粉末冶金表面致密化齿轮的国产化分析.pdf
第 2 5卷 第 3期 2 0 1 5年 6月 粉 末 - 盒金 工 业 P0W DER M E1lALLURGY I NDUSTRY Vo 1 . 2 5,No . 3,p 61 6 4 J un . 2 0 1 5 D OI 1 0 . 1 3 2 2 8 .b o y u a n . i s s n l O 0 6 6 5 4 3 . 2 0 1 4 0 0 9 5 粉末冶金表面致密化齿轮的国产化分析 彭景光 , 陈 迪 上海汽车粉末冶金有限公司, 上海 2 0 0 0 7 2 摘要 分析了国内外粉末冶金表面致密化齿轮的发展现状 , 从原材料选择、 斜齿成形、 致密化工艺、 模拟分 析等几个方面分析粉末冶金表面致密化齿轮国产化生产的难点, 通过引进先进技术等方法来分析国产化的可 行性 。 关键词 粉末冶金; 齿轮; 表面致密化; 国产化 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 6 6 5 4 3 . 2 0 1 5 0 3 - 0 0 6 1 . 0 4 Lo c a l i z a t i o n a na l ys i s o f po wd e r me t a l l u r g y s ur f a c e de ns i fie d g e a r s PENG J i ng g ua ng ,CHEN Di S h a n g h a i Au t o mo t i v e P o wd e r Me t a l l u r g y C o . , L t d . , S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 , C h i n a Ab s t r a c t T h e d o me s t i c a n d f o r e i g n d e v e l o p me n t s t a t u s o f p o wd e r me t a l l urg y s u r f a c e d e n s i fi e d g e a r s wa s a n a l y z e d . Th e d i ffic u l t y o f d o me s t i c a l l y p r o d u c i n g g e a r s wi t h h i g h s u r f a c e d e n s i t y wa s d i s c u s s e d f r o m ma t e r i a l s e l e c - t i o n , h e l i c a l g e a r f o r mi n g , d e n s i fic a t i o n p r o c e s s and s i mu l a t i o n a n a l y s i s an d S O o n . T h e f e a s i b i l i ty o f d o me s t i c a l l y p r o d u c i n g g e ars wi t h h i g h s u r f a c e d e n s i ty t h r o u g h a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s wa s a l s o a n a l y z e d . Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l u r gy ; g e ar; s u r f a c e d e n s i fic a t i o n ; l o c a l i z a t i o n 粉末 冶金零件成功地应用 于许多汽车部件, 诸 如发动机与变速器等 】 。除了能降低生产成本及尺 寸公差紧密外, 粉末冶金钢的力学性能一直在不断 改进 。粉末冶金钢 的力学性 能主要受控于材料密 度, 常规生产的粉末冶金零件, 残 留孔隙率约为 1 0 % 体积分数 。另外 , 合金的选择与显微组织也对材 料性能具有重要作用口 。若能进一步提高粉末冶金 钢的力学性能, 其可能会有更多有潜力的应用。 对于大量生产的形状复杂的零件, 粉末冶金是 一 种可进行价格竞争的工艺口 。常规工艺生产的粉 末冶金零件 , 由于材料中含有残 留孔隙 , 因此 强度 与耐磨性 比锻钢零件低 , 这是因为零件的力学性能 主要受控于材料的密度 。 为 了能更好地提高齿轮强度和耐磨性, 使用表 面致密化技术 生产 的粉末 冶金齿轮被 广泛应用 于 汽车发动机正时系统和变速箱中。 1 粉末冶金表面致密化齿轮 的发展现 状 在 1 9 9 9 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。Ho g a n a s A B和 WZ L R WT H 亚琛 理工大学, 德 国 等 共同参与了该项 目的开发[5 】 。 2 0 0 3 年在美 国L a s V e g a s 召开的世 界粉末冶金 大会上 , R i c h a r d S l a t t e r y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” [ 。 2 0 0 8 年 , 日本三菱材 料 P MG有 限公司开发 的 可应用于一种新型汽车驾驶系统 中的一套高强度 齿轮组 , 获得美 国金属粉末工业联合会颁发的粉末 冶金设计竞赛奖 。 制造 高负载粉末 冶金齿轮的生产工艺是选择 作者简介 彭景光 1 9 8 4 一 , 男, 硕 士, 工程师 , 主要从 事粉末 冶金表面 致密化 的研 究。 收稿 日期 2 0 1 4 . 1 0 . 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第 2 5 卷 性表面致密化工艺 , 使用该工艺生产的粉末冶金齿 轮 , 其表面的全致密化层深度约 1 n i l / 1 , 而齿轮心部 仍保持一般水平的孔隙率嘲。 宁波东睦新材料股份有 限公司 已经引进 了齿 轮表面致密化轧机和轧辊模制作设备 , 正在开展表 面致密化齿轮的研发 。 2 粉末冶金表面致密化齿轮的国产化 分析 粉末冶金表 面致 密化 齿轮通常 的工艺流程如 下 粉末制备、 压制 、 烧结、 去毛刺 、 表面致密化、 热 处理 。主要 的检测和分析难 点是模拟分析和裂纹 检测等。本文 主要针对 原材料选择 、 斜齿成形 、 表 面致密化、 模拟分析进行国产化分析。 2 . 1 原材料的选择 通 常 , 适 用于 制造表 面致密 化齿轮 的粉 末有 “ 预合金铁基粉末” 和“ An c o r s t e e l F D 一 4 6 0 0 A 石墨” 粉末 , 这 2 种粉末都具有较好的压制性和流动性 。 预合金铁基粉末包括 A s t a l o y A、 As t a l o y Mo 、 As t a l o y 8 5 Mo 、 As t a l o y C r L , 均添加 0 . 2 %~0 . 3 % 质 量分数 的石墨 , 润滑剂为Ami d wa x , 添加质量分数 0 . 8 %, 不同材料 的化学成分如表 1 所示” o 】 。 An c o r s t e e l F D. 4 6 0 0 A 石墨 质量分数 为0 . 3 % 粉, 其中A n c o r s t e e l F D. 4 6 0 0 A材料成分是 F e 1 . 7 5 % Ni 0 . 5 0 %Mo 1 . 5 0 %C u 均为质量分数 。 表 1 各预合金铁基粉末的化学成分及密度 可以发现, 不管是“ 预合金铁基粉末” 还是“ An c o r s t e e l F D 一 4 6 0 0 A 石墨” 粉末的化学成分均含有 C 和 Mo 。C通常 以石 墨状态加入 , 是形成 F e 基 合金 的基本元素之一 , 与 F e 形成 间隙固溶体; 表面致密 化 齿轮通 常需要 进行热处理, Mo的作用是提 高材 料 的强度与淬透性, 减少回火脆性u ” 。 国内可以直接采购Q MP 、 赫格纳斯、 海格纳士 等 进 口原材料粉 末 , 同时国内鞍钢 、 莱钢等粉末冶 金厂也可 以提供相 同牌号粉末。 2 . 2 斜齿成形 表面致 密化工艺要求毛坯烧结后密度在 7 . O ~ 7 . 2 g / c m3 之 , 属 于粉末冶金常规要求 。粉末冶 金表面致密化齿轮包括直齿轮和斜齿轮2种, 仅有 斜齿轮需要在压机上增加模架旋转机构进行生产, 需特别关注斜齿轮成形密度 。可提供斜齿轮生产 技术的厂家如表 2 所示。 表2 可提供斜齿轮生产技术的厂家 厂家名称 国家 瑞士 法 国 瑞 士 2 . 3 表面致密化工艺 为了能承受产生的应力 , 零件必须具有高疲劳 强度与高滚动接触疲劳强度 。使粉末冶金钢零件 达 到这种性 能的最佳 生产 工艺方法是选择性表面 致 密化 。用这种方法可将 承受局部应力集中区选 择性密 实到孔 隙率接近 于零 的状态 。表面致密化 是 使齿轮表 面及 其下一定深度 内的密度达到或接 近材 料的无孔 隙密度 , 从而产生压缩应力 , 以增高 齿 面的滚动接触疲 劳强度 , 改进齿轮表面粗糙度 , 减小NVH 噪声、 振动、 不平顺性 的工艺 。 通常表面致密化有 2 种方式 一种为整形致密 化 , 一种为滚压致密化 。 整形致密化是通过对零件 在轴 向上施加一 定 压力使其产生塑性变形, 而提 高零件表面密度的一 种方法 。整形致密化是P MG公司的专利技术 , 其专 利名称 为“ 金属粉末齿轮致密化方法和装置 ” ] , 该 装置用于斜齿轮 的表面致密 化, 如 图 1 所示 。还有 F e d e r a l Mo g u l 专利 , 其专利名称 为“ 金属粉末 半成 品致密化方法和装置” [ 1 , 该装置用于直齿轮的表面 致密化 , 如图2 所示。 滚 压致密化是利用滚压 刀具 对零件表面施加 盯 {至 .至 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 4 粉末冶金工业 第2 5 卷 行 业 动 态 中国钢协粉末冶金分会发布主要金属粉末的生产销售统计 中国钢协粉末冶金分会调查统计我国2 0 1 4 年度主要金属粉末生产销售状况及初步分析如下。 1 钢铁粉末 1 全国3 4家钢铁粉末生产量为 3 8 . 9 7 万t , 与 2 0 1 3 年基本持平 , 其 中还原铁粉 1 9 家 1 8 . 7 6万t , 雾化钢 铁粉末 5 家 1 9 . 1 5 万t , 合金钢粉 5 家 2 9 0 0t , 羰基铁粉 4家 6 7 0 0t , 电解铁粉 1 家 l 0 0 0 t 。 2 国产铁粉销售3 7 . 8 4 万 t , 其 中出口约0 . 8 0 万t , 合金钢及羰基铁粉 出口约 8 0 0 t ; 从 3 家外企统计进 口 还原铁粉 0 . 3 0 万 t , 雾化钢铁粉末 6 . 1 0 万t , 进 口总量增长 2 7 %。 3 总计我国钢铁粉末 2 0 1 4 年度市场总销售量为4 3 . 4 4 万 t , 比2 0 1 3 年增长3 . 7 %。 4 国产还原铁粉产销量下降8 . 6 % 雾化铁粉增长 1 1 . 6 %。雾化铁粉的产销量第1 次超过了还原铁粉。 5 1 0 家规模在年产 1 万 t 以上 的生产企业铁粉产量 3 3 . 6 4 万 t , 占全 国总产量 的9 0 . 4 % 质量 分数 , 与 2 0 1 3 年相 比集 中度进一步提高 。 2 铜及铜合金粉末 2 0 1 4 年国内的铜及铜合金粉末产量约4 . 6 7 万t , 约比2 0 1 3 年增长8 . 5 %。电解、 雾化为铜粉主要生产方 法, 占总产量的8 6 . O % 质量分数 , 其中电解铜粉 2 . 3 O 万t , 占总量约 4 7 . 8 % 质量分数 。化学包覆法生产 的 铜铁复合粉 占总量近 1 0 . 0 % 质量分数 , 增长速度较快 。据了解 , 全国3 0多家生产企业生产铜及铜合金粉 末, 年总产能超过 5 . o 0 万t , 其中年产能超过 2 0 0 0 t 的企业约 1 0 家。 中国钢协粉末冶金分会秘书处 参考文献 [1] 毛志 强. 粉末 冶金 零 件在 汽车 上 的应 用[ J ] . 粉 末冶 金 工业, 2 0 0 3 , l 3 1 8 - 1 1 . 【2】 汤慧萍 , 刘咏, 韦 伟峰, 等 . 添加稀 土元素对粉 末冶 金 T i 合金 显微组 织和 力学性 能的影响【 J ] . 中国有色金属学报, 2 0 0 4 2 2 4 4. 24 9 . 【 3】 曹勇家, 钟海林, 郝权, 等. 粉末冶金生产工艺的两大发展【 J 】 . 粉末冶金工业, 2 0 l l , 2 l 1 4 5 . 5 3 . [ 4】 蒋 晓冬. 温压 工 艺及 T i 、 石墨 含量对 铁基粉末 冶金 材料 的组 织与性 能影 响【 D】 . 南京 南京航空航天大学, 2 0 1 2 . [5】 韩凤麟 . 轿车变速器 的表面致密化粉末冶 金齿轮的使用性 能 [ J 】 . 粉末冶金技术, 2 0 1 2 , 3 O 4 3 1 3 3 1 5 . 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