粉末冶金組合燒結(jié)中空凸輪軸的組織與性能

王林山，梁雪冰，李 改，陳 鵬，汪禮敏，王 磊，Zak. Fang

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粉末冶金組合燒結(jié)中空凸輪軸的組織與性能

王林山1, 2, 3，梁雪冰1, 2, 3，李 改1, 2, 3，陳 鵬1, 2, 3，汪禮敏1, 2, 3，王 磊1, 2, 3，Zak. Fang4

(1. 北京有色金屬研究總院，北京 100088；2. 有研粉末新材料(北京)有限公司，北京 101407；3. 北京恒源天橋粉末冶金有限公司，北京 101407；4. 美國猶他大學(xué)，鹽湖城 84112)

采用粉末冶金組合燒結(jié)技術(shù)制備由Fe-Cr-Mo-P-Si-Cu-C凸輪和16Mn鋼管為芯軸組成的中空凸輪軸，對凸輪的密度、硬度等物理性能、摩擦磨損性能和微觀組織進行測試與分析，研究燒結(jié)致密化機理，并與傳統(tǒng)凸輪材料球墨鑄鐵的摩擦磨損性能進行對比。結(jié)果表明：Fe-Cr-Mo-P-Si-Cu-C凸輪材料在燒結(jié)過程中產(chǎn)生Fe-C-P三元液相，Cr、Mo元素溶解于液相中使得液相量顯著增加，促進液相燒結(jié)，體積收縮率高達19.1%。凸輪材料的平均密度為7.51 g/cm3，平均硬度(HRC)53.7，與鋼制芯軸形成牢固的冶金結(jié)合，扭矩高達1 150 N?m，連接可靠性較好；該凸輪材料的硬度與傳統(tǒng)球墨鑄鐵凸輪材料相近，耐磨性是球墨鑄鐵的3倍，質(zhì)量減輕35%，滿足發(fā)動機使用要求。

粉末冶金；中空凸輪軸；組合燒結(jié)

隨著能源短缺和環(huán)境污染等問題日益嚴重，對汽車的節(jié)能減排要求越來越高，凸輪軸正在向輕量化、低成本、高性能方向發(fā)展[1]。新型的組合式中空凸輪軸因具有質(zhì)量輕、能耗低、中空結(jié)構(gòu)可做潤滑油路(避免缸蓋上的潤滑油路加工)、節(jié)材等優(yōu)點，成為目前和未來的研究熱點和發(fā)展方向[2?5]。目前，組合式中空凸輪軸的制備工藝主要有熱套、焊接、內(nèi)高壓脹形、機械滾花裝配和粉末冶金組合燒結(jié)等方法。其中，熱套法對于芯軸和凸輪片的尺寸精度要求高，且凸輪軸的靜扭性能較低；焊接法焊接時容易產(chǎn)生熱變形，使凸輪軸的尺寸精度降低，局部過熱也容易使焊接部位產(chǎn)生裂紋，質(zhì)量難以保證；內(nèi)高壓脹形方法可以最大限度地減輕凸輪軸的質(zhì)量，但存在工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低等問題；機械滾花裝配需要首先對凸輪和芯軸進行滾花處理，增加了加工工序，并且在裝配過程中容易在凸輪上產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力而使凸輪的壽命和可靠性下降。粉末冶金組合燒結(jié)是首先把粉末冶金凸輪壓坯裝套在中空鋼管上，然后放入燒結(jié)爐進行燒結(jié)。燒結(jié)時粉末凸輪材料發(fā)生收縮和焊接，凸輪與芯軸間界面形成牢固的冶金結(jié)合。這種連接方式巧妙地運用了粉末冶金凸輪自身的燒結(jié)收縮特性，以及在高溫液相燒結(jié)條件下金屬間界面可實現(xiàn)冶金結(jié)合，所得的中空凸輪軸兼具質(zhì)量輕、耐磨性好、扭矩高、內(nèi)應(yīng)力小等優(yōu)點，并且工藝設(shè)備簡單、加工工序短，是目前最具應(yīng)用和發(fā)展前景的凸輪軸制造工藝之一[6?11]。

目前，該項技術(shù)僅被日本NPR、韓國SECO等企業(yè)掌握，在中國國內(nèi)尚屬起步階段[12]。本文作者采用粉末冶金組合燒結(jié)技術(shù)制備中空凸輪軸，對凸輪軸的物理性能和微觀組織進行分析，研究燒結(jié)機理，并與傳統(tǒng)鑄造凸輪材料進行摩擦磨損性能對比，為輕量化、高性能粉末冶金中空凸輪軸的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 中空凸輪軸的制備

以Fe-Cr-Mo-P-Si-Cu-C粉末冶金材料作為凸輪材料，其名義成分列于表1。采用16Mn鋼管作為凸輪軸的芯軸。凸輪軸驅(qū)動齒輪等其他零部件采用45#鋼，經(jīng)表面淬火達到所需硬度。

采用Fe粉、CrFe合金粉、MoFe合金粉、PFe合金粉、SiFe合金粉、電解Cu粉、石墨粉等為原料，所有原料粉末的粒度均小于75 μm。首先按照表1所列名義成分稱量原料粉末，額外添加0.7%的硬脂酸鋅潤滑劑，用三維混料機混合1 h，然后以600 MPa壓力壓制成凸輪片生坯，其密度約為6.30 g/ cm3。將凸輪片生坯與芯軸組合，在網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中進行高溫?zé)Y(jié)。根據(jù)前期實驗確定的最佳燒結(jié)工藝參數(shù)，燒結(jié)溫度定為1 120 ℃，燒結(jié)氣氛為分解氨，燒結(jié)時間45 min，平均冷卻速率為12 ℃/min。驅(qū)動齒輪等其他零部件采用激光焊接方式連接。燒結(jié)后的粉末冶金凸輪軸毛坯經(jīng)校直和后續(xù)機加工后，成為發(fā)動機用的中空凸輪軸成品。

用于與粉末冶金中空凸輪軸摩擦磨損性能對比的凸輪軸為北京現(xiàn)代汽車有限公司市售的1.6L發(fā)動機用的鑄造凸輪軸，凸輪軸材料為球墨鑄鐵。

表1 凸輪材料的名義成分

1.2 分析與測試

采用阿基米德排水法測定凸輪材料的密度，用HR-150型洛氏硬度計測量硬度，通過燒結(jié)過程中的線收縮率計算體積收縮率，上述性能均取3個試樣進行測定，計算平均值。采用TNS-2000扭轉(zhuǎn)試驗機測量凸輪軸的扭矩，取2個焊接在鋼管上的凸輪，裝在試驗機專用夾具上進行測試，以評價凸輪與芯軸的焊接情況；用掃描電鏡和EDS能譜對凸輪材料的顯微組織與形貌以及微區(qū)成分進行觀察與分析，并分析凸輪?芯軸的焊接界面區(qū)域的界面形貌與元素分布。

在圖1所示的MR-H5型高速環(huán)塊磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，分別測定傳統(tǒng)凸輪材料球墨鑄鐵與本研究制備的粉末冶金凸輪材料的摩擦磨損性能。對磨試樣環(huán)材料為Cr12，熱處理后硬度HRC在58以上，實驗載荷800 N，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，時間1 h，潤滑介質(zhì)為機油。使用白光干涉形貌法對材料的磨損情況進行分析。白光干涉形貌法是在傳統(tǒng)的雙光束干涉技術(shù)基礎(chǔ)上，基于白光干涉的典型特征，通過定位表面各點的最佳干涉位置來獲得表面各點的相對高度，從而重構(gòu)表面三維輪廓的方法。利用白光干涉形貌法得到摩擦面的三維形貌后，通過圖像處理軟件得到磨痕的寬度和深度，進而求得材料的磨損量。

圖1 中空凸輪軸的摩擦磨損實驗示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能

表2所列為凸輪材料的物理性能。材料的平均密度高達7.51 g/cm3，平均硬度HRC達到53.7，體積收縮率約19.1%。凸輪在燒結(jié)過程中產(chǎn)生較大的收縮，獲得較高的密度；同時，添加合金元素顯著地促進了材料硬化而獲得較高的硬度。球墨鑄鐵是凸輪軸的傳統(tǒng)材料，硬度HRC為52，本研究制備的粉末冶金凸輪材料硬度略高于球墨鑄鐵的硬度。

表2 凸輪材料的物理性能

圖2(a)所示為粉末冶金組合燒結(jié)中空凸輪軸的宏觀形貌。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，凸輪材料與鋼制芯軸結(jié)合為一體。圖2(b)所示為中空凸輪軸的扭矩測試結(jié)果，圖中M為最大扭矩點，最大扭矩達到1 150 N/m，顯示出良好的焊接可靠性。該中空凸輪軸的質(zhì)量約 1.95 kg，與同型號實心鑄造凸輪軸相比，質(zhì)量減少35%。

2.2 微觀組織

圖3所示為凸輪材料的微觀組織。其中灰白色組織(圖3(b)中A組織)為鐵素體與層狀滲碳體交替分布的珠光體組織，該組織呈塊狀彌散分布，被周圍較平整且呈現(xiàn)相互連通狀態(tài)的黑色組織(圖3(b)中B組織)所包圍，B組織是燒結(jié)過程中產(chǎn)生的液相凝固后所形成的組織。由圖3(c)可看到，該液相凝固組織中存在一定數(shù)量的孔隙，表明燒結(jié)過程中燒結(jié)體內(nèi)部一部分氣體滲入液相中，在外部氣壓的作用下，無法排至燒結(jié)體外，最終殘留于材料中形成孔隙。

圖2 粉末冶金中空凸輪軸的宏觀形貌與扭矩測試結(jié)果

對圖3(b)中的A組織和B組織進行EDS能譜分析，結(jié)果如圖4所示。由能譜分析結(jié)果可知，燒結(jié)過程中，Cr和Mo元素在液相凝固組織(B組織)中的含量明顯高于珠光體組織(A組織)中的含量，其質(zhì)量分數(shù)接近原料成分配比的3倍，因此可以判斷燒結(jié)過程中大量Cr和Mo溶解于液相中。由圖5所示Fe-C-P三元相圖可知，在1 120 ℃高溫?zé)Y(jié)過程中，F(xiàn)e、C、P形成液相，Cr、Mo元素大量溶解于液相，使液相線溫度降低，液相量大幅度增加，從而促進液相燒結(jié)，材料的體積收縮率超過19%。對液相凝固組織和珠光體組織分別進行顯微硬度測試，液相凝固組織的顯微硬度超過1 200 HV，珠光體組織的顯微硬度平均為535 HV，表明Cr、Mo等元素顯著提高了液相凝固組織的硬度。

圖3 凸輪材料不同放大倍數(shù)的微觀形貌

圖4 圖3(b)中A(灰白色)與B(黑色)組織的能譜分析

圖5 Fe-C-P三元液相投影相圖[15]

對凸輪?芯軸焊接界面進行EDS線掃描分析，結(jié)果如圖6所示。可見界面區(qū)域存在元素擴散，擴散寬度約為20 μm，屬于冶金結(jié)合，從而保證凸輪與芯軸連接的可靠性。其中，凸輪中的Si、Cu、Cr向芯軸擴散較明顯，而Mo、P的擴散不明顯，芯軸中的Mn向凸輪材料中發(fā)生一定擴散。

圖6 凸輪–芯軸焊接界面的EDS線掃描

2.3 摩擦磨損性能

圖7所示為粉末冶金凸輪與球墨鑄鐵凸輪的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線。從圖7可看出，球墨鑄鐵的摩擦因數(shù)逐漸增大，無明顯的磨合階段。粉末冶金凸輪材料的磨合階段大約為150 s，然后摩擦因數(shù)基本保持平穩(wěn)，并有緩慢下降的趨勢。這表明粉末冶金凸輪具有更穩(wěn)定的摩擦性能。

表3和圖8所示為鑄鐵凸輪和粉末冶金凸輪的磨痕寬度、深度、磨損量以及磨損表面形貌。從表3可看出，鑄鐵的體積磨損量是粉末冶金凸輪材料磨損量的近3倍，表明粉末冶金凸輪材料具有更優(yōu)異的耐磨性。這一方面是由于粉末冶金凸輪材料中存在的少量孔隙能夠吸收潤滑介質(zhì)，并有利于潤滑油膜的保持，從而起到降低磨損量的作用。另一方面，凸輪材料中的液相凝固組織具有極高的顯微硬度，在磨擦過程中，即使其他區(qū)域的軟質(zhì)組織被磨削損耗，高硬度的液相凝固組織也能夠抵抗材料的進一步磨損。

圖7 凸輪的摩擦因數(shù)曲線

表3 鑄鐵凸輪和粉末冶金凸輪的磨損性能對比

3 結(jié)論

1) Fe-Cr-Mo-P-Si-Cu-C粉末冶金凸輪材料在燒結(jié)過程中產(chǎn)生Fe-C-P三元液相，Cr、Mo元素溶解于液相中，促進燒結(jié)收縮，體積收縮率高達19.1%。

2) 粉末冶金凸輪材料密度為7.51 g/cm3，平均硬度HRC為 53.7，與芯軸形成牢固的冶金結(jié)合，扭矩達到1 150 N?m，連接可靠性較好。

3) 摩擦試驗中粉末冶金凸輪材料150 s即完成磨合，摩擦因數(shù)與傳統(tǒng)凸輪材料球墨鑄鐵相近，且保持穩(wěn)定，而耐磨性是球墨鑄鐵凸輪材料的3倍，可滿足發(fā)動機的使用要求。

圖8 凸輪摩擦表面的白光干涉形貌

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(編輯 湯金芝)

Microstructure and properties of assembled hollow camshaft prepared by powder metallurgy combined sintering

WANG Lin-shan1, 2, 3, LIANG Xue-bing1, 2, 3, LI Gai1, 2, 3, CHEN Peng1, 2, 3,WANG Li-min1, 2, 3, WANG Lei1, 2, 3, Zak. Fang4

(1. General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China;2. GRIPM Advanced Materials Co., Ltd. Beijing 101407, China;3. Beijing Hengyuantianqiao Powder Metallurgy Co., Ltd. Beijing 101407, China;4. The University of Utah, USA, Salt Lake City, UT 84112, American)

A new type of hollow camshaft using Fe-Cr-Mo-P-Si-Cu-C as camshaft and 16Mn steel tube as axis was prepared by powder metallurgy combined sintering technology. The density, hardness, friction and wear property, and microstructure of the hollow camshaft were tested and investigated. The sintering mechanism was also explored. The friction and wear property were compared with that of traditional nodular cast iron camshaft. The results show that Fe-Cr-Mo-P-Si-Cu-C metallurgical powder camshaft material can form Fe-C-P ternary liquid during the process of sintering, at the same time Cr and Mo elements dissolves into the liquid phase, resulting in a significant increase of the liquid phase, which can promote the liquid phase sintering, and the shrinkage rate is as high as 19.1%. The sintered density and hardness (HRC) of powder metallurgy camshaft is 7.51 g/cm3and 53.7 on average. The camshaft can firmly combine with the steel spindle by metallurgical interface forming in the sintering process, whose torque is as high as 1 150 N/m, and the connection reliability is better. The wear resistance of metallurgical camshaft is 3 times of that of traditional nodular cast iron under the condition of the same hardness, which fits the requirements of engine to use.

powder metallurgy; hollow camshaft; combined sintering

TF124

A

1673-0224(2015)6-959-06

工信部“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項課題(2012ZX04009011)；科技部國際合作交流項目(2011DFA51840)；國家自然科學(xué)基金專項基金資助項目(51341003)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2013AA031101)

2014-12-03；

2015-04-26

王林山，教授高級工。電話：010-61667637；E-mail: wls@gripm.com