高強度鐵基粉末冶金直齒輪的研制

鄭惠，姚有領，許兆選，康信武

(魯銀投資集團禹城粉末冶金制品有限公司，山東 禹城 251200)

直齒輪是汽車變速箱中的結構件，工作條件惡劣，特別是其齒部要承受較大的沖擊力。采用粉末冶金工藝制備該零件時，主要的難度是:直齒輪的齒面在壓制、燒結、熱處理時極易變形，或材料的脹縮導致產品精度達不到要求;產品不僅要有較高的表觀硬度，還要有較好的沖擊韌性，要求產品必須具有外硬內韌的性能，以及較高的物理力學性能。

通過大量試驗，成功研制出海馬、東南菱悅、駿捷等家用轎車上使用的直齒輪，其技術指標完全達到產品要求的指標。

1 產品分析

圖1 零件全貌Fig.1 Part panorama

452直齒輪如圖1所示，幾何尺寸如圖2所示。直齒輪的力學性能及技術要求如下:芯部硬度為150～350HV1;碳氮共滲，M2處表面硬度≥550HV1(ISO4498)，M1處硬化層深0.3 ～0.6 mm(500HV 0.1)(ISO4507)，最大扭距為160 N·m。齒形參數見表1。

圖2 452直齒輪的幾何尺寸Fig.2 452straight gear geometry size

表1 漸開線花鍵參數Table1 Involute spline parameter list

2 研制方法

2.1 原料

原料為海格納士生產的Ancorsteel FD-4600A+石墨(質量分數為 0.3%，下同)，Ancorsteel FD-4600A材料成分是 Fe+Ni(1.75%)+Mo(0.5%)+Cu(1.5%)[1]。碳通常以石墨狀態加入，是形成鐵基合金的基本元素之一，它與鐵形成間隙固溶體。銅是鐵基結構材料常用的元素，它能溶入鐵中起到固溶強化的作用，提高材料的密度和強度。鎳主要提高材料的強度與硬度，并明顯改善其沖擊韌性，鎳銅同時進行合金化以穩定燒結尺寸。鉬主要是提高材料的強度與淬透性，減少回火脆性。Ancorsteel FD-4600A在燒結態強度非常好，熱處理能提高其強度和耐磨性能，并因其顯微組織中含有富鎳區，因而保持了較好的延展性。

2.2 成形模具參數設計

成形模直齒輪型腔設計是直齒輪模具設計的開發重點[2]，成形陰模是齒輪壓制成形的主要模具之一，它的設計精度直接影響著齒輪制品的質量，齒輪陰模設計采用的是變位設計法。根據齒輪在壓制過程中的彈性后效、燒結過程中的變形引起的尺寸變化，可以求出陰模的線切割參數，然后用慢絲線切割機加工出陰模，陰模的精度得到控制，制品質量得到提高。成形模型腔的參數見表2。

表2 漸開線花鍵陰模和外下沖內孔參數Table2 Parameters of involute spline cavity die and internal spline of the outside lower punch

2.3 成形模的結構設計

根據直齒輪的結構特點，由不等高制品的粉末運動規律可知，采用“一上二下”的模具結構，陰模主動浮動，雙向壓制，實現粉末側向移動送粉，保證直齒輪齒部具有較高的密度，并且其整體密度均勻[3]。直齒輪的臺階結構決定模具下模沖采用的是組合模沖結構設計，成形陰模采用雙層組合圓筒陰模，由陰模和模套組成。模沖和芯桿采用凸緣式結構。裝配這套模具時，要保持上下模沖、墊塊、模板清潔，預防模沖裝的上下垂直度不好。模具裝配示意如圖3所示。

圖3 模具裝配示意Fig.3 The mold assembly diagram

3 制備工藝

制備工藝路線如下:壓制→燒結→熱處理→光飾處理→浸油→包裝。

3.1 壓制

由于產品的幾何尺寸較大，經計算采用630 t壓機[4]。壓制時，首先要進行模具的調試，它對產品壓制毛坯質量的好壞，具有決定性作用。裝粉時，陰模板帶動陰模上升到裝粉高度，外下沖模板帶動外下沖上升到裝粉高度。采用容積法裝粉，裝粉盒后退時刮平陰模上表面，保證裝粉的均勻性。壓制時，上模沖下移，陰模帶動陰模板向下浮動，外下沖帶動外下沖模板向下浮動，當達到浮動量要求時，浮動停止，上模沖繼續下壓，在外下沖模板下有限位塊，用來保證產品軸向各尺寸?？梢哉{整上模沖的高度來保證產品總的高度。脫模時，采用二次脫模，頂缸先退，陰模退出大端齒，然后主缸退，上模沖離開產品上端面，側缸退，外下沖退下，頂缸再退下，最后中心缸退下，芯桿退下。整個動作中內下沖固定不動。此種脫模方式，能很好地保護外下沖不受側力，防止外下沖破裂。

3.2 燒結

燒結時，先用干燥的壓縮空氣，由氣槍吹除壓件表面的黏附物。由于直齒輪的花鍵2直徑達φ90.47 mm，厚度僅為6 mm，在燒結的過程中因網帶的不平整容易引起變形，故將零件擺放在平整的石墨板上。在網帶燒結爐中，NH3分解氣氛保護下，1120℃燒結1.5 h，燒結后的顯微組織如圖4所示。

圖4 燒結后的金相圖Fig.4 The metallograph after sintering

3.3 熱處理

熱處理采用碳氮共滲方式，進一步提高零件表面的硬度和耐磨性，先在回火爐中200℃回火1 h，去除零件中的油脂，保證零件熱處理時的滲層。然后在網帶式熱處理爐中，NH3分解氣氛保護下，碳勢0.45，820℃，保溫30 min之后在油中直接淬火，再在120℃回火30 min。以減小淬火應力，降低脆性，并保持高強度。熱處理后的顯微組織如圖5所示。

圖5 熱處理后的金相圖Fig.5 The metallograph after heat treatment

3.4 光飾處理

選用合適的研磨料和研磨液，用螺旋振動研磨機光飾處理40 min，去除零件棱邊、棱角。

3.5 浸油

用真空浸油機浸油，將直齒輪放入充油專用料筐中，蓋好真空桶蓋，達到0.4 MPa的壓力后，真空泵自動停止并轉換為自動浸油工序，油溫達到120℃時，打開油路閥，油自動進入浸油桶，當油到達要求位置時，立即關閉油路閥，停止浸油，浸油過程結束。

4 結語

通過產品分析，詳述了高性能粉末冶金齒輪的研制過程，裝機試驗表明開發出的汽車用粉末冶金直齒輪符合要求。

采用該工藝研制的直齒輪，經檢驗，M2處表面硬度為 580～630HV1，芯部硬度達到 250～330HV1，M1處硬化層深度為 0.4 mm，裝機并進行耐久和疲勞試驗。結果表明，齒部無明顯磨損，直齒輪耐磨性好，精度高，技術指標達到了產品的各項要求，尺寸的穩定性完全能滿足批量生產的需要。

[1]張華誠.粉末冶金實用工藝學[M].北京:冶金工業出版社，2004:344 －349.

[2]印紅羽，張華誠.粉末冶金模具設計手冊[M].第2版.北京:機械工業出版社，2002:155－163.

[3]吳朗，陳鵬.粉末冶金鐵基漸開線直齒輪的成形模設計[J].制造技術與機床，2009(10):149.

[4]中國機械工程學會.中國模具設計大典 第4卷 鍛模與粉末冶金模具設計[M].南昌:江西科學技術出版社，2003:1062.