權(quán)利要求
1.鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 步驟一、將55NiTi合金粉末冷壓成圓餅狀坯料，然后在圓餅狀坯料的外圈均勻放置60NiTi合金粉末并再次進行冷壓，得到由內(nèi)圈55NiTi合金層和外圈60NiTi合金層組成的壓制坯料；所述55NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為54.5％～57％，所述60NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為59％～61％； 步驟二、將步驟一中得到的壓制坯料放置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至10 -3Pa后關(guān)閉真空并通入經(jīng)干燥處理后的氬氣進行填充，再次抽真空至10 -3Pa后加熱進行高溫燒結(jié)，得到鎳鈦合金燒結(jié)坯； 步驟三、將步驟二中得到的鎳鈦合金燒結(jié)坯采用不銹鋼管包套后抽真空至10 -4Pa進行密封，然后放置于熱等靜壓爐內(nèi)進行熱等靜壓處理，得到齒輪坯料； 步驟四、對步驟三中得到的齒輪坯料中的輪齒進行高頻局部感應加熱，然后進行水冷硬化處理，得到硬化齒輪； 步驟五、將步驟四中得到的硬化齒輪加工至設計尺寸，得到鎳鈦合金齒輪。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟一所述55NiTi合金粉末和60NiTi合金粉末中雜質(zhì)元素C的質(zhì)量含量不超過0.04％，N的質(zhì)量含量不超過0.01％，O的質(zhì)量含量不超過0.06％。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟一所述壓制坯料中外圈60NiTi合金層的厚度不超過10mm。 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟二中所述高溫燒結(jié)的程序為：在真空度小于10 -3Pa下，先升溫至150℃保溫30min，然后繼續(xù)升溫至640℃保溫30min，再升溫至1100℃保溫60min。 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟三中所述不銹鋼包套的厚度為2.11mm。 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟三中所述熱等靜壓處理的程序為：先升溫至850℃并增壓至110MPa保溫30min，然后繼續(xù)升溫至1050℃并保壓保溫5h，再爐冷至800℃保溫5h，最后爐冷至室溫。 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟四中所述高頻局部感應加熱的溫度為950℃～980℃，保溫時間為5s～10s。
說明書
鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法
技術(shù)領域
本發(fā)明屬于齒輪技術(shù)領域，具體涉及鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法。
背景技術(shù)
齒輪是機械中常用的基礎部件，但傳統(tǒng)的合金鋼齒輪已無法滿足某些特殊場合的需要。如在某工程中傳輸具有強腐蝕性的特種氣體時，采用的40Cr合金鋼齒輪因腐蝕和摩擦產(chǎn)生鐵磁性粉末，致使內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與隔套產(chǎn)生摩擦，加快磁傳動器的升溫速率，大幅降低了磁傳動器的使用壽命。因此，為了適應上述工況，需要開發(fā)一種具有輕質(zhì)高強、耐蝕耐磨、導電無磁等綜合性能的新型齒輪。
鎳鈦合金由于密度小、高耐蝕、導電無磁等特性可以在特殊腐蝕性環(huán)境服役。傳統(tǒng)的鎳鈦合金(鎳的質(zhì)量含量為54.5％～57％，記為55NiTi)塑性高，易于加工成型，但硬度不超過HRC40，耐磨性差。對于富鎳的鎳鈦合金(鎳的質(zhì)量含量為59％～61％，記為60NiTi)，熱處理后硬度最高可達HRC62，而且耐磨性好，能夠承受劇烈的沖擊載荷；但相組成復雜，具有本征脆性，加工難度大。只有融合60NiTi的高硬度和55NiTi的高塑性，才能制備出滿足性能要求的齒輪。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法。該方法采用粉末冶金法，以鎳鈦合金粉末為原料，通過調(diào)整齒輪不同部位原料的鎳含量，制備得到輪齒為高硬度60NiTi合金、內(nèi)部為高塑性55NiTi合金的雙性能鎳鈦合金齒輪，該鎳鈦合金齒輪重量輕、耐蝕耐磨、無磁性，能夠承受劇烈的沖擊載荷，滿足了復雜工況的使用需求。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
步驟一、將55NiTi合金粉末冷壓成圓餅狀坯料，然后在圓餅狀坯料的外圈均勻放置60NiTi合金粉末并再次進行冷壓，得到由內(nèi)圈55NiTi合金層和外圈60NiTi合金層組成的壓制坯料；所述55NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為54.5％～57％，所述60NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為59％～61％；
步驟二、將步驟一中得到的壓制坯料放置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至10 -3Pa后關(guān)閉真空并通入經(jīng)干燥處理后的氬氣進行填充，再次抽真空至10 -3Pa后加熱進行高溫燒結(jié)，得到鎳鈦合金燒結(jié)坯；
步驟三、將步驟二中得到的鎳鈦合金燒結(jié)坯采用不銹鋼管包套后抽真空至10 -4Pa進行密封，然后放置于熱等靜壓爐內(nèi)進行熱等靜壓處理，得到齒輪坯料；
步驟四、對步驟三中得到的齒輪坯料中的輪齒進行高頻局部感應加熱，然后進行水冷硬化處理，得到硬化齒輪；
步驟五、將步驟四中得到的硬化齒輪加工至設計尺寸，得到鎳鈦合金齒輪。
本發(fā)明分別采用55NiTi合金粉末和60NiTi合金粉末作為齒輪內(nèi)圈和外圈的制備原料，先通過冷壓得到壓制坯料，然后經(jīng)高溫燒結(jié)、熱等靜壓處理、輪齒加熱硬化、加工，得到外部輪齒為高硬度60NiTi合金、內(nèi)部齒心為高塑性55NiTi合金的雙性能鎳鈦合金齒輪，且該鎳鈦合金齒輪重量輕、耐蝕耐磨、無磁性，能夠承受劇烈的沖擊載荷，加工難度降低，有效防止了鎳鈦合金齒輪的失效，滿足了復雜工況的使用需求。
上述的一種鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟一所述55NiTi合金粉末和60NiTi合金粉末中雜質(zhì)元素C的質(zhì)量含量不超過0.04％，N的質(zhì)量含量不超過0.01％，O的質(zhì)量含量不超過0.06％。通過控制兩種原料粉末中的雜質(zhì)含量，增加了鎳鈦合金齒輪的耐磨性能，延長了鎳鈦合金齒輪的服役壽命。
上述的一種鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟一所述壓制坯料中外圈60NiTi合金層的厚度不超過10mm。通過限定壓制坯料中外圈60NiTi合金層的厚度，減少了后續(xù)高溫燒結(jié)過程中因亞穩(wěn)相Ni4Ti3分解導致的體積變化，避免了相變引發(fā)體積變化造成外圈60NiTi合金層局部崩裂，保證了鎳鈦合金齒輪的順利成型。
上述的一種鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟二中所述高溫燒結(jié)的程序為：在真空度小于10 -3Pa下，先升溫至150℃保溫30min，然后繼續(xù)升溫至640℃保溫30min，再升溫至1100℃保溫60min。由于鎳鈦合金粉末極易與氧氣和水蒸氣反應，本發(fā)明在將壓制坯料放置于真空燒結(jié)爐內(nèi)后需要抽真空以排出真空燒結(jié)爐內(nèi)的氧氣和水蒸氣，并采用經(jīng)干燥處理后的氬氣進行填充，并再次抽真空以進一步排出氬氣可能帶入的氧氣和水蒸氣，以保證鎳鈦合金粉末的高溫燒結(jié)成型；同時，本發(fā)明的高溫燒結(jié)過程中全程控制真空度小于10 -3Pa以保證真空條件，先升溫至150℃保溫30min以排除部分水蒸氣，然后升溫至640℃保溫30min，使得亞穩(wěn)相Ni4Ti3開始緩慢分解直至充分分解至相變完成，防止由于相變引發(fā)體積變化造成局部崩裂，再升溫至1100℃保溫60min燒結(jié)成型，得到結(jié)構(gòu)完整穩(wěn)定的鎳鈦合金燒結(jié)坯。
上述的一種鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟三中所述不銹鋼包套的厚度為2.11mm。
上述的一種鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟三中所述熱等靜壓處理的程序為：先升溫至850℃并增壓至110MPa保溫30min，然后繼續(xù)升溫至1050℃并保壓保溫5h，再爐冷至800℃保溫5h，最后爐冷至室溫。本發(fā)明的熱等靜壓處理過程中，先升溫至850℃并增壓至110MPa保溫30min，使得鎳鈦合金燒結(jié)坯和不銹鋼管升溫并在壓力作用下逐漸收縮變形，通過控制保溫時間以保證充分收縮變形并維持鎳鈦合金燒結(jié)坯形狀穩(wěn)定，然后升溫至1050℃并維持110MPa保壓保溫5h，以消除鎳鈦合金燒結(jié)坯中的氣孔缺陷，同時使得不同成分的鎳鈦合金粉末界面形成成分梯度結(jié)構(gòu)，有利于齒輪整體力學性能的穩(wěn)定過渡。
上述的一種鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法，其特征在于，步驟四中所述高頻局部感應加熱的溫度為950℃～980℃，保溫時間為5s～10s。本發(fā)明采用高頻局部感應加熱法對齒輪坯料中的輪齒進行加熱并控制加熱溫度和保溫時間，再進行水冷硬化處理實現(xiàn)淬火硬化，進一步保證了輪齒的高硬度特性以及其他部分的高壓縮塑性，保證了鎳鈦合金齒輪的使用性能。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
1、本發(fā)明通過分別采用不同鎳鈦合金粉末作為齒輪不同部位的制備原料，得到外部輪齒為高硬度(可達HRC58-62)60NiTi合金、內(nèi)部齒心為高塑性55NiTi合金的雙性能鎳鈦合金齒輪，該鎳鈦合金齒輪重量輕、耐蝕耐磨、無磁性，能夠承受劇烈的沖擊載荷，加工難度降低，有效防止了鎳鈦合金齒輪的失效，滿足了復雜工況的使用需求。
2、本發(fā)明通過控制高溫燒結(jié)程序，避免了鎳鈦合金粉末與水蒸氣反應，同時還防止了因外圈60NiTi合金粉末中亞穩(wěn)相Ni4Ti3分解相變引發(fā)體積變化造成局部崩裂，保證了鎳鈦合金燒結(jié)坯的結(jié)構(gòu)完整穩(wěn)定。
3、本發(fā)明通過控制熱等靜壓處理工藝，保證了鎳鈦合金燒結(jié)坯形狀穩(wěn)定，有效消除了鎳鈦合金燒結(jié)坯中的氣孔缺陷，并使得不同成分的鎳鈦合金粉末界面形成成分梯度結(jié)構(gòu)，有利于齒輪整體力學性能的穩(wěn)定過渡。
4、本發(fā)明改變了傳統(tǒng)通過表面處理如滲碳、滲氮等強化齒輪性能的思路，提供了一種新型的齒輪設計理念，可推廣應用到其他領域。
下面通過附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的詳細描述。
附圖說明
圖1為本發(fā)明中壓制坯料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例1
本實施例包括以下步驟：
步驟一、將55NiTi合金粉末冷壓成圓餅狀坯料，然后在圓餅狀坯料的外圈均勻放置60NiTi合金粉末并再次進行冷壓，得到由內(nèi)圈55NiTi合金層和外圈60NiTi合金層組成的壓制坯料，如圖1所示；所述55NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為56.01％，C的質(zhì)量含量0.03％，N的質(zhì)量含量0.005％，O的質(zhì)量含量0.055％；所述60NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為59.76％，C的質(zhì)量含量0.01％，N的質(zhì)量含量0.003％，O的質(zhì)量含量0.045％；所述壓制坯料中外圈60NiTi合金層的厚度為10mm；
步驟二、將步驟一中得到的壓制坯料放置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至10 -3Pa后關(guān)閉真空并通入經(jīng)干燥處理后的氬氣進行填充，再次抽真空至10 -3Pa后加熱進行高溫燒結(jié)：在真空度小于10 -3Pa下，先升溫至150℃保溫30min，然后繼續(xù)升溫至640℃保溫30min，再升溫至1100℃保溫60min，得到鎳鈦合金燒結(jié)坯；
步驟三、將步驟二中得到的鎳鈦合金燒結(jié)坯采用厚度為2.11mm的304不銹鋼管包套后抽真空至10 -4Pa進行密封，然后放置于熱等靜壓爐內(nèi)進行熱等靜壓處理：先升溫至850℃并增壓至110MPa保溫30min，然后繼續(xù)升溫至1050℃并保壓保溫5h，再爐冷至800℃保溫5h，最后爐冷至室溫，得到齒輪坯料；
步驟四、對步驟三中得到的齒輪坯料中的輪齒進行高頻局部感應加熱至溫度為950℃保溫10s，然后進行水冷硬化處理，得到硬化齒輪；
步驟五、將步驟四中得到的硬化齒輪加工至設計尺寸，得到鎳鈦合金齒輪。
經(jīng)檢測，本實施例制備的鎳鈦合金齒輪硬度高，而且耐磨耐蝕，無磁性，能夠滿足使用要求。
實施例2
本實施例包括以下步驟：
步驟一、將55NiTi合金粉末冷壓成圓餅狀坯料，然后在圓餅狀坯料的外圈均勻放置60NiTi合金粉末并再次進行冷壓，得到由內(nèi)圈55NiTi合金層和外圈60NiTi合金層組成的壓制坯料，如圖1所示；所述55NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為54.50％，，C的質(zhì)量含量0.02％，N的質(zhì)量含量0.005％，O的質(zhì)量含量0.053％；所述60NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為59.00％，C的質(zhì)量含量0.015％，N的質(zhì)量含量0.007％，O的質(zhì)量含量0.051％；所述壓制坯料中外圈60NiTi合金層的厚度為9mm；
步驟二、將步驟一中得到的壓制坯料放置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至10 -3Pa后關(guān)閉真空并通入經(jīng)干燥處理后的氬氣進行填充，再次抽真空至10 -3Pa后加熱進行高溫燒結(jié)：在真空度小于10 -3Pa下，先升溫至150℃保溫30min，然后繼續(xù)升溫至640℃保溫30min，再升溫至1100℃保溫60min，得到鎳鈦合金燒結(jié)坯；
步驟三、將步驟二中得到的鎳鈦合金燒結(jié)坯采用304不銹鋼管包套后抽真空至10 - 4Pa進行密封，然后放置于熱等靜壓爐內(nèi)進行熱等靜壓處理：先升溫至850℃并增壓至110MPa保溫30min，然后繼續(xù)升溫至1050℃并保壓保溫5h，再爐冷至800℃保溫5h，最后爐冷至室溫，得到齒輪坯料；
步驟四、對步驟三中得到的齒輪坯料中的輪齒進行高頻局部感應加熱至溫度為980℃保溫5s，然后進行水冷硬化處理，得到硬化齒輪；
步驟五、將步驟四中得到的硬化齒輪加工至設計尺寸，得到鎳鈦合金齒輪。
經(jīng)檢測，本實施例制備的鎳鈦合金齒輪硬度高，而且耐磨耐蝕，無磁性，能夠滿足使用要求。
實施例3
本實施例包括以下步驟：
步驟一、將55NiTi合金粉末冷壓成圓餅狀坯料，然后在圓餅狀坯料的外圈均勻放置60NiTi合金粉末并再次進行冷壓，得到由內(nèi)圈55NiTi合金層和外圈60NiTi合金層組成的壓制坯料，如圖1所示；所述55NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為57.00％，C的質(zhì)量含量0.01％，N的質(zhì)量含量0.004％，O的質(zhì)量含量0.048％；所述60NiTi合金粉末中鎳的質(zhì)量含量為61.00％，C的質(zhì)量含量0.01％，N的質(zhì)量含量0.008％，O的質(zhì)量含量0.046％；所述壓制坯料中外圈60NiTi合金層的厚度為9.5mm；
步驟二、將步驟一中得到的壓制坯料放置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至10 -3Pa后關(guān)閉真空并通入經(jīng)干燥處理后的氬氣進行填充，再次抽真空至10 -3Pa后加熱進行高溫燒結(jié)：在真空度小于10 -3Pa下，先升溫至150℃保溫30min，然后繼續(xù)升溫至640℃保溫30min，再升溫至1100℃保溫60min，得到鎳鈦合金燒結(jié)坯；
步驟三、將步驟二中得到的鎳鈦合金燒結(jié)坯采用304不銹鋼管包套后抽真空至10 - 4Pa進行密封，然后放置于熱等靜壓爐內(nèi)進行熱等靜壓處理：先升溫至850℃并增壓至110MPa保溫30min，然后繼續(xù)升溫至1050℃并保壓保溫5h，再爐冷至800℃保溫5h，最后爐冷至室溫，得到齒輪坯料；
步驟四、對步驟三中得到的齒輪坯料中的輪齒進行高頻局部感應加熱至溫度為960℃保溫8s，然后進行水冷硬化處理，得到硬化齒輪；
步驟五、將步驟四中得到的硬化齒輪加工至設計尺寸，得到鎳鈦合金齒輪。
經(jīng)檢測，本實施例制備的鎳鈦合金齒輪硬度高，而且耐磨耐蝕，無磁性，能夠滿足使用要求。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
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聲明：
“鎳鈦合金齒輪的粉末冶金制備方法” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：西北有色金屬研究院
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2025年03月28日 ~ 30日 
