度为 0 ． 2～1 ． 0 m m， 而密度梯度的范 围从表 面的孑 L 隙度接 近于 0到一般 零 件心 部 的孔 隙度 为 1 0 ％ 体 积 分数 ” 。S S D是 一 种 加 工 工 艺 ， 已成 功 地 用 于使高负载零件表面致密化。P MG集团开发出了一 种拥有专利的 S S D工艺D e n s i F 0 瑚 ， 是一种采用 挤 压 D e n s i F o r m。 E 或横 向辗压 D e n s i F o r m R 的冷 成 形加工工 艺。 S S D的最重要应用是负载转矩的零件 诸加齿 轮 与负载磨耗的链轮。这 2种零件在顶点或其表面 稍下都遭受脉动应力 ， 因此 ， 主要是这些部位需要改 进强度与耐磨性。本文阐述 了手动变速器的螺旋齿 轮与无声链条传动装置的直齿链轮的生产 ， 特别是选 择性致密化及所制备的材料性能和使用性能的数据。 1试 验 1 ． 1 链轮 与螺 旋齿 轮 的生产 表面致密化齿轮与链轮 图 3 a 、 b 都是用 批量生产 的水雾化钢 粉生产 的， 钢粉是 用 1 ． 5 0 ％ 质量分数 Mo预合金化 的， 并且预混合 了 0 ． 2 0 ％ 质量分数 的石墨。2种零件都是按照下列工序生 产 的 压制有余量的零件； 烧 结 到约 9 0 ％ 理论 密度 ； 用横 向辗压 D e n s i F o r m R 或挤 压 D e n s i - F o r m。 E 分别进行表面致密化 ； 去毛 刺 ； 表面 硬化 ； 精 加 工 。 这 2种 零 件 都 是 在 液 压 式 压 机 上 于 6 0 0 ～ 6 5 0 MP a下压制的。其 中， 在齿轮的生产过程中， 用 变速器从动连接器来旋转 阴模零件 。烧结是 将 成 形 的零 件 生坯 置 于 陶瓷 板 上 ， 在 标 准 的带 式 炉 内 ， 于 吸热 性煤 气 中 1 1 2 0 C下 烧 结 3 0 m i n 。要 严 格 控制炉内的碳势 ， 以使零件的含碳量接近初始水平。 齿轮与链轮都是 以冷却速率约 0 ． 2 K ／ s ， 从烧结温度 缓慢冷却 ， 以形成铁素体一 珠光体 的显微组织 。二者 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 O 粉末冶金技术 2 0 1 2年 4月 4 结 论 本文叙述了 2种典型粉末冶金零件的生产与性 能 ， 即用选择性表面致密化加工 的螺旋齿 轮与直齿 链条 驱动 的链 轮 。2种 零件 的特 征 都是 致 密化 表 面 层 的密度 9 8 ％理论 密度 ， 表面下 约 1 mm之 后 密度 逐渐降低到了零件心部的烧结态密度 。在 2个齿轮 试验台架和 1个链轮试验台架上评价了零件 的使用 性 能 ， 并 且分 别 和常 规 钢齿 轮 与 未 经表 面 致 密化 加 工的粉 末冶 金链 轮 进 行 了对 比。结 果 表 明 ， 经表 面 致密化加工的零件， 其使用性能和未经表面致密化 加工的粉末冶金零件相比有相当大的改进 ， 而且 ， 几 乎可 和参 照的常 规钢零 件相 比拟 。 参 考文献 [ 1 ]B e n g t s s o n S ，F o r d 6 n L ．R o l l i n g c o n t a c t f a t i g u e t e s t s o f s e le c t iv e l y d e n s i fi e d ma t e r i a l s ／ ／Pr o c e e d i n g s P ／M Te c h W o r l d Co n g r e s s 2 0 01 ． Ne w Or l e a n s，L O ，2 0 01， 1 0718 6 [ 2 ]L i n k R，K o t t h o ff G ．S u i t a b i l i t y o f h i g h d e n s i t y p o w d e r m e t a l g e a r s f o r g e a r a p p l i c a t i o n ．G e a r T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 ， 1 8 1 1 51 8 [ 3]B e n g t s s o n S ，F o r d 6 n L，D i z d a r S，e t a 1 ．S u rf a c e d e n s ifi e d P ／ M t r a n s mi s s i o n g e a r ／ ／ 2 0 0 1 I n t e r n a t i o n a l Co n f e F e n c e o n P o we r T r a n s mi s s io n Co mp o n e n t s Ba d g e r W D，S a n d e r o w H I ． Ad v a n c e s i n Hi g h P e rfo r ma n c e P o wd e r Me t a l l u r g y Ap p l i c a t i o n s ．Yp s i l a n t i MI ． 2 0 01l一2 5 [ 4]N i g a r u r a S ，B l a n e h a r d P， T r a s o r r a s J R L ．R o l l i n g c o n t a c t f a t i g u e p r o p e i e s o f De n s i F o r mD P ／ M a l l o y s ／ ／ 2 0 01 I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Po we r T r a n s mi s s i o n Co mp o n e n t s Ba d g e r W D， S a n d e r o w H I ． Ad v a n c e s i n Hi g h P e rf o r ma n c e P o wd e r Me t a l l u r g y Ap p l i c a ti o n s ． Ne w J e r s e y ，US A，2 0 0 11 8 8 61 9 0 5 [ 5 ]S a n d n e r C h ，R a t z i R，L o r e n z B ，e t a 1 ．S i n t e r e d g e a r s - a c h ie v a b l e l o a d c a r r y ing c a p a c i t i e s b y c o n v e n t i o n a l a n d n e w p r o d u c t i o n me t h o d 8 ／ ／ VDI Re p o rt Nr ． 1 6 6 5，VDI Ve r l a g Dt l s s e l d o r f ，2 0 0 2 [ 6] B e n g t s s o n S，F o r d 6 n L， K u y l e n s t i e ma C ． P e r f o rma n c e a n d p r o p e r t i e s o f s u rfa c e d e n s ifie d P ／ M t r a n s mi s s i o n g e a r s ／ ／ P r o c e e d i n g s P ／ M Te c h W o r l d C o n g r e s s 2 0 0 2 ．Or l a n d o F L．2 0 0 2． 25 06 3 [ 7 ]J o h a n s s o n P ，B e n g t s s o n S ，D i z d a r S ．R C F ． t e s t i n g o f s e l e c t i v e l y d e n s i fi e d r o l l e r s o f P ／M ma t e ri a l s f o r g e a r a p p l i c a t i o n s ／ ／ P r o c e e d i n g s P ／ M T e c h W o r l d Co n g r e s s 2 0 0 2． Or l a n d o F L，2 0 0 2， 51 8 0 1 9 2 [ 8] K o t t h o ff G A ． N e u e v e rf a h r e n Z U F t r a g f a h i g k e i t s s t e i g e r u n g y o n g e s i n t e r t e n Z a h n r id e r n [ P h ． D ． T h e s i s ]． A a c h e n T e c h n i c a l U n i v e r s i t y RWT H ， 2 0 0 3 [ 9 ]S a n d n e r C h ，D i e k i n g e r J ， R i3 1 e r H，e t a 1 ．A d v a n c e d a p p l i c a t io n s o f s i n t e r e d g e a rs／ ／ Da n n i n g e r H， Ra t z i R． Pr o c e e d in g s o f t h e P／ M2 0 0 4 W o r l d C o n g r e s s ＆Ex h i b i t i o n Vi e n n a ． S hr e ws b u r y，UK． 2 0 0 4， 5 6 2 2 6 2 7 [ 1 O ]S i g l L S ，R a u G，Z in g a l e P ，e t a 1 ．E v o l u t i o n o f g e a r q u a l i t y i n h e l i c a l P ／M g e a r s d u rin g p roc e s s i n S ／ ／ Da n n i n g e r H ， Ra t z i R． P r o c e e d i n g s o f t h e P ／M2 0 0 4 W o r l d C o n g r e s s＆ E x h i b i t i o n Vi e n n a ． S h r e ws b u r y， U K ，2 0 0 4， 5 6 4 9 6 5 6 [ 1 1 ]S i g l L S ，R a u G，K r e h l M．P r o p e r t i e s o f s u rf a c e d e n s i fi e d P ／ M g e a r s ／ ／ Pr o e e e d i n g s o f the 2 0 0 5 S AE W o r l d C o n g r e s s ， S AE T e c h n i c a l P a p e r S e ri e s S P 1 9 5 0 ． De t r o i t MI ，2 0 0 571 1 [ 1 2]S i g l L S ，R a u G ． P ／ M g e a r fo r a p a s s e n g e r c a r g e a r b o x ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l VDI Ge a r C o n f e r e n c e ． Mu n i c h， 2 0 0 51 8 11 9 6 [ 1 3]T r a s o r r a s J R L ，N i g a r u r a S ，S i g l L S ．D e n s i F o r m t e c h n o l o g y fo r wr o u g h t -- s t e e l --l i k e p e rf o r ma n c e o f p o wd e r me t a l c o mp o n e n t s ／ ／ Pr o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 6 S AE W o r d C o n g r e s s ， S AE Te c h n i c a l Pa p e r S e r i e s S P 2 0 3 9 ． De t r o i t MI ，2 0 0 63 9 8 [ 1 4] S i g l L S ， D e l a r b r e P ． Q u a n t i f i c a t i o n o f s e l e c t i v e s u rf a c e de n s i fi c a t i o n i n P ／M c o mp o n e n t s ／ ／Ru a s C， To ml i n T A． P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 5 Wo r l d Co n g r e s s o n P o wd e r Me t a l l u r g y a n d P a r t i c u l a t e Ma t e ri a l s ． P r i n c e t o n NJ ，2 0 0 5， 6718 l [ 1 5 ]T r a s o r r a s J R L ，N i g a r u r a S ．U S P a t e n t 2 0 0 4 0 0 6 2 6 7 3 [ 1 6 ]R a u G，S i g l L S，MS r k G，e t a 1 ． P e rf o rma n c e o f a s u rf a c e d e n s i fi e d P ／M g e a r for a p a s s e n g e r c a r g e a r b o x ／ ／ Eu n K Y，Ki m Y S ． Ex t e n d e d Ab s t r a c t s o f t h e 2 0 0 6 P o wd e r Me t a l l u r g y W o r l d Co n g r e s s ． B u s a n，Ko r e a，2 0 0 6，1 3 8 9 3 9 0 韩凤麟 译 ． ’ ’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’ 热 诚 欢 迎 各 界 ● t t I I l ‘ t I I ‘ I t I ‘ I l t l ‘ I t I ‘ l l t ‘ l t I I t l l，，l 、 _ _ - - _ tII‘lIII l ‘ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m