粉末冶金组合烧结中空凸轮轴的组织与性能.pdf

第 2 O卷第 6期 V b l -2 O NO ． 6 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f P o wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 5年 l 2月 De c ． 2 0 1 5 粉末冶金组合烧结 中空凸轮轴的 组织与性能 王林 山 1 , 2 , 3 梁雪冰 ， 一，李改 1 , 2 , 3 ，陈鹏 ， 一 ，汪礼敏 ， 一，王磊 一 ，Z a k ． F a n g 1 ．北京有色金属研究总院，北京 1 0 0 0 8 8 ；2 ．有研粉末新材料 北京 有限公司，北京 1 0 1 4 0 7 ； 3 ．北京恒源天桥粉末冶金有限公司，北京 1 0 1 4 0 7 ；4 ．美国犹他大学，盐湖城 8 4 1 1 2 1 摘要采用粉末冶金组合烧结技术制备由F e C r - Mo P S i C u ． C凸轮和 1 6 Mn 钢管为芯轴组成的中空凸轮轴，对 凸轮的密度、硬度等物理性能、摩擦磨损性能和微观组织进行测试与分析，研究烧结致密化机理，并与传统凸轮 材料球墨铸铁的摩擦磨损性能进行对比。结果表明 F e ． C r - Mo P ． S i ． C u - C凸轮材料在烧结过程中产生F e ． C P三元 液相，C r 、Mo元素溶解于液相中使得液相量显著增加，促进液相烧结，体积收缩率高达 1 9 ． 1 ％。凸轮材料的平 均密度为 7 ． 5 1 g ／ c m ，平均硬度 HR C 5 3 ． 7 ，与钢制芯轴形成牢固的冶金结合，扭矩高达 1 1 5 0 N m，连接可靠性 较好；该凸轮材料的硬度与传统球墨铸铁凸轮材料相近，耐磨性是球墨铸铁的 3倍，质量减轻 3 5 ％，满足发动机 使用要求。 关键词粉末冶金；中空凸轮轴；组合烧结 中图分类号T F 1 2 4 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 ． 0 2 2 4 2 0 1 5 6 ． 9 5 9 ． 0 6 M i c r o s t r uc t u r e a nd p r o pe r t i e s 0 f a s s e mbl e d h o l l o w c a m s ha f t pr e pa r e d Oy po wde r m e t al l ur 2 y c 0 m ni ne c I s i nt e r i nR ’l l l ’ 1 ‘ 1 ‘ ‘ W ANG L i n ． s h a n ， 一， L I ANG Xu e b i n g ， 一， L I Ga i ， 一， CHE N P e n g ， ， 3 W ANG Li mi n ’ 一， WANG L e i ， r， Z a k ， F a n g 4 1 ． G e n e r a l Re s e a r c h I n s t i t u t e f o r No n f e r r o u s Me t a l s ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 8 ， C h i n a ； 2 ． G R I P M Ad v a n c e d Ma t e ri a l s C o ． ， L t d ． B e i j i n g 1 0 1 4 0 7 ， C h i n a ； 3 ． B e ij i n g He n g y u a n t i a n q i a o P o wd e r Me t a l l u r g y C o ． ， L t d ． B e ij i n g 1 0 1 4 0 7 ， C h i n a 4 ． T h e Un i v e r s i t y o f U t a h ， US A， S a l t L a k e C i t Y , UT 8 4 1 1 2 ， A me r i c a n Ab s t r a c t A n e w typ e o f h o l l o w c a ms h a ft u s i n g F e - Cr - Mo - -P - - S i -- Cu - -C a s c a ms h a f t a n d 1 6 Mn s t e e l tub e a s a x i s wa s p r e p a r e d b y p o wd e r me t a l l urg y c o mb i n e d s i n t e r i n g t e c h n o l o g y ．T h e d e n s i ty, h a r d n e s s ， f r i c t i o n a n d we a r p r o p e r t y , a n d mi c r o s t r u c t u r e o f t h e h o l l o w c a ms h a f t we r e t e s t e d a n d i n v e s t i g a t e d ．T h e s i n t e r i n g me c h a n i s m wa s a l s o e x p l o r e d ．T h e f r i c t i o n a n d we a r p r o p e r t y we r e c o mp a r e d wi t h t h a t o f t r a d i t i o n a l n o d u l a r c a s t i r o n c a ms h a f t ． Th e r e s u l t s s h o w t h at F e -- Cr - Mo - P -- S i -- Cu - C me t a l l urg i c a l p o wd e r c a ms h a f t ma t e ria l c a n f o r m F e -- C- P t e r n a r y l i q u i d d u ri n g t h e p r o c e s s o f s i n t e r i n g ， a t t h e s a me t i me Cr a n d Mo e l e me n t s d i s s o l v e s i n t o t h e l i q u i d p h a s e ， r e s u l t i n g i n a s i g n i fic a n t i n c r e a s e o f t h e l i q u i d p h a s e ，wh i c h c a n p r o mo t e t h e l i q u i d p h a s e s i n t e r i n g ， a n d t h e s h r i n k a g e r a t e i s a s h i g h a s 1 9 ． 1 ％ ． Th e s i n t e r e d d e n s i ty a n d h a r dne s s H R C o f p o wd e r me t a l l u r g y c a ms h a f t i s 7 ． 5 1 g ／ c m a n d 5 3 ． 7 o n a v e r a g e ． T h e c a ms h a ft c a n fi r ml y c o mb i n e wi t h t h e s t e e l s p i n d l e b y me t a l l u r g i c a l i n t e r f a c e f o rm i n g i n t h e s i n t e r i n g p r o c e s s ， wh o s e t o r q u e i s a s h i g h a s 1 1 5 0 N／ m， a n d t h e c o n n e c t i o n r e l i a b i l i ty i s b e t t e r ． T h e we a r r e s i s t a n c e o f me t a l l u r g i c a l c a ms h a ft i s 3 t i me s o f t h a t o f t r a d i t i o n a l n o d u l a r c a s t i r o n u n d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e s a me h a r d n e s s ， wh i c h fi t s t h e r e q u i r e me n t s o f e n g i n e t o u s e ． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l ur g y； h o l l o w c a m s h a f t ； c o mb i n e d s i n t e r i n g 基金项 目 收稿 日期 通讯作者 工信部 “ 高档数控机床与基础制造装各”科技重大专项课题 2 0 1 2 z x 0 4 0 0 9 0 1 1 ；科技部国际合作交流项 目 2 0 1 I DF A 5 1 8 4 0 ；国家自然 科学基金专项基金资助项 目f 5 1 3 4 1 0 0 3 国家高技术研究发展计划资助项 H 2 0 1 3 A A 0 3 1 1 0 1 2 0 1 4 - 1 2 0 3 ；修订 日期 2 0 1 5 - 0 4 - 2 6 王林山，教授高级工。电话0 1 0 - 6 1 6 6 7 6 3 7 E ma i l w l s g r i p m t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 0 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 5 年 1 2月 随着能源短缺和环境污染等问题 日益严重，对汽 车的节能减排要求越来越高，凸轮轴正在向轻量化、 低成本、高性能方向发展【 1 】 。新型的组合式中空凸轮 轴因具有质量轻、能耗低、中空结构可做润滑油路 避 免缸盖上 的润滑油路加工 、节材等优 点，成为 目前和 未来的研究热点和发展方向[ 2 ] 。目前， 组合式中空凸 轮轴的制备工艺主要有热套、焊接、内高压胀形、机 械滚花装配和粉末冶金组合烧结等方法。其中，热套 法对于芯轴和凸轮片的尺寸精度要求高，且凸轮轴的 静扭性能较低；焊接法焊接时容易产生热变形，使凸 轮轴的尺寸精度降低，局部过热也容易使焊接部位产 生裂纹，质量难以保证；内高压胀形方法可以最大限 度地减轻凸轮轴的质量，但存在工艺复杂，生产效率 低等问题；机械滚花装配需要首先对凸轮和芯轴进行 滚花处理，增加了加工工序，并且在装配过程中容易 在凸轮上产生较大的内应力而使凸轮的寿命和可靠性 下降。粉末冶金组合烧结是首先把粉末冶金凸轮压坯 装套在中空钢管上，然后放入烧结炉进行烧结。烧结 时粉末凸轮材料发生收缩和焊接，凸轮与芯轴间界面 形成牢 固的冶金结合 。这种连接方式 巧妙地运用 了粉 末冶金凸轮 自身的烧结收缩特性，以及在高温液相烧 结条件下金属间界面可实现冶金结合，所得的中空凸 轮轴兼具质量轻、耐磨性好、扭矩高、内应力小等优 点，并且工艺设备简单、加工工序短，是 目前最具应 用和发展前景的凸轮轴制造工艺之一【 6 - 1 1 1 。 目前，该项技术仅被日本 N P R、韩国 S E C O等企 业掌握，在中国国内尚属起步阶段[ 1 1 。本文作者采用 粉末冶金组合烧结技术制备中空凸轮轴，对凸轮轴的 物理性能和微观组织进行分析，研究烧结机理，并与 传统铸造 凸轮材料进行摩擦 磨损性 能对 比， 为轻量化 、 高性能粉末冶金中空凸轮轴的开发奠定理论基础。 1 实验 1 ． 1 中空 凸轮轴 的制备 以F e ． C r - Mo P ． S i C u ． C粉末冶金材料作为凸轮材 料，其名义成分列于表 1 。采用 1 6 Mn钢管作为凸轮 轴的芯轴。凸轮轴驱动齿轮等其他零部件采用 4 5 钢， 经表 面淬火达 到所需硬度 。 采用 F e 粉 、C r F e 合金粉、Mo F e 合金粉、P F e 合 金粉、S i F e合金粉、电解 C u粉、石墨粉等为原料， 所有原料粉末的粒度均小于 7 5 m。首先按照表 1 所 表 1 凸轮材料 的名义 成分 T a b l e 1 Ch e mi c a l c o mp o s i t e o f c a m ma t e r i a l 列名义成分称量原料粉末， 额外添加 0 ． 7 ％的硬脂酸锌 润滑剂，用三维混料机混合 1 h ，然后以6 0 0 MP a 压 力压制成凸轮片生坯，其密度约为 6 ． 3 0 g ／ c m 。将凸 轮片生坯与芯轴组合，在网带式烧结炉中进行高温烧 结。根据前期实验确定的最佳烧结工艺参数，烧结温 度 定为 1 1 2 0℃ ，烧结气氛为分解氨 ，烧 结时间 4 5 mi n ，平均冷却速率为 1 2 C ／ m i n 。驱动齿轮等其他零 部件采用激光焊接方式连接。烧结后的粉末冶金凸轮 轴毛坯经校直和后续机加工后 ，成 为发动机 用的 中空 凸轮 轴成品 。 用于与粉末冶金中空凸轮轴摩擦磨损性能对 比的 凸轮轴为北京现代汽车有限公司市售的 1 ． 6 L 发动机 用的 铸造 凸轮轴 ，凸轮轴材料为球 墨铸铁 。 1 ． 2 分析 与测试 采 用阿 基米 德排 水法 测 定 凸轮材 料 的密 度 ，刚 H R - 1 5 0型洛 氏硬度计测量硬度 ， 通过烧结过程 中的线 收缩率计算体积收缩率，上述性能均取 3个试样进行 测定 ，计算平均值 。采用 T NS 一 2 0 0 0扭转试验机测量 凸轮轴的扭矩，取 2个焊接在钢管上的凸轮，装在试 验机专用夹具上进行测试，以评价凸轮与芯轴的焊接 情况 ； 用扫描 电镜和 E DS能谱对 凸轮材料 的显微 组织 与形貌 以及微区成分进行观察与分析，并分析凸轮一 芯轴 的焊接 界面区域 的界面形貌与元素分布 。 在 图 1所示的 MR H 5型高速环块磨损试验 机 J 图 1 中空 凸轮轴 的摩擦磨损 实验爪 意 Fi g ． 1 F r i c t i o n a n d we a l “ e x p e r i me n t a l s c h e ma t i c d i a g r a m o f h o l l o w c a ms h a ft 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