權(quán)利要求

1.粉末冶金致密化零件的制造工藝，其特征在于：包括以下步驟：（S1）配料、（S2）壓制、（S3）燒結(jié)、（S4）多元致密技化、（S5）熱處理； 步驟（S1）中，原料按重量百分比計包括以下組分：Cu:0~3%、Mo:0~2%、Ni:0~3%、C:0.1~0.7%、潤滑劑：0.2~0.8%、Fe:余量； 步驟（S2）中，使用粉末冶金成型壓機(jī)將粉末壓至常規(guī)密度，優(yōu)選為6.8-7.0g/cm 3； 步驟（S3）中，使用保護(hù)氣氛燒結(jié)； 步驟（S4）中，使用粉末冶金整形模具進(jìn)行整形，整型量直徑方向單邊﹣0.03~+0.05mm，高度方向整型量為4-12%，整型后整體密度≥7.4g/cm 3，有效致密層深≥0.15mm。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末冶金致密化零件的制造工藝，其特征在于：步驟（S4）中，整型后零件表面密度≥7.6g/cm 3。 

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的粉末冶金致密化零件的制造工藝，其特征在于：步驟（S4）中，在一套粉末冶金整形模具中完成整體致密化和表面致密化過程，可以先整體致密化后表面致密化，也可以先表面致密化后整體致密化。 

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的粉末冶金致密化零件的制造工藝，其特征在于：所述粉末冶金整形模具的模腔含有橫截面保持不變的定截面段和橫截面逐漸減小的變截面段； 整體致密化在定截面段進(jìn)行，將零件置于定截面段中，兩端的沖頭向零件施加相向的及壓力，使零件整體的密度提高； 表面致密化在變截面段進(jìn)行，將零件置于變截面段中，并推動零件從截面較小的一端逐漸移動到截面較大的一端，使零件內(nèi)側(cè)面和/或外側(cè)面受到擠壓并提高密度。 

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的粉末冶金致密化零件的制造工藝，其特征在于：所述粉末冶金整形模具包括外模（1）、芯棒（2）、第一沖頭（3）、第二沖頭（4）；外模（1）中具有通孔，芯棒（2）位于通孔中，在外模（1）與芯棒（2）之間形成整形腔；第一沖頭（3）和第二沖頭（4）相向設(shè)于該成整形腔兩端；外模（1）內(nèi)壁包括依次相連的整體致密段（11）、表面致密段（12）、導(dǎo)向段（13）；整體致密段（11）和導(dǎo)向段（13）各自的截面保持不變，且整體致密段（11）的截面大于導(dǎo)向段（13）；表面致密段（12）的截面從與整體致密段（11）一致逐漸縮小至與導(dǎo)向段（13）一致。 

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的粉末冶金致密化零件的制造工藝，其特征在于：還包括步驟（S5）的熱處理，熱處理使用普通碳氮共滲箱式爐進(jìn)行碳氮共滲熱處理。 

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的粉末冶金致密化零件的制造工藝，其特征在于：步驟（S5）中，熱處理指標(biāo)如下： 表面硬度：HRC40min/620HV5min，芯部硬度:140HV5min，硬化層深度:550HV0.1-0.2~0.12mm。 

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的粉末冶金致密化零件的制造工藝，其特征在于：步驟（S4）中整體密度以排水法測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計量；有效致密層深和表面的密度使用顯微鏡孔隙率計算方法測得。 

9.粉末冶金致密化零件，其特征在于：按照權(quán)利要求1至8任一項的制造工藝制得的粉末冶金致密化零件。 10.一種粉末冶金致密化零件，其特征在于：該零件為齒輪，其齒側(cè)和齒根位置的密度≥7.6g/cm 3。

說明書

粉末冶金致密化零件及其制造工藝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及粉末冶金致密化零件及其制造工藝。

背景技術(shù)

齒輪作為傳動元件，需要比較高的強(qiáng)度性能。比如變速箱鎖止齒輪(駐車齒輪)主要應(yīng)用于自動檔家用汽車中，在汽車駐車(P檔)時駐車齒輪通過駐車棘爪相扣起到鎖止機(jī)構(gòu)，防止溜車的作用。

齒輪需要承載一些極限工況下的異常沖擊，一般選用高強(qiáng)度鋼材制成，通過熱處理保證高強(qiáng)度、高硬度和韌性。為保證性能，現(xiàn)有技術(shù)中的高負(fù)載齒輪主要通過切削加工或者采用精密鍛造與切削加工結(jié)合的方式來加工，生產(chǎn)成本高、效率低、工裝模具費(fèi)用高，且批次質(zhì)量穩(wěn)定性差、報廢率高。

粉末冶金工藝有著生產(chǎn)效率高、接近凈成型，因而只需要少量或者無機(jī)加工切削、材料利用率高、環(huán)保、輕量化、批次質(zhì)量穩(wěn)定性好、成本低的優(yōu)勢。隨著近些年乘用車市場的快速發(fā)展，粉末冶金汽車零部件的應(yīng)用也越來越多，發(fā)動機(jī)正時系統(tǒng)、平衡軸齒輪、軸承蓋、變速箱同步器齒轂、轉(zhuǎn)向齒輪等應(yīng)用。但是由于壓制粉末冶金零件的種種技術(shù)限制，零件密度不能突破7.4g/cm 3，致使其機(jī)械性能不滿足高負(fù)載應(yīng)用的要求。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種粉末冶金致密化駐車齒輪及其制造工藝，特別是駐車齒輪以及實(shí)現(xiàn)該零件階梯密度的制造工藝。本發(fā)明能夠提高零件的機(jī)械性能，滿足高性能齒輪，如鎖止元件(駐車齒輪)工況要求。另外，本專利工藝非常容易成型減重孔、減重槽設(shè)計，實(shí)現(xiàn)零件減重。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

(S1)配料：以鐵粉為基體，配入粉末狀碳、銅、鎳、鉬等合金元素，以提升零件的機(jī)械性能，改善淬透行為。少量潤滑劑用來降低壓制成型時的摩擦力。原料按重量百分比計包括以下組分：Cu:0～3％、Mo:0～2％、Ni:0～3％、C:0.1～0.6％、潤滑劑：0.2～0.8％、Fe:余量。均勻混合后，粉末的松裝密度為2.8–3.5g/cm 3。

(S2)壓制成型：將(S1)得到的粉末填入模具，上下模沖將松裝粉末壓實(shí)到合金理論密度的85％-91％。同一零件使用統(tǒng)一的一個密度，比如：7.0g/cm 3或90％的理論密度。

(S3)燒結(jié)：(S2)制作的生坯，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，形成金屬鍵結(jié)合。燒結(jié)溫度在1100攝氏度到1200攝氏度之間，燒結(jié)過程要在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，以氮?dú)鉃橹黧w，氫氣含量不超過10％體積比。燒結(jié)時間不超過30分鐘，然后在氮?dú)庵凶匀焕鋮s。燒結(jié)后工件的密度與之前的生坯密度接近。

(S4)多元致密整形：為了提升工件的拉伸強(qiáng)度、延伸率、硬度和疲勞強(qiáng)度，本發(fā)明開發(fā)“多元致密整形”技術(shù)，即工件一次通過模具，一來其整體密度突破7.4g/cm 3，二來工件局部產(chǎn)生密度大于7.6g/cm 3的高密度層。整體提高粉末冶金零件強(qiáng)度的同時，針對一些特殊設(shè)計或特殊工況條件下的零件高載荷、高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)一步提高密度從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能接近傳統(tǒng)鑄造、鍛造零件。

為實(shí)現(xiàn)“多元致密”，本發(fā)明開發(fā)了橫向尺寸(直徑)沿軸向漸變模具，實(shí)現(xiàn)整體致密化和表面致密化在同一套模具中實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)時，可以先表面后整體致密；也可以相反，先整體致密，再表面致密。

以下，以先整體致密化后表面致密化且表面致密化位于外輪廓為例據(jù)介紹其模具及工藝過程，其他情況可根據(jù)該情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

模具如圖1所示，其中，X表示為工件。模具包括外模、芯棒、第一沖頭、第二沖頭；外模中具有通孔，芯棒位于通孔中，在外模與芯棒之間形成整形腔；第一沖頭和第二沖頭相向設(shè)于該成整形腔兩端；外模內(nèi)壁包括依次相連的整體致密段、表面致密段、導(dǎo)向段；整體致密段和導(dǎo)向段各自的截面保持不變，且整體致密段的截面大于導(dǎo)向段；表面致密段的截面從與整體致密段一致逐漸縮小至與導(dǎo)向段一致。

先整體致密化后表面致密化的多元致密工藝過程和原理。整體致密化在整體致密段內(nèi)，毛坯工件被第一沖頭和第二沖頭擠壓，將毛坯工件中的孔隙部分壓實(shí)，使工件體積縮小4％-12％，此時需要沖壓力超過工件的屈服極限，保證塑性變形后，工件整體密度超過7.4g/cm 3。工件高度減少4％-12％，橫向尺寸不變或有微小變化。表面致密化用于提高工件毛坯局部密度，需要把工件在整形腔中從一端推移到另一端，模具漸變范圍大于0.1mm，不超過1毫米。經(jīng)過以上處理，工件局部能夠達(dá)到理論密度的96％-99％以上的深度可以超過0.15毫米。

由以上工藝可知，若需要增加密度的區(qū)域在工件外輪廓上，模腔內(nèi)的相關(guān)尺寸從一端到另一端遞減，逐步縮小到小于毛坯的外部尺寸。反之，若需要增加密度的區(qū)域在工件內(nèi)輪廓，則模具芯棒的相關(guān)尺寸從一端到另一端遞增，逐步擴(kuò)大到大于毛坯的內(nèi)輪廓尺寸。

進(jìn)一步地，在(S4)多元致密整形步驟之后，還可進(jìn)行熱處理，具體可根據(jù)需要選用現(xiàn)有技術(shù)中適合粉末冶金零件的熱處理方法，優(yōu)選為碳氮共滲熱處理。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的粉末冶金多元致密化零件的制造工藝，粉末冶金工藝材料利用率高，模具直接成型，生產(chǎn)效率高、車削加工少，整體成本低，質(zhì)量穩(wěn)定性好。經(jīng)過本發(fā)明整體致密化和表面致密化的多元致密后得到的零件，機(jī)械性能顯著提升，達(dá)到16MnCr5鋼材90％強(qiáng)度，致密化后，零件芯部和表面密度都大于7.4g/cm 3；另外，針對駐車齒輪實(shí)際工況要求更高的外齒齒側(cè)和齒根位置，通過整形工藝進(jìn)一步提高密度，達(dá)7.6g/cm 3，有效深度大于0.2mm。最終再外發(fā)碳氮共滲熱處理達(dá)到較高的強(qiáng)度。粉末冶金同種材料和工藝下，機(jī)械性能和密度成正比，所以致密化后的粉末冶金齒輪機(jī)械性能提高，可以適用大部分駐車齒輪。

附圖說明

圖1為模具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例1的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為實(shí)施例2的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為實(shí)施例3的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，外模1、芯棒2、第一沖頭3、第二沖頭4、整體致密段11、表面致密段12、導(dǎo)向段13。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明，這些實(shí)施例是示例性的，旨在說明問題和解釋本發(fā)明，并不是一種限制。

實(shí)施例1

粉末冶金致密化工藝制造如圖2所示的齒輪。

粉末冶金材料——化學(xué)成分：Cu:0％、Mo:1.0％、Ni:0％、C:0.4％、潤滑劑CaplubeK：0.75％、Fe:余量，上述百分比為質(zhì)量百分比。生產(chǎn)工序：壓制-燒結(jié)-整形-熱處理。

壓制——用成型壓機(jī)將合金粉末壓到密度:6.9g/cm 3。

燒結(jié)——燒結(jié)爐，燒結(jié)溫度：1120℃，保溫時間30分鐘，燒結(jié)氣氛：95％N 2+5％H 2。少量丙烷，調(diào)整碳勢，以保持工件內(nèi)碳含量。

多元致密化整形——設(shè)備：粉末冶金整形500噸壓機(jī)，潤滑油：粉末冶金整形潤滑油，模具：粉末冶金整形模具一套，整型量直徑方向單邊-0.02mm，高度方向整形降低零件高度10％(齒部高度和內(nèi)花鍵位置分別降低各自高度10％)。

熱處理——碳氮共滲熱處理，設(shè)備：普通碳氮共滲箱式爐/連續(xù)爐，熱處理工藝：滲碳熱處理，溫度870℃，油冷淬火，回火180℃；指標(biāo)如下：表面硬度：HRC53，700HV5，芯部硬度:200HV5，硬化層深度:0.4mm(550HV0.1)。

本實(shí)施例制得的粉末冶金致密化齒輪的性能如表1所示。

表1性能測試結(jié)果

實(shí)施例2

粉末冶金致密化工藝制造如圖3所示的齒輪。

粉末冶金材料——化學(xué)成分：Cu:1.0％、Mo:0.5％、Ni:0.5％、C:0.4％、潤滑劑Intrlube：0.7％、Fe:余量，上述百分比為質(zhì)量百分比。生產(chǎn)工序：壓制-燒結(jié)-整形-熱處理。

壓制——用成型壓機(jī)將合金粉末壓到密度:6.95g/cm 3。

燒結(jié)——燒結(jié)爐，燒結(jié)溫度：1125℃，保溫時間28分鐘，燒結(jié)氣氛：93％N 2+7％H 2。少量丙烷，調(diào)整碳勢，以保持工件內(nèi)碳含量。

多元致密化整形——設(shè)備：粉末冶金整形500噸壓機(jī)，潤滑油：粉末冶金整形潤滑油，模具：粉末冶金整形模具一套，整型量直徑方向單邊+0.01mm，高度方向整形降低零件高度11％。

熱處理——碳氮共滲熱處理，設(shè)備：普通碳氮共滲箱式爐/連續(xù)爐，熱處理工藝參數(shù)如下：滲碳熱處理，溫度850℃，油冷淬火，回火180℃；指標(biāo)如下：表面硬度：HRC54，710HV5，芯部硬度:230HV5，硬化層深度:0.4mm(550HV0.1)。

本實(shí)施例制得的粉末冶金致密化齒輪的性能如表2所示

表2性能測試結(jié)果

實(shí)施例3

粉末冶金致密化工藝制造如圖4所示的齒輪。

粉末冶金材料——化學(xué)成分：Cu:1.0％、Mo:0.85％、Ni:0％、C:0.30％、潤滑劑Lube E：0.7％、Fe:余量，上述百分比為質(zhì)量百分比。生產(chǎn)工序：壓制-燒結(jié)-整形-熱處理。

壓制——用成型壓機(jī)將合金粉末壓到密度:7.0g/cm 3。

燒結(jié)——燒結(jié)爐，燒結(jié)溫度：1125℃，保溫時間29分鐘，燒結(jié)氣氛：93％N 2+7％H 2。少量丙烷，調(diào)整碳勢，以保持工件內(nèi)碳含量。

多元致密化整形——設(shè)備：粉末冶金整形500噸壓機(jī)，潤滑油：粉末冶金整形潤滑油，模具：粉末冶金整形模具一套，整型量直徑方向單邊-0.01mm，高度方向整形降低零件高度9％(齒部高度和內(nèi)臺階位置分別降低各自高度9％)。

熱處理——碳氮共滲熱處理，設(shè)備：普通碳氮共滲箱式爐/連續(xù)爐，熱處理工藝參數(shù)如下：滲碳熱處理，溫度850℃，油冷淬火，回火180℃；指標(biāo)如下：表面硬度：HRC50，690HV5，芯部硬度:200HV5，硬化層深度:0.35mm(550HV0.1)本實(shí)施例制得的粉末冶金致密化齒輪的密度如表3所示。

表3性能測試結(jié)果

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

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