[发明专利]一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法。

背景技术

齿轮是依靠齿的啮合可靠且无噪声地传输转矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件(如另一齿轮、齿条、蜗杆、链条)传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。主要是需要在其表面或表面层具有高强度与耐磨性，比如，齿轮在运行过程中，主动轮与被动轮的齿面之间存在着大量的滚动接触，有时还加有一定量的滑动磨损。除了需要强度外，对于许多齿轮的应用，噪声低也是必须的。噪声的产生基本上决定于齿轮的尺寸公差、形貌及表面粗糙度。齿轮的几何形状或组件的不精确都会显著减低齿轮的使用寿命、降低承载能力及增强噪声的产生。

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。大大减低了传统钢材机加工所导致的质量、性能，尤其是成本方面的劣势。当齿轮含有凹槽、通孔、台阶或者凸台时，粉末冶金工艺更显示出其优越性。

齿轮轮齿损坏机制主要分为以下六类：

1、齿面磨损。又称滚动接触疲劳，是指对于开式齿轮传动或含有不清洁的润滑油的闭式齿轮传动，由于啮合齿面间的相对滑动，使一些较硬的颗粒进入摩擦表面，从而齿的轮廓改变，侧隙加大，以至于齿轮过度减薄导致齿断。

2、齿面胶合。齿面胶合是指对于高速重载的齿轮传动中，因齿面间的摩擦力较大，相对速度大，致使啮合区温度过高，一旦润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，使得两齿轮的金属表面直接接触，从而发生相互粘结。

3、疲劳点蚀。疲劳点蚀是指相互啮合的两轮齿接触时，齿面间的作用力和反作用力使两工作表面上产生接触应力，由于啮合点的位置是变化的，且齿轮做的是周期性的运动，所以接触应力是按脉动循环变化的。齿面长时间在这种交变接触应力下作业，在齿面的刀痕处会出现小的裂纹，随着时间的推移，这种裂纹逐渐在表层横向扩展，裂纹形成环状后，使轮齿的表面产生微小面积的剥落而形成一些疲劳浅坑。

4、轮齿折断。又称齿根疲劳。是指在运行工程中承受载荷的齿轮其根部受到脉冲的周期性应力超过齿轮材料的疲劳期限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，当剩余部分无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质的不均匀也可能引起断齿。

5、齿面塑性变形。齿面塑性变形是指在冲击载荷或重载下，齿面容易产生局部的塑性变形，从而使渐开线齿廓的曲面发生变形。

6、对相接触零件的磨损。是指主动与从动齿轮不匹配时(比如，硬度相差太大、成分太接近等)，会对相配合使用的零件造成磨损或塑性变形，比如，较硬的齿面将较软的齿面上的部分材料沿滑动方向撕下而形成沟纹。

根据失效位置，以上齿轮轮齿损坏模式又可粗略划分为：(1)齿面失效；和(2)齿根失效。由于齿轮的失效绝大多数情况下是始于表面或者亚表面，其表面性能的提升就成了高性能齿轮开发的关键。粉末冶金齿轮若能实现表面致密(Surface Densification)，是应对以上失效模式最有效的手段。

粉末冶金齿轮的一大特点就是有一定的孔隙率。目前，去除孔隙率的方法主要有HIPPING(Hot-Isostatic Pressing，粉末材料的等静压缩，广泛地应用于高速工具钢的生产)或者PF(Powder Forging，粉末锻造，广泛应用于粉锻连杆、粉锻变速箱齿环、和市场占有率不高的粉锻齿轮)。粉末冶金表面致密齿轮(Surface-Densified PM Gears)对于产品密度有具体的要求。对于一个铁基的粉末冶金齿轮来说，轮齿的理论密度(即烧结后孔隙率是零)为7.8-7.9g/cm³，此理论值主要与所添加化学成分有关。一般生产中要求齿表面密度不低于7.5g/cm³(对应于的孔隙率大约为4％)。表面致密层厚度范围为0.1-0.5mm，绝大多数情况下厚度达到0.2mm即可。在远离齿表面的齿轮芯部的密度范围为6.7-7.3g/cm³。由于过大的密度差导致技术上的困难和废品率的升高，芯部的密度不宜远远低于7.3g/cm³。

国内外粉末冶金表面致密齿轮加工工艺：