浅析高强度铁基粉末冶金的双联齿轮问题

摘 要：随着我国汽车工业特别是轿车工业的蓬勃发展，给粉末冶金铁基制品带来了前所未有的发展机遇。汽车制造业中使用的铁基粉末冶金零件日益增多，而粉末冶金齿轮在整个粉末冶金结构件中处于飞速发展的地位，扩大粉末冶金汽车零件应用的有效途径是开发研制中高强度的铁基粉末冶金结构零件。

关键词：双联齿轮；粉末冶金；模具

双联齿轮就是两个齿轮连成一体，这种双联齿轮在轮系中（变速器）被称为滑移齿轮，它的作用就是改变输出轴的转速或速度。齿轮箱里，有滑移齿轮就可以有多种转速或速度，没有滑移齿轮就只有一种转速或速度。对于高强度铁基粉末冶金的双联齿轮应用更是广泛。下面我们就来探讨一下它的设计和开发问题。

一、产品分析

随着粉末冶金技术的迅速发展，使得制造高性能低成本的齿轮制品成为可能。可见采用高性能粉末冶金材料能满足齿轮的弯曲疲劳强度与接触疲劳强度的要求。双联齿轮产品见下图1。根据双联齿轮的使用情况分析其失效模式，其主要失效形式是轮齿折断和齿面磨损。解决此问题的主要措施是采用粉末冶金材料或合金钢热处理及表面处理技术，进行齿轮强度校核，分别计算齿轮的弯曲应力与接触应力，并确定高性能粉末冶金材料齿轮的许用弯曲应力与接触应力。

二、工艺设计

产品的开发工艺为：混料——压制——烧结——浸——机加工——热处理——机加工——油浸。根据工况分析此产品必须具有高强度与良好的耐磨性。

1）材料设计：根据产品的使用情况选用具有高强度的铁基粉末冶金材料Fe-1.3Cu-0.8C-1.7Ni-0.5Mo。因本产品要进行切削加工，考虑对加工刀具的磨损，加入质量分数为0.35%的MnS。铜与铁的湿润性很好有利于提高材料的密度和强度；镍主要提高材料的强度与硬度，并明显改善其冲击韧性，镍铜同时进行合金化以稳定烧结品尺寸；钼主要是提高材料的强度与淬透性，有效地减少回火脆性；硫化锰主要提高烧结品的切削加工性能。原料粉末混合后要具有良好的流动性和压制性能，以保证具有复杂结构的齿轮制品在成形时的密度分布均匀。

2）压制与烧结：采用60t的全自动成形压机进行产品的压制，必须保证压制品的密度分布均匀且分割密度小于0.1g/cm3。烧结工艺：在有快速脱脂装置的网带式烧结炉中1120度的温度，90%氮和10%氢的气氛下烧结25分钟，烧结时严格控制烧结气氛的碳势，以免脱碳影响齿轮的烧结性能。

3）表面热处理：网带炉进行渗碳热处理。具体工艺为：860度下在碳势0.8%的保护气体中奥氏体化30～60分钟，10#油中淬火至80度，冷却到室温后再在100～200度下回火1小时，以减小淬火应力、降低脆性并保持高强度。

4）后续机加工：一次机加工是根据产品图对双联齿轮的烧结体进行机加工，二次机加工主要是在热处理后加工其柱面外圆保证其装配精度。

三、成型模具设计

根据不等高粉末冶金制品模具以及齿轮模具的设计原理，结合所研制产品的结构特征采用“上二下三”模具成形方案，成形结构示意图如图2所示，压制成形状态图如图3所示。“上二下三”模具成形方案，采用两个上模冲与三个下模冲成形。

此成形方案有如下特点：

1）产品的成形性：此方案更有利于压制时粉末的移动送粉，从而获得密度分布较均匀的压制品，使大小齿轮部位具有很高的结合强度。

2）产品的机加工：此方案凹槽直接成形，大齿轮端面凸起部位便于机加工。

3）模具的结构：此方案模具结构复杂，三个下模冲成形加大了模具的磨损，影响其使用寿命以及压制品的精度。通过上述成形方案的分析可知，为了得到密度分布均匀且合理的产品和便于机加工并降低成本，可采用先进的全自动粉末冶金压机来保证具有复杂结构的制品压坯的成形。所研制的粉末冶金齿轮的精度主要由粉末冶金模具保证。粉末冶金模具的服役条件非常苛刻，阴模受到摩擦与交变拉应力作用，失效形式是磨损。模冲不仅受到摩擦作用，还承受冲击和传递很大的压应力，因此失效形式主要是崩裂、剧烈磨损以及断裂。复杂的模具结构决定必须选择较好的模具材料以满足其韧性和耐磨性要求。成形阴模采用硬质合金YG8，成形上下模冲采用进口的高速钢SKH9。

四、研制结果

齿轮材料的金相组织是：烧结态组织主要由片状珠光体、残余奥氏体、铁素体和孔隙组成；热处理态组织主要由回火马氏体和残余奥氏体组成。对此成形方案的烧结品、热处理品分别进行齿轮抗压强度测试和尺寸检验。齿轮强度测试在万能材料试验机上进行齿轮抗压试验，要求齿轮与压块以线接触形式在齿面上均匀接触，齿轮A与齿轮B分别跨14与2齿测试齿轮抗压强度。所研制的铁基粉末冶金双联齿轮装机进行. 万次负载耐久试验，齿轮齿部无明显的凹陷、擦伤和点蚀，满足使用要求。

五、结语

1）通过产品分析、材料成分设计、制备工艺确定以及成形模具设计，详述了高性能铁基粉末冶金汽车双联齿轮制品的研制过程，装机试验表明成功开发应用于汽车上铁基粉末冶金双联齿轮。

2）产品研制过程中采用自主开发的高性能低成本的铁基粉末冶金材料Fe-1.3Cu-0.8C-1.7Ni-0.5Mo-0.35MnS，产品性能测试、尺寸检测以及装机试验结果表明，所研制的齿轮达到使用要求，尺寸的稳定性可满足批量生产的需要。

参考文献

[1] 朱孝录主编.齿轮传动设计手册[M]. 化学工业出版社， 2005

[2] 上海市新材料协会粉末冶金分会，上海汽车股份有限公司粉末冶金厂编，张华诚主编.粉末冶金实用工艺学[M]. 冶金工业出版社， 2004

[3] 吴成义，张丽英编著.粉体成形力学原理[M]. 冶金工业出版社， 2003

[4] 郭庚辰主编.液相烧结粉末冶金材料[M]. 化学工业出版社， 2003

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