高強(qiáng)度粉末冶金錐齒輪加工方法探討

余錫泉，羅建勤，姚 杰

（金華新天齒輪有限公司，浙江 金華 321200）

粉末冶金錐齒輪在電動(dòng)工具的運(yùn)用越來越廣泛，由于其適合大批量的生產(chǎn)特性，與鋼件錐齒輪相比，成本方面具有一定的優(yōu)勢，但由于其密度無法達(dá)到鋼材的密度，因此在強(qiáng)度方面存在先天的不足。當(dāng)前行業(yè)大環(huán)境的不景氣，中低端市場競爭極其激烈，如何進(jìn)一步提高粉末冶金錐齒輪強(qiáng)度，并兼顧成本，是粉末冶金錐齒輪發(fā)展必經(jīng)之路。

本文希望通過對(duì)粉末冶金錐齒輪的制造工藝進(jìn)行探討，為高強(qiáng)度粉末冶金錐齒輪制造提供方法指導(dǎo)。

1 高強(qiáng)度制造工藝

1.1 材料的選擇

粉末冶金鐵基原料中會(huì)添加相應(yīng)的合金元素來改良錐齒輪的強(qiáng)度。合金元素NIi的含量在一定范圍內(nèi)增加，產(chǎn)品的機(jī)械性能可以相應(yīng)得到提升。元素C的含量變化對(duì)產(chǎn)品硬度影響非常顯著，粉末冶金錐齒輪需要在高抗沖擊（高韌性）和劇烈摩擦（高耐磨性）環(huán)境下工作，因此可采用低C含量原料。最終具體選用需要根據(jù)錐齒輪使用環(huán)境來確定（例如：功率、轉(zhuǎn)速、扭矩，是否有強(qiáng)沖擊等）。

（1）原料配方選用。粉末冶金鐵基原料中會(huì)添加相應(yīng)的合金元素來改良錐齒輪的強(qiáng)度?；瘜W(xué)成分一欄中合金元素NI的含量在一定范圍內(nèi)增加，產(chǎn)品的機(jī)械性能可以相應(yīng)得到提升。元素C的含量變化對(duì)產(chǎn)品硬度影響非常顯著，粉末冶金錐齒輪需要在高抗沖擊（高韌性）和劇烈摩擦（高耐磨性）環(huán)境下工作，因此可采用低C含量原料。

（2）原料制作工藝。由于粉末冶金原料制作工藝有很多種，不同的工藝制作出來的原料成分均勻性有差異。從圖1，可以分析出普通簡單混粉和預(yù)合金在成分偏析上會(huì)有很大差異。因此在高強(qiáng)度錐齒輪上應(yīng)避免采用簡單混粉工藝制作原料。選擇擴(kuò)散預(yù)合金和混合型會(huì)更合理。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

錐齒輪產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較特別（見圖1），端面帶齒形，且有錐度，產(chǎn)品齒頂和齒底形成巨大的高度差。再因粉末冶金工藝在壓制過程粉末基本沒有橫向移動(dòng)，所以錐齒輪產(chǎn)品齒部很難達(dá)到較高的密度。

如圖2所示為改善前的結(jié)構(gòu)，齒頂與齒根側(cè)面展開形成很大高度差，齒頂部密度會(huì)明顯疏松，齒底部密度反而很密實(shí)。因此產(chǎn)品工作部位齒部性能會(huì)很薄弱。如圖3所示為改善后的結(jié)構(gòu)，齒頂與齒根側(cè)面展開后高度差基本相同，因此密度差基本消失。產(chǎn)品齒部密度很密實(shí)。因此改良后的結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的錐齒輪工作部位齒部強(qiáng)度會(huì)非常高。

1.3 加工工藝優(yōu)化

（1）溫壓。綜上所述合理選用原料后，再通過改善錐齒輪結(jié)構(gòu)，使錐齒輪性能達(dá)到較高指標(biāo)。在常規(guī)壓制工藝基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高錐齒輪性能。可利用溫壓工藝再次將密度提高。從而實(shí)現(xiàn)更高強(qiáng)度的錐齒輪。如圖1中FD-0504C的材料，密度從6.9到7.1至7.4所對(duì)應(yīng)的各機(jī)械性能均有大幅度改良。常規(guī)壓制工藝一般密度在7.1以下，溫壓工藝可將密度提高至7.2以上。因此溫壓工藝是提高錐齒輪強(qiáng)度一條很好的途徑。

（2）燒結(jié)工藝。通常工藝粉末冶金正常燒結(jié)工藝：溫度1120℃、時(shí)間30min，在90%N2+10%H2保護(hù)氣氛條件下燒結(jié)。即可滿足一般錐齒輪強(qiáng)度要求。通過提高燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間能更好提高錐齒輪強(qiáng)度。分別對(duì)1090/1120/1150℃三種溫度，燒結(jié)后產(chǎn)品性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果是產(chǎn)品燒結(jié)質(zhì)量隨燒結(jié)溫度增加而提高。分別對(duì)15/30/45min三種時(shí)間，燒結(jié)后產(chǎn)品性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果是產(chǎn)品燒結(jié)質(zhì)量隨燒結(jié)時(shí)間增加而提高。但是隨著燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間的增加，燒結(jié)的產(chǎn)品變形也會(huì)隨之變大。所以實(shí)際燒結(jié)工藝需要根據(jù)錐齒輪不同用途，設(shè)計(jì)適用該錐齒輪的合理工藝參數(shù)。

（3）熱處理工藝。熱處理目的是提高錐齒輪硬度、耐磨性和強(qiáng)度等力學(xué)性能，因此根據(jù)粉末冶金錐齒輪使用要求，需要選擇合理的熱處理工藝。錐齒輪不但需要承載高響度沖擊，而且表面需很好的耐磨性，還要保證錐齒輪高精度。因此采用表面滲碳熱處理工藝最為合適。為了使錐齒輪心部能保持一定的強(qiáng)度和較高的韌性和塑性，表面滲碳熱處理的滲層必須要有嚴(yán)格規(guī)定，可根據(jù)錐齒輪模數(shù)的0.25～0.4系數(shù)來制定；防止錐齒輪磨損疲勞失效，表面硬度合理范圍在650HV0.1～820HV0.1比較合理；為解決大小錐齒輪壽命匹配問題，大輪表面硬度應(yīng)較小輪硬度低50HV0.1左右。

圖1 錐齒輪

圖2 改善前結(jié)構(gòu)

圖3 改善后結(jié)構(gòu)

2 結(jié)論

綜上所述，影響粉末冶金錐齒輪強(qiáng)度的因素包括材料、結(jié)構(gòu)、加工工藝等等，通過對(duì)上述因素的優(yōu)化選擇與運(yùn)用，可以制造出滿足高強(qiáng)度要求的粉末冶金錐齒輪，為在電動(dòng)工具錐齒輪市場中的運(yùn)用提供了很好的方法指導(dǎo)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]中國機(jī)械通用零部件工業(yè)協(xié)會(huì)粉末冶金專業(yè)協(xié)會(huì).國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5755：燒結(jié)金屬材料規(guī)范[S].2000年（E）.

[2]粉末冶金新工藝新技術(shù)與模具創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M].中國知識(shí)出版社.

[3]Hoganas AB.何格納斯生產(chǎn)的粉末冶金用的純鐵粉與合金鐵粉[R]2004.