高负载粉末冶金齿轮选择性表面致密化.pdf

第 2 3卷第 4 期 2 0 1 3年 8月 粉 末冶 金 工业 POW DER M ET ALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 2 3 No ． 4 Au g．2 013 高负载粉末冶金齿轮选择性表面致密化 韩 凤麟 中国机协粉末冶金分会 ， 北京 1 0 0 8 2 5 摘 要 本 文评述 了当前 高负载 粉末 冶金 齿轮 的发展状 况 。表 明， 经选择 性表 面致 密化 加 工的 粉 末 冶金 钢 齿轮 ， 其齿 的弯 曲疲 劳强度与接 触疲 劳 强度 都和 常规钢 的相 应齿轮 相 同， 完全 可替 代 钢 齿轮 ， 如 汽 车变速 器 中的钢 齿轮 。特 别是 ， 描 述 了预 成 形件 的设计 与辗 压后 齿轮 中的相 应 密度 分布 。最后 ， 表 明用选择 性表 面致 密化制造 的粉 末 冶金 钢齿轮 ， 既具有相 应钢齿 轮的使 用 性 能 ， 又具 有 巨大的 节约 生产 成本 的潜 力 。 关键词 高负载粉末冶金齿轮 ； 粉末冶金钢齿轮 ； 表面致密化 ；选择性表面致密化 中 图分类 号 T F 1 2 5 文 献标识 码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 O 1 3 0 4 0 0 0 6 1 2 HI GHL Y L OADE D P ／ M GE A RS P RODUC E D B Y S E L E C TI VE S UR FA C E DE NS I F I C A TI ON Han Fe n g - l i n P M As s o c i a t i o n o f Ma c h i n e Oe r e n a l Pa r t s I n d u s t r y S o c i e t y ，Be i j i n g 1 0 0 8 2 5， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r r e v i e ws t h e c u r r e n t d e v e l o p me n t s t a t u s o f h i g h l y l o a d e d P ／ M g e a r s ．I t i s s h o wn t h a t s e l e c t i v e s u r f a c e d e n s i f i e d S S D P／ M s t e e 1 g e a r s c a n s u s t a i n t y p i c a l s t r e s s e s i n ge a r s ge ne r a t e d b y t h e t o o t h a nd r ol l i n g c o nt a c t f a t i g ue a t t he t o o t h f l a n k． Sp e c i f i c a l l y，t he d e s i g n of t he pe r f o r m a nd t he c o r r e s po nd i n g d e ns i t y d i s t r i bu t i o n i n t he g e a r a f t e r r o l l i n g i s d e s c r i b e d．F i n l l y， i t i s s h o wn t h a t P／ M g e a r s ma n u f a c t u r e d b y 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 c o mbi ne me c h a n i c a l p e r f o r ma nc e wi t h a s i gn i f i c a nt c os t s a v i n gs po t e nt i a 1 ． Ke y w o r d s h i g h l o a d e d P ／ M g e a r s ；s e l e c t i v e s u r f a c e d e s i f i c a t i o n； S S D；P ／ M g e a r s 齿 轮是 车辆 与工业 齿轮传 动 中用于传 递运 动与 动力 的基础 机械元 件 。上世纪 1 9 3 7 1 9 3 8年 ， 美 国 通 用 汽车公 司 的 Ma r a i n e P r o d u c t s D i v i s i o n研制 成 功 粉末 冶金 油泵齿 轮 ， 1 9 4 0年一 家 大 型汽 车公 司就 将用铸铁制造 的油泵齿轮 材料利用率 3 6 ％ 改为 了粉末 冶金 齿轮 。这是 粉末 冶金齿 轮或 粉末冶 金结 构零件在世界上第一次用 于汽车制造 。经过 6 O年 粉末 冶金零 件生 产技术 与铁基 粉末 ， 压制 成形 压机 、 烧结炉与保护气氛气体等 的不断完善与改进 ， 用粉 末冶金工艺已能生产各种几何形状 的齿轮 ， 最常用 的有直齿圆柱齿轮、 螺旋齿轮及锥齿轮 ， 也生产过螺 旋 差 速器 半轴 齿轮 与齿条 l_ 1 ] 。最 终用 户市场 应用 的粉 末冶金 齿 轮 的事 例有 ， 家用器 具 电动机齿 轮 ， 行 驶割草机变速器齿轮， 起重机的齿轮传动装置 ， 以及 汽 车 中用 的各种 齿 轮 产 品 ， 诸 如 油 泵 齿轮 、 平衡 轴 调 节齿轮 、 电动 车窗 升降齿 轮 、 起 动机齿 圈与行 星齿 轮 、 分 电器 齿轮 、 前 照灯激励 器齿 轮 。 图 1示几种粉末冶金齿轮 的设计 ， 其 中 B一洗 衣 机变 速器齿 条 ， D一园林 拖 拉机 变 速器 驱 动齿 轮 ， E一前照灯激励器电动机双螺旋齿轮， F 一办公室复 印机偏 心驱 动齿轮 。 1 粉末冶金齿轮的优势 ] 粉末冶金齿轮之所以能取代用铸铁或钢一切削 加 工 的齿轮 ， 主要 是 因为 用 粉末 冶 金 工艺 制 造 齿 轮 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 9 作者简介 韩风麟 1 9 2 8 ， 男 汉 ， 河北新河县人 ， 教授 ， 中国机协粉末冶金分会顾 问。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 韩凤麟 高负载粉末冶金齿轮选择性表面致密化 7 图 1 几种不 同的粉末冶金齿轮设计 具有 下列 优势 1 鉴 于粉末 冶金 是一 种最 终形 成形 工艺 ， 材 料 利用率接近 1 0 0 ， 可使能源消耗最小化。 例如 ， 用粉末冶金制造 图 2示 的载货车变速器 凹口扇形齿轮时 ， 其生产工序 和原来采用的锻钢一 切削加工生产工序 的比较见表1 ， 二种 生产 工艺的 表 1 载货车变速器 凹扇形齿轮制造工 艺对 比 ] 切断 退火 预 锻 精锻 热 去 飞 边 退火 去氧化皮 静压 磨削 镗 孔 埋钻头孔 扩大 铣削 淬火硬化 清洗 磨削 磨削 1 7道工序 1 压制成形 o ． 0 6 1 2 烧结 o ． 1 8 8 3 压制 精整 o ． 0 6 6 4 淬火硬化 o ． 7 7 8 5 清洗 o ． 0 1 8 6 磨 削 o ． 1 1 4 6道工序 1 ． 2 4 3 材 料利 用率 对 比示 于 表 2 。 由表 2可 看 出 ， 采 用粉 末冶金工艺生产图 2示之齿轮时， 材料利用率高达 9 5 ％， 比锻 造 一切 削加 工 工 艺 高 4 1 ． 4 ， 同时 能 源 消耗也相应减少约 4 3 ． 6 。 表 2 原来制造工 艺与粉末 冶金 工艺 的对 比Ⅲ 图 2 载货车变速器凹口扇 形齿轮 2 粉末 冶金 齿 轮 由于是模 压成 形 的 ， 因此 齿 的 形状与精度始终如一 。 3 粉末冶金齿轮很容易制 造出理想的渐形线 齿 廓 与全齿 根 圆角半 径 。 4 粉末冶金齿轮齿廓表面粗糙度好 。 5 粉 末冶 金齿 轮 的显 微组 织 中含 有 某 种程 度 的孔隙度 ， 这在某些场合 ， 有助于齿轮运行平稳 ， 并 可进行 自润滑 含浸 油 时 。 6 粉末冶金齿轮很容易成形减轻孑 L ， 这有利于 减轻零件重量 ， 节约材料 。 7 可 将齿 轮形 状 和其他 机械零 件形 状特 征 ， 诸 如凸轮、 棘轮 、 驱动突 出部或齿轮相结合， 形成一个 或组合零件。 8 粉末冶金齿轮可消除切 削加工齿轮所需要 的退刀槽 ， 制成带盲角的， 这可使盲端增大额外的强 度 。 9 可使生产的粉末冶金齿轮带整体按装装置 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 粉末冶金工业 第 2 3 卷 或者加短枢轴或者加烧结一结合的轴 。 图 3示一在直齿圆柱齿轮底面为盲角和一件式 直齿齿轮一螺旋齿轮一枢轴结构。粉末冶金齿轮的 不足之处在于， 和常规钢齿轮相 比， 冲击强度 、 疲劳 强度 、 接触应 力 能力较低 。这 种力 学性能 较低 由于 显微 组织 中存在 孔 隙 限制 了粉 末 冶金 齿 轮 的应 用 范 围 ， 不能 代替 同样大 小 的铸 、 锻 件 一切 削加 工的齿 轮 ， 或只能用于负载较轻的齿轮 ， 诸如油泵齿轮之类 的产品。通过采用二次压制／ 二次烧结 D P ／ D S 或 提 高烧结 温度 可增 高 粉末 冶金 齿 轮 的密 度 ， 从 而增 高其力学性能。另外 ， 也可用高温烧结或表 面硬化 改进粉末冶金齿轮的使用性能 。利用粉末冶金齿轮 工艺的齿根圆角半径设计， 也可提升粉末冶金齿轮 承受的弯曲应力。 图 3组 合 直 齿 齿 轮 一螺 旋 齿轮 一枢 轴 座椅调节器机构Ⅲ 对 于某些 齿轮 的几何 形状 ， 诸 如锥 齿 轮 与螺旋 齿轮， 通过模具动作无法得到像直齿齿轮齿那样高 的密度。在螺旋齿轮的场合 ， 施加 的压力部分消耗 于摩擦作用 。在锥齿轮的场合 ， 因粉末移动不充分， 齿的密度较低 。往往采用熔渗铜增高锥齿轮与螺旋 齿 轮 的密度 和相 应 的力 学性 能 。 压制成形工艺 限制 了粉末冶金齿轮端 面的宽 度。大多数批量生产用成形压机， 其可采用的粉末 充填量都将端面宽度限制在 7 5 mm 以下。另外 ， 粉 末与模具间 的摩擦损失会招致密度沿端面宽度减 小 ， 和在宽度中间点左右密度最低 。端面宽度愈大 ， 密度的减小就愈大。 和密度差异相关的问题是， 在烧结与热处理时 会产生尺寸变化的差异。粉末冶金齿轮在热加工过 程 中尺寸会产生小量变化 。这种尺寸变化的大小和 齿轮的材料 、 密度及大小直接相关 ， 粉末冶金齿轮密 度的均一性 ， 有利于保证能较好的控制尺寸。密度 变化大会导致挠曲， 特别是较大的齿轮。 2 粉末冶金齿轮改进 粉 末冶 金 齿 轮一 直 在 以下二 个 方 面进 行 改进 尺寸控制与增高齿的密度 。 2 ． 1尺寸控 制 当前较受欢迎 的改进尺寸均一性的方法是， 采 用烧结一硬化工艺 ， 因为其可减小和常规 的淬火一 回火 热处理 工艺相 关 的挠 曲变 形 。烧 结 一硬化工 艺 不需 要将齿 轮重新 加热 和进行 快速油 淬火 。而通 过 调节烧结炉内的冷却周期 ， 就能得 到要求的力学性 能 ， 而且不会 减低 齿轮 的尺寸 精度 。 2 ． 2 增 高齿 的密度 鉴 于粉 末 冶金 齿轮 的力学 性 能决 定 于密 度 ， 显 微组 织及 组成 ， 首先是 密度 。因此 ， 许多 研究 的方 向 一 直是如何增高齿轮齿的密度。对于制造高密度粉 末 冶金齿 轮 ， 现在可采 用 的制造 工艺有 2 ． 2 ． 1 温一模压制。这种工艺使用的石墨与润滑剂 粉末 总 含 量 不 大 于 0 ． 4 的 预混 合 粉 ， 在加 热 到 ～ 8 5 ℃的阴模中， 于高达 7 6 0 MP a的压 制压力下 ， 压 制的生坯密度≥7 ． 4 g ／ c m。 ， 压制的齿轮高度不大于 3 0 mm 见 图 4 。齿 轮 的外 径 2 8 ． 3 mm， 内径 9 ． 4 5 mm， 模 数 1 ． 6 6 ， 压 力 角 2 O 。 ， 节 径 2 4 ． 5 mm。于 1 1 2 0 ℃ 下 烧 结 后 ， 烧 结 件 的 密 度 为 7 ． 4 5～ 7 ． 5 g ／ c m。 。 关 于 这 种 工 艺 的较 详 细 情 况 ， 请 参 阅 文 献 。 图 4 试 验的齿轮 2 ． 2 ． 2 表面致密化 。表面致密化是一种使齿轮表 面及其下一定深度内的密度达到接近材料的无孔隙 密度 ， 从而产生压缩应力 ， 以增高齿面的滚动接触疲 劳强度， 改进齿轮齿表面粗糙度， 减小 NVH 噪声， 振 动 ， 不 平 顺 性 的 工 艺 。奥 地 利 的 Mi b a S i n t e r - me t a l l 公 司在“ 2 0 0 5年世 界 粉末 冶 金会 议 ” 上 ， 首 次 发表了使用表面致密化技术生产的烧结凸轮轴齿轮 如图 5 。该齿轮经表面硬化后， 齿面硬度达到 了 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 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 第 4期 韩风麟 高负载粉末冶金齿轮选择性表面致密化 1 7 附录 2 零 件 名 称 齿 轮 组 ； 用 途 事 务 机 械 打 印机 ； 生 产 厂 商 C a p s t a n At l a n t i c ； 最终 用户 未 公开 ； 获奖 年 份 2 0 0 8 ； 奖 项 大 奖 说 明 这个粉末冶金钢齿轮组用 于大量生产 的事务 机 械 的打 印 机 ， 于 2 0 0 8年 获 得 了 MP I F 的 铁 基 零 件 大 奖 。这种齿轮 用碾 压致 密化 将表 面密 度增 高到 了 7 ． 8 g ／ c m。 。 齿 轮 的 精 度 为 A GMA Q1 O和 小 齿 轮 为 A GMA Q8 。齿 轮与 小齿 轮 芯 部 的密 度 都 为 7 ． 3 g ／ c m。 。齿 轮齿 表面的疲劳强度等 同渗碳 的锻钢 8 6 2 0齿 轮。这个对置 螺旋角的齿轮 ， 除了对基准轴颈进行硬车削外， 都是成形 为最终形的。用这个一次压制 的粉末冶金齿轮替代二个 切 削加 工 的齿轮 ， 可 节约 成本 4 O 9 ／ 6 以上 。 附带说 明， 关于这种齿 轮早期试验报告 ， 见 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， Ri c h a r d S l a t t e r y等的报告“ 高密度粉末冶金螺旋齿轮” 一文 。由此可看 出， 这种齿轮从试验研究 到批量生 产 ， 至 少用 了 6年 以上 的时 间 ， 可 见 开发新 产 品 的不 易 。 方 针政 策 工信 部力推两大节能环保工程 中图分类号 D6 0 1 文献标识码 D 工信部印发 的 2 0 1 3 年工业节能与绿色发展专项行动实施方案 通知提 出， 今年将重点推进实施 电机能 效提升和涉铅行业绿色发展两个专项计划 。专项行动实施 的 目标 为 实现全国工业用电节约 1 3 0 0亿度 左 右 ， 同时扭转 涉铅 行 业分 散 、 混 乱 的局 面 。 据 了解 ， 目前我 国电机消耗工业用电总量 的 7 5 。电机能效每提高 1个百分点 ， 可年节约用 电 2 6 0亿 度左右 。初步估算 ， 全国电机系统年节电潜力 1 3 0 0 ～2 3 0 0 亿度 ， 相当于 2至 3个三峡电站的发电量。提升 电机系统能效成为当前工业节能 的主要抓手。 根据实施方案 ， 今年工信部将从推广高效电机 、 淘汰低效 电机以及既有电机系统节能技术改造等 6 个方 面人手 ， 推广、 淘汰和节能改造电机及 电机系统 1 亿千瓦， 扩大高效电机市场份额 ， 促进电机产品升级换代和 产业 升 级 。 此 外 ， 在涉 铅行 业绿 色 行动 方面 ， 工信 部 目前 已印发促 进 铅酸 蓄 电池和 再 生铅 产 业 规 范发 展 的 意见 ， 除 严格实施铅酸蓄电池行业准入管理外 ， 还将部署 再生铅行业准入条件 实施工作 ， 并将建设铅再生循 环利用 示范工程 ， 铅再生循环利用 比重提高到 4 O 。 分析指出， 电机系统节能一直被认为是“ 十二五” 节能减排实施方案中最具市场潜力的细分领域， 此番工 信部再发文予以推进 ， 则意味着其市场空间将进一步加速释放。据测算 ， “ 十二五” 期间电机系统节能每年创 造的市场效益可达近 5 0 0亿元。而涉铅行业专项行动无疑将加速这一行业集中提升 ， 有利于行业龙头企业 。 晓 京摘 自 中国技术市场报 2 0 1 3 0 4 0 2 热 诚 欢 迎 广 大 读 者 踊 跃 投 稿， 刊 登 广 告 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m