粉末冶金齿轮设计指南

粉末冶金齿轮设计指南编制：李宏成2014-01-15目录1概述2粉末冶金齿轮工艺流程2.1混料2.2成形2.2.1成形方式2.2.2成形条件2.3烧结2.3.1烧结基本原理2.3.2铜基烧结2.3.3铁基烧结2.3.4高温烧结2.3.5烧结气氛2.4精整2.5热处理2.6蒸汽处理2.7浸油3原料及选用标准3.1原料标准类型3.2材质的选用3.3MPIF，JIS，DIN标准材质对照表4粉末冶金齿轮设计方法及步骤5粉末冶金齿轮的公差6直齿轮、斜齿轮精度等级不同标准对照表7行星齿轮内孔与行星齿轮轴的配合尺寸8粉末冶金齿轮的检测9粉末冶金齿轮的设计原则10粉末冶金产品面取设计实例11粉末冶金产品毛刺的形成机理１概述粉末冶金法制造齿轮是一种高效、精密、灵活的金属加工工艺，适于大批量低成本生产高强度、高精度公差的齿轮。目前，用粉末冶金法制造的齿轮种类有：直齿轮、斜齿轮（螺旋角小于35°）、面齿轮、直齿锥齿轮、螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮。当齿轮含有凹槽、通孔、台阶或者凸台时，这种工艺更显示出其优越性。随着金属粉末材料的不断改进和粉末冶金成形技术与设备的快速发展，用粉末冶金工艺制造的齿轮质量不断提高，齿轮品种也日渐增多。目前，粉末冶金齿轮已被机械制造业，特别是汽车、摩托车、电动工具、小家电行业普遍认同，粉末冶金齿轮制造技术日臻完善，粉末冶金齿轮的市场不断扩大。在传统的制造方法中，齿轮首先通过铸造、锻造和冲压等方式来获得毛坯，然后将这些毛坯通过滚齿、插齿等方法加工而成。为了能在精密和高速运转的情况下使用，齿轮还要经过剃齿和磨齿这些二次加工来完成。按照这些方法来生产齿轮存在如下不足之处：①加工周期长，特别是对难加工的材料更是如此；②材料利用率低；③机加工齿轮齿部会存在不良的刀痕。与传统的齿轮制造工艺相比，粉末冶金齿轮具有一系列的优点，因此在机械制造工业，特别是汽车、摩托车、电动工具、办公机械、家用电器和机床等行业得到了广泛的应用。粉末冶金齿轮的优点：1）适合大批量生产，生产效率高，成本低。2）当齿轮具有不规则曲线、不规则的孔、花键、键槽、径向和轴向上凸台和凹槽等形状以及成形复合齿轮之类的齿轮时，用粉末冶金法制造，不需或只需少量切削加工。3）由于可近终成形成品齿轮，粉末冶金法制造齿轮的材料利用率可高达95%以上。4）粉末冶金齿轮的重复性和尺寸均一性非常好，避免了机加工齿轮过程中，由于切削刀具的磨损、加工装置的刚性差、机床的轴承间隙不同和人为因素所造成的齿轮形状、尺寸和精度的不同。5）粉末冶金可将几个零件一体化制造，生产出多联齿轮或复合齿轮。6）粉末冶金齿轮的密度可控。利用这一点可制造用于特殊场合的多孔性齿轮或将齿轮的不同部分做成不同密度。如齿毂部分具有较低的密度，可浸润滑油以增强自润滑，而齿部具有较高密度，以提高韧性和冲击强度。7）减少或消除了传统切削加工中不可避免的刀痕，改善了粉末冶金齿轮齿面的表面粗糙度。８）与同等质量的机加工齿轮相比，粉末冶金齿轮的多孔性结构的声音阻尼作用可以降低齿轮运转时的噪声。此外，粉末冶金齿轮的表面粗糙度较小和齿形一致性良好，也能使齿轮运转中的整体噪声减小。９）由于材料的密度降低或可根据需要设计齿轮的减重孔（或相近形状），使得粉末冶金齿轮的整体质量减小。粉末冶金齿轮的不足：１）中低产量生产时并不经济。与机加工工艺相比，粉末冶金工艺制造齿轮的最小经济批量取决于零件的大小、复杂程度、精度以及其它性能要求。在很多小批量的场合，粉末冶金齿轮的生产成本可能比传统制造方法的成本高。２）粉末冶金齿轮的尺寸大小受到压机压制能力的限制。３）由于压制和模具上的原因，一般不适宜生产蜗轮、人字形齿轮和螺旋角大于35°的斜齿轮。４）因为模腔深度和压机行程必须是齿轮厚度的2～2.5倍，同时考虑到齿轮高度纵向密度的均匀性，所以齿轮的厚度受到限制。2粉末冶金齿轮工艺流程混料成形烧结浸油浸油浸油热处理蒸汽处理出货精整机加工浸油浸油清洗清洗出货出货浸油浸油出货出货常温成形温压成形铜系烧结高温烧结铁系烧结2.1混料在压制成形前必须对原料进行混合，例如，在生产铁基制品时，根据产品的性能要求，确定出粉末混合料的化学成分。然后，根据此成分配制混合料。混合料中除铁粉、石墨粉以外,为了改善铁粉的压制性、使产品密度分布均匀和使产品最终孔隙互相连通，需加入少量硬脂酸锌(硬脂酸钙、硬脂酸钡效果较差)。在生产中，有时还加入少量的硫，以减小摩檫，改善压坯的密度分布。同时，硫在烧结过程中，生成硫化铁,它是一种良好的固体润滑剂,可提高制品的减摩性能。有时在铁粉中加入少量的机油，使铁粉和石墨粉的混合均匀性得到改善。2.2成形2.2.1成形方式（1）单向压制成形单向压制时，阴模和下模冲不动，由上模冲单向加压。在这种情况下，因摩擦力的作用使制品上下两端密度不均匀。即压坯直径越大或高度越小，压坯的密度差越小，所以要求单向压制的压坯，棒状的H／D≤1；套类的H／δ≤3(H―压坯高度，D―压坯直径；δ―套的壁厚)。单向压制的优点是模具简单，操作方便，生产效率高。缺点是只适于压制高度小或壁厚大的制品。（2）双向压制成形双向压制(图5-4)时，阴模固定不动，上下冲模以大小相等方向相反的压力，同时加压。这种压坯中间密度低，两端密度高而且相等。（3）浮动压制成形下模冲固定不动，阴模用弹簧、气缸、油缸等支撑，受力后可以浮动。当上模冲加压时，由于侧压力而使粉末与阴模壁之间产生摩擦力Fs。此时，Fs阻止粉末向下移动，与上模冲压力Ps方向相反．当Fs大于浮动压力Pf时，弹簧压缩，阴模与下冲模产生相对运动，等于下冲头反向压制。此时，上模冲与阴模没有相对运动，Fs的方向朝下。当阴模下降，压坯下部进一步压缩时，在压坯外径处产生阻止阴模下降的摩擦力FX。当Fx＝Fs时，阴模浮动停止。上模冲又单向加压，与阴模产生相对运动，如此循环，直到上模冲不再增加压力时为止。此时，FS＝Fx,PS＝PX。低密度带在压坯的中部，其密度分布与双向压制相同。浮动压制是国内外最常用的一种形式。其优点是：(1)压坯密度分布和双向压制一样；(2)压机下部有较小的浮动压力和脱模压力即可；(3)装料方便，可用料腔由零开始的零腔装料法装料。2.2.2成形条件（1）常温成形常温成形压制出来的生胚密度在5.8-7.0g/cm3之间。金属粉末通常是在单位压力275～690Mpa下压制。压坯密度与成形压力的关系第I阶段：粉末颗粒主要发生位移，填充孔隙，压坯的密度增加很快（a曲线部分）。第II阶段：压坯经第I阶段压制后，密度已达一定值，这时粉体出现了一定的压缩阻力，在此阶段内压力虽然继续增加，但是压坯密度增加很小（b曲线部分）。这是因为此时粉末颗粒间的位移已大大减小，而其大量的变形尚未开始。第III阶段：当压力超过一定值后，压坯密度又随压力增加而继续增大（c曲线部分），随后又逐渐平缓下来。这是因为压力超过粉末颗粒的临界应力时，粉末颗粒开始变形，而使压坯密度继续增大。但是当压力增加到一定的程度，粉末颗粒剧烈变形造成的加工硬化，使粉末进一步变形发生困难，所以压坯密度又逐渐平缓下来。（2）温压成形温压成形需加热模具、原料到100~150℃下成形，压制出来的生胚密度在7.0-7.35g/cm3之间。生坯密度越高，烧结体的强度和硬度也越高，烧结收缩率小，尺寸稳定，变形小。一般来说粉末冶金产品的机械性能随生胚的密度提高而提高。温压模具与普通模具相比寿命要短些，因为成形本身密度高模具承受的径向涨力、压制、脱模的摩擦力要大，因此模具损耗要大些。成形需要用到的设备有：①成形机台②模具成形过程中需监控的项目有：轴向尺寸（即全长，段长）；密度等。成形机台吨位越大，所能成形的产品也越大。成形模具组合下冲芯棒上冲中模成形模具组合上冲中模下冲芯棒成形三步曲1.充填2.压制3.脱模充填状态将粉末充填在模腔中压制状态上冲进入中模将粉末压制成生胚脱模状态上冲复位，中模下移，生胚脱出模腔半自动收料装置成形生胚暂置台车2.3烧结2.3.1烧结基本原理烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一。烧结对最终产品的性能起着决定性作用，因为由烧结造成的废品是无法通过以后的工序挽救的；相反，烧结前的工序中的某些缺陷，在一定的范围内可以通过烧结工艺的调整，例如适当改变温度，调节升降温时间与速度等而加以纠正。烧结是粉末或粉末压坯，加热到低于其中基本成分的熔点温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加。在烧结过程中发生一系列物理和化学的变化，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得具有所需物理，机械性能的制品或材料。烧结时，除了粉末颗粒联结外，还可能发生致密化，合金化，热处理，联接等作用。人们一般还把金属粉末烧结过程分类为：1、单相粉末（纯金属、古熔体或金属化合物）烧结；2、多相粉末（金属—金属或金属—非金属）固相烧结；3、多相粉末液相烧结；4、熔浸。2.3.2铜基烧结主要烧结Cu基产品，烧结温度一般为890°C，烧结时间，从产品入炉到烧结结束大概2.5-3小时之间。2.3.3铁基烧结主要烧结Fe基产品，烧结温度一般为1120°C，烧结时间，从产品入炉到烧结结束大概3.5-4小时之间。T烧＝（0.7～0.8）T熔式中T烧－－制品烧结温度，T熔－－制品中主成份的熔点2.3.4高温烧结主要烧结不锈钢产品及一些高性能的Fe基产品，烧结温度一般为1250°C，烧结时间从产品入炉到烧结结束大概10小时左右。2.3.5烧结气氛烧结气氛是烧结制品时必不可少的条件之一，对烧结制品的组织和性能均有很大影响。烧结铁基制品时，希望不发生氧化、脱碳、渗碳等反应，并可使铁粉颗粒表面的氧化物得到还原，因此烧结气氛应具有还原性。还原性气氛主要有：氢、分解氨、发生炉煤气和碳氢化合物转化气等。①分解氨烧结气氛，分解氨是由液氨气化在催化剂作用下加热，分解得到的含氢气75%，氮气25%的混合气。其化学反应为2NH3→3H2+N2-22千卡液氨分解工艺流程为：液氨瓶分解炉冷却器净化系统氨分解气②碳氢化合物烧结气氛：是一种相对便宜的烧结气氛，可在特殊发生器中，使用催化剂，通过不完全燃烧燃料瓦斯气与空气的混合气而产生。通常的燃气是甲烷（CH4),炳烷（C3H8）或天然气，燃烧产品含有：H2，H2O，CO，CO2，N2或CH4。烧结过程需用到的设备有：烧结炉、网盘。烧结过程需监控的项目有：径向尺寸；硬度等。减压气化烧结网盘成形生胚烧结产品入炉烧结产品出炉烧结产品装箱烧结产品准备入炉2.4精整粉末压坯经烧结后，表面比较光滑，已有一定尺寸精度，但有时仍然达不到所要求的尺寸和形状精度，因此，还必须进行精整或复压，通过精整可得到高尺寸精度，可补尝烧结中出现的挠曲或其他尺寸缺陷。一般密度可提高0-5%。精整适用于一些齿形精度较高或尺寸精度较高但不需要机加工的产品。此工艺受产品结构的影响较大，同时产品后处理工艺一般不建议进行热处理。产品一般是含油轴承，连杆，高精度直齿轮。精整设备包括：加工机，精整模具。精整过程需监控的项目有：轴向尺寸，径向尺寸等。上冲中模下冲芯棒精整模具组合产品上冲中模产品产品精整2.5热处理•热处理是显著提高铁基粉末冶金零件材料力学性能的工艺手段之一，能提高粉末冶金烧结钢的强度、硬度和耐磨性，适用于综合机械性能要求较高的产品，一般是承受较大载荷的齿轮及一些耐磨性较高的产品，硬度一般可以达到HRC25以上（HV0.2450以上）。•表面处理有助于提高结构件的耐磨性，提高机械性能，特别是提高疲劳强度。粉末冶金件常用的表面处理有渗碳和碳氮共渗两种，一般用于那些承受频繁循环负载和表面黏着磨损的零件，这些零件需要表面硬度高和心部具有韧性、延展性相结合，大多数高负载的齿轮都需要进行表面处理。渗碳和碳氮共渗处理可用于高密度、含碳量低于0.5%的烧结件，孔隙度高于10%的烧结件不宜进行这些处理，因为大量连通孔隙会使碳迅速渗透零件，增加了零件的脆性。•热处理工艺---淬火+回火：①奥氏体化：在非脱碳气氛中，部件加热到高于A3（相界线GS）50℃的温度并保持在这一温度下。②淬火：由奥氏体化温度，或