專利名稱：用于制造具有致密化表面的燒結金屬零件的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于制造燒結金屬零件的方法。更具體地，本發明涉及一種用于制造具有致密化表面的燒結金屬零件的方法。
背景技術：
在粉末金屬零件的應用中，將來會增長的一個領域是汽車工業。在該領域中讓人特別關心的是需要在要求更高的應用—例如動力傳遞應用—中使用粉末金屬零件如齒輪。由粉末金屬工藝形成的齒輪所存在的問題是，粉末金屬齒輪在齒輪的齒根區域中的彎曲疲勞強度會降低，而且與由棒材通過機加工或鑄造形成的齒輪相比，齒面的接觸疲勞強度降低。可以通過通常稱作表面致密化的工藝對齒根表面和齒面區域進行塑性變形來減少或甚至消除這些問題。例如，在美國專利No.5711187和No.6171546中說明了具有致密化表面的產品。
根據US5711187，通過壓制并且燒結的粉末金屬坯件來形成齒輪，坯件的表面通過軋制而硬化。根據教導，在高達1350℃的高燒結溫度下，即在高燒結溫度下進行燒結。沒有公開有關用于燒結的確切溫度的具體例子，但是通常術語“高燒結溫度”是指在約1250℃的溫度下進行燒結。除了高能量消耗外，高燒結溫度將對燒結零件的尺寸公差產生消極影響，這可能導致軋制件的公差問題。
US6171546也公開了—種用于獲得致密化表面的方法。根據該專利，通過對鐵基粉末的生坯進行軋制或優選地進行噴丸硬化處理來實現表面致密化。從該專利可以得出，如果在最終的致密化和燒結操作之前進行預燒步驟，則可以獲得最有利的結果。根據該專利，可以在1120℃的溫度下即在常規燒結溫度下進行燒結，但是因為建議采用兩個燒結步驟，所以能量消耗將相當大。
因此，一種要求在用于制備齒輪及類似產品的生坯和燒坯之間具有最小尺寸變化的簡便并節省成本的方法將是具有吸引力的，本發明的主要目的就是提供這種方法。本發明的另一方面是可以實現低能量消耗以及相應的低能量成本。
發明內容
簡言之，已經發現通過采用包括如下步驟的方法可以制造出具有致密化表面的產品借助高速壓制技術將鐵或鐵基粉末壓制成密度為7.2g/cm3以上、低溫燒結所形成的零件、并且隨后對該零件進行表面致密化處理。
粉末類型可以作為用于壓制工藝的原始材料的適當的金屬粉末是由金屬如鐵制備的粉末。可以將合金元素如碳、鉻、錳、鉬、銅、鎳、磷、硫等作為預合金或擴散合金的顆粒加入，以便改變最終的燒結產品的特性。鐵基粉末可以選自基本為純鐵的粉末、預合金鐵基顆粒、擴散合金鐵基鐵顆粒以及鐵顆粒或鐵基顆粒與合金元素的混合物。由于預合金鐵基粉末的高淬透性，所以該粉末最優選。
壓制和燒結根據本發明，采用高速壓制即HVC以獲得具有所希望的高密度和小尺寸公差的產品。用于HVC壓制的設備的例子是公開于美國專利No.6207757的計算機控制的沖擊機，該專利文獻引用在此作為參考。具體地，這種沖擊機的沖頭可以用于沖擊包括粉末的模具的上凸模，該粉末位于具有與最終的壓制元件所希望的形狀相對應的形狀的腔中。當增設用于保持模具—例如通常使用的模具一的系統和用于裝填粉末的裝置(也可以具有常規類型)時，這種沖擊機允許采用工業上適用的方法來制造高密度壓坯。優選地，采用高于2m/s的沖擊速度以達到高于7.2g/cm3的密度。
本發明的燒結采用低溫燒結，即在低于1200℃，優選地低于1160℃，更優選地在1120℃和1160℃之間進行燒結。可以采用任何常規的燒結爐，并且燒結時間可以在約15分鐘至60分鐘之間變化。燒結爐的氣氛可以是吸熱氣體氣氛、氫和氮的混合物或真空。
由此，該發明方法為實現上述優點所具有的重要特征是，壓制零件的密度為至少約7.2g/cm3，并且可以在低溫下進行燒結。
先前已知的使燒結零件具有高密度的方法是高溫燒結或者兩次壓制并且兩次燒結。
與高溫燒結所需要的能量消耗相比，能夠采用低燒結溫度將降低能量消耗。此外，與高溫燒結后(零件)的尺寸散布相比，低溫燒結—例如在1120℃-1160℃的溫度范圍內燒結—后的零件的尺寸散布顯著變小。為獲得高質量的表面致密化零件，燒結坯料具有小尺寸公差是必要的。
與包括雙壓制及雙燒結的方法相比，本發明的方法具有這樣的優點，即減少了一個壓制步驟和一個燒結步驟。
此外，通過采用HVC技術來實現較高的生坯密度，不但可以提高最終的燒結零件的機械性能，而且可以增加表面致密化深度。
表面致密化可以通過徑向或軸向軋制、噴丸硬化處理及精壓等進行表面致密化。一種優選的方法是徑向軋制，原因是這種方法提供了較短的作業周期時間和較大的致密化深度。通過本發明的方法，可以在柱狀零件上獲得高達1.5mm、2mm和3mm或者甚至更高的有利的致密化深度。對于更復雜的零件例如齒輪，所形成的致密化深度為至少0.3mm，優選地為至少0.5mm。隨著致密化深度的增加，粉末金屬零件將獲得更好的機械性能。
圖1是示出燒結密度和表面致密化深度的關系的圖表；圖2a是常規的經過壓制和表面致密化的樣品的顯微照片；圖2b是經過高速壓制和表面致密化的樣品的顯微照片；圖3是示出生坯和燒坯之間的尺寸變化的標準偏差的圖表。
具體實施例方式
通過下文非限定示例進一步說明本發明。
示例1由包含具有0.3％的石墨添加劑的預合金粉末Astaloy Mo以及酰胺基蠟(amide wax)潤滑劑的粉末冶金組合物壓制出柱狀體。為獲得密度高于7.2g/cm3的生坯，采用高速壓制；為使密度最大為7.2g/cm3，采用常規的單軸壓制。柱狀體在90％的氮和10％的氫的氣氛中在1120℃下燒結30分鐘。通過徑向軋制進行表面致密化，在軋制過程中直徑減少0.3mm。采用圖像分析評估致密化深度，并且致密化深度定義為從表面到密度已經降低到98％理論密度的位置的最短距離。
可以從圖1中看到坯料的燒結密度和致密化零件所獲得的致密化深度之間的關系。
示例2在圖2中示出了經過壓制、燒結及表面致密化的柱狀體的顯微照片。圖2a中的柱狀體通過常規方式壓制達到7.0g/cm3的密度并且所獲得的致密化深度為1mm，而示于圖2b中的柱狀體通過高速壓制達到7.5g/cm3的密度并且所獲得的致密化深度為2mm。
示例3高速壓制的柱狀體在90/10N2/H2的氣氛中在1120℃下燒結30分鐘，然后在二輥式輥光機中通過軋制進行表面致密化。在軋制過程中直徑減少0.3mm。在輕型光學顯微鏡中檢查軋制柱狀體的經過拋光的橫截面，并且采用圖像分析評估致密化深度。表1中示出軋制柱狀體獲得的致密化深度。
表1
示例4采用兩種不同的制造方法壓制并且燒結具有表2所示的齒輪參數的齒輪1)高速壓制到生坯密度為7.2，在1120℃下燒結30分鐘；2)單軸壓制到生坯密度為7.1，在1300℃下燒結120分鐘。
表2
由方法1制造的齒輪達到7.27的燒結密度，由方法2制造的齒輪達到7.36的燒結密度。
對由各制造方法制成的20個齒輪從生坯到燒結狀態的尺寸變化進行測量。四種不同尺寸的尺寸變化的標準偏差示于圖3中。
權利要求
1.用于制造具有致密化表面的粉末金屬零件的方法，包括如下步驟通過高速壓制技術將鐵或鐵基粉末壓制成密度高于7.2g/cm3；燒結壓制成的零件；對所述零件進行表面致密化處理。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在低溫下進行燒結。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過軋制進行表面致密化。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于，將所述零件壓制成密度為至少7.3g/cm3，優選為至少7.4g/cm3。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，在低于1160℃的溫度下燒結所述零件。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，在1120℃和1150℃之間的溫度下燒結所壓制的零件。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的方法，其特征在于，燒結所壓制的零件15至60分鐘。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在于，在吸熱氣體氣氛、氫和氮的混合物或真空中對所壓制的零件進行燒結。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的方法，其特征在于，將表面致密化零件致密化到至少0.3mm的深度，優選為至少0.5mm的深度。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的方法，其特征在于，所制造的粉末金屬零件是齒輪、軸承、滾輪、鏈輪等。
全文摘要
本發明涉及一種用于制造具有致密化表面的粉末金屬零件的方法。該方法包括如下步驟通過高速壓制技術將鐵基粉末壓制成密度高于7.2g/cm
文檔編號C22C33/02GK1856379SQ200480027221
公開日2006年11月1日 申請日期2004年10月15日 優先權日2003年10月17日
發明者L·弗爾頓, S·本特松 申請人:霍加納斯股份有限公司