一种粉末冶金的表面致密方法技术

本发明专利技术涉及一种粉末冶金的表面致密方法，包括以下步骤：步骤1、粉压成形预压件；步骤2、烧结；步骤3、表面密封；步骤4、加热；步骤5、锻造；步骤6、热处理；步骤7、去毛刺以及步骤8、精加工。其特征在于：所述步骤5锻造采用选区粉锻（Selective Hot‑Forging of Powdered Metals,简称为“SHF” ）：即将零部件根据其最主要的受力部位或最易被磨损部位分为：最需要致密的部位和不需要致密的部位，单击闭模锻打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在锻造时不接触锻造模具或者仅仅作为冲头的限位基准。

Surface densification method for powder metallurgy

The surface density of the invention relates to a method of powder metallurgy, which comprises the following steps: 1, powder forming the preform; 2 steps sintering; step 3, step 4, sealing surface; heating; step 5, step 6, forging; heat treatment; step 7 and step 8, deburring and finishing. The utility model is characterized in that the 5 steps of forging by selective powder forging (Selective Hot Forging of Powdered Metals, referred to as \SHF\): the parts according to the stress of the main parts or most easily worn parts are divided into: most in need of dense parts and without density site, click on the play closed die forging parts need dense parts, do not need dense parts in the forging and forging die without contact or simply as punch limit reference.

【技术实现步骤摘要】
一种粉末冶金的表面致密方法
本专利技术涉及粉末冶金领域，尤其是涉及一种粉末冶金的表面致密方法。
技术介绍
1.1整体粉锻在粉末冶金行业，特别是产品大规模应用于汽车领域时，迫切的要求是降低成本。利用粉末冶金工艺的近净成形特点，可降低零部件的生产成本，使得粉末冶金零件在汽车中的应用迅速扩大。然而，没有经过锻造或者表面致密化的粉末冶金零部件，抗疲劳强度与耐磨性比锻钢零部件低，这是因为零部件的力学性能主要受限于材料的残留孔隙。承受高负荷的变速箱齿轮就是一个典型的例子。为了能在服役工况下承受产生的应力，齿轮必须具有高的抗疲劳强度与滚动接触疲劳强度。除了通过研发新合金材料改进外，若能将粉末冶金钢加工到孔隙度为零，粉末冶金钢的力学性能将能与锻钢的性能相比拟或超越之。从上世纪70年代开始，出现了粉末冶金锻造（简称“粉锻”）法制备齿轮和齿环类的汽车零部件的工艺[1-6]，这些无一例外的都是对粉末冶金零部件进行整体的锻造。粉锻工艺首先是使用一套模具和一台压机将预混粉原料在室温下压制成预压件（通常称为“生坯”），预压件的尺寸和形状接近最终产品，然后在适当的气氛下、在大约1200℃的高温区里烧结，最终零部件在略低于烧结温度的情况下，在空气中锻造成型[3，5]。这个粉锻工艺大大地改进了粉末冶金零部件的密度和强度，几乎达到了传统锻钢的水平。过去的三十多年里，一直有粉锻产品应用于汽车上，已经大规模占领市场的粉锻产品包括连杆、齿环、齿轮等，与切齿或者钢锻产品相比不仅有成本上的优势[3]，而且性能上也有竞争力，比如，锻造导致的齿轮齿根处的晶粒流变显微结构，有效地提升了抗弯疲劳强度[4]。粉锻齿轮工艺的成熟，再加上粉锻很容易根据一个具体齿轮的要求而调整和优化合金成分，使得粉锻工艺对于某些有高负荷要求的齿轮等产品来说，是最具有综合竞争力的工艺[6]。众所周知，粉锻的优点是100%无孔隙密度和力学性能等同锻钢[7-8]。但是，对零部件进行整体热锻的缺点是[9]：1）形状的复杂性受限制；2）锻造模具磨损；3）丧失了粉末冶金的尺寸精准性；4）资本密集；5）零件的生产成本较高。因此，整体锻造的粉末冶金齿轮齿环类产品受到制约，在与高强钢材的齿轮竞争时，还没有在市场上表现出压倒性的优势。在上世纪70年代研发的粉锻产品的质量水准受到了当时粉末冶金行业整体水平的严重限制[6]。比如，在齿轮轮齿的局部总是有些孔隙，难以通过锻造彻底消除，甚至发现齿轮轮齿内部有裂纹，有损齿轮的性能。也曾发现齿轮轮齿的内部有残留的片状石墨和外来物杂质[6]。这些没能扩散进入铁基体的片状石墨和外来物杂质来源于粉锻的混粉原材料。庆幸的是，在过去的三十余年里，以上提到的缺陷（孔隙率、裂纹、石墨片、外来混杂物）已经基本上在大规模生产的条件下得到了有效的控制甚至杜绝，这就为粉锻的进一步产业化推广奠定了基础。粉末冶金零部件的整体锻造分为简单粗糙的开模热锻和复杂精准的闭模热锻。1.1.1开模热锻开模热锻的主要特征是模具中没有中模，只有上冲头和下冲头，横向闪边，是否有芯棒取决于具体的产品。为了使零部件在开模锻造时顺利脱模，在上下冲头上必须有个大约7°的脱模角。这个脱模角降低了材料的利用率，加大了后续加工量，裕料闪边处的模具磨损严重，制约了产品的设计和功能性的关键指标。1.1.2闭模热锻闭模热锻由于其尺寸精度等优势已经在高端产品生产中逐步取代了开模锻造。闭模锻造的要点是将烧结后处于锻造温度的零部件放置在位于中模内腔的下冲头的上面，单击锻打使得零部件处于一个压应力场，先墩粗，再充满模具后纵向闪边，不仅提升了密度，而且使得零部件尺寸更精准，原材料利用率高，保证在锻后冷却到室温时达到要求的尺寸。脱模是通过下冲头顶出而实现的，便于完全自动化，生产的效率可以达到每分钟7件左右。零部件整体的闭模热锻技术已经被大规模产业化[10]，成功的案例包括粉锻连杆、齿环和齿轮。1.2表面致密在许多服役工况下，负载仅仅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理论密度（即孔隙度<2vol.%）。到目前为止，强化粉末冶金钢最引人注意的加工工艺是室温下的选择性表面致密化（SelectiveSurfaceDensification，简称“SSD”）。这种工艺形成的表面致密层厚度为0.2～1.0mm，而密度梯度的范围是从表面的孔隙率接近于零到一般零件芯部的孔隙率约为10vol.%。齿轮上最需要致密的部位是齿面和齿根，因为齿根承受最大的弯曲力，而齿面承受滚压接触的脉动应力。相比之下，孔隙率在齿轮芯部虽然高，但芯部的强度和刚度在多数服役条件下满足要求，而且，芯部的孔隙率使得齿轮重量降低并阻尼运行噪音。SSD采用的生产工艺路线如下[9]：1）留有裕量地压制到密度7.0g/cm3左右。2）在N2/H2气氛中的1120℃的高温区烧结约30分钟。零部件在烧结后的含碳量保持在初始的0.2wt.%左右的水平。冷却速率约0.2℃/s，从烧结温度缓慢冷却，以形成铁素体-珠光体的显微组织。3）在室温下表面致密化，形成了一层接近理论密度的表面层，深度距离约达到300μm。超出这个区域之外密度逐渐减小，在深度约为1mm处降至芯部密度水平[11]。4）去毛刺。5）通过在高碳势的气氛中渗碳，以使表面含碳量达到0.5wt.%的水平，随即淬火。6）对内径与外径进行磨削加工。7）由于齿轮轮齿的弹性与回弹，辗压后会产生相当明显的挠曲变形，从而导致在齿的前、后断面产生齿廓与对中误差，再加上淬火导致了额外的变形，这些偏差都需要用研磨加工去除。近年来，有数家公司成功开发了在室温下表面致密的齿轮，与粉末冶金件的整体热锻工艺相比各有千秋，适用于不同的产品，多数情况下没有直接的可比性。SSD的发展历史如文献[12]所述，在1999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[13]。2003年在美国LasVegas召开的世界粉末冶金大会上，Slattery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”[14]。国内大型粉末冶金零部件制造公司于2006年就已经着手于开展表面致密化齿轮的研发，并引进了齿轮表面致密化轧机和轧辊模制作设备[15]。室温下径向碾压和轴向推挤致密的技术被日本三菱材料公司PMG分别命名为“DensiFormR”和“DensiFormE”[16]，文献[17]描述了这两种方式，并报道成功研制了两种典型粉末冶金零件，即螺旋齿轮与直齿轮，结论是，粉末冶金齿轮的承载能力与噪声级别可与锻钢齿轮相媲美。1.2.1室温径向碾压法烧结后，室温径向碾压DensiFormR工艺是将有径向裕量的烧结态齿轮置于两个配对的辗压工具轮的中心，当工具轮与齿轮接触时，逐渐施加负载，工具轮使齿轮表面致密化，一直进行至达到预定的中心距离，文献[17-20]对这个加工工艺给予了详细说明。到目前为止，DensiFormR是制造表面致密化粉末冶金齿轮最有前景的工艺，已经得到了广泛的应用[11,21-22]。1.2.2室温轴向推挤法室温轴向推挤法的具体实施是通过一套精整模具，数个中模盘纵向（即轴向）排列，内腔尺寸从最大排列至最小。具有径向裕料的预压件在室温下被上冲头沿着轴向强行推过一道又一道的中模内腔，导致零部件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粉末冶金的表面致密方法，包括以下步骤：步骤1、粉压成形预压件；步骤2、烧结；步骤3、表面密封；步骤4、加热；步骤5、锻造；步骤6、热处理；步骤7、去毛刺以及步骤8、精加工；其特征在于：所述步骤5锻造采用选区粉锻（Selective Hot‑Forging of Powdered Metals, 简称为“SHF” ）：即将零部件根据其最主要的受力部位或最易被磨损部位分为：最需要致密的部位和不需要致密的部位，单击闭模锻打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在锻造时不接触锻造模具或者仅仅作为冲头的限位基准。

【技术特征摘要】
1.一种粉末冶金的表面致密方法，包括以下步骤：步骤1、粉压成形预压件；步骤2、烧结；步骤3、表面密封；步骤4、加热；步骤5、锻造；步骤6、热处理；步骤7、去毛刺以及步骤8、精加工；其特征在于：所述步骤5锻造采用选区粉锻（SelectiveHot-ForgingofPowderedMetals,简称为“SHF”）：即将零部件根据其最主要的受力部位或最易被磨损部位分为：最需要致密的部位和不需要致密的部位，单击闭模锻打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在锻造时不接触锻造模具或者仅仅作为冲头的限位基准。2.根据权利要求1所述粉末冶金的表面致密...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福平，王丰元，王华磊，修玉峰，张广明，
申请(专利权)人：刘福平，青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37