高強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工具的運用越來越廣泛，由于其適合大批量的生產特性，與鋼件錐齒輪相比，成本方面具有一定的優勢，但由于其密度無法達到鋼材的密度，因此在強度方面存在先天的不足。當前行業大環境的不景氣，中低端市場競爭極其激烈，如何進一步提高粉末冶金錐齒輪強度，并兼顧成本，是粉末冶金錐齒輪發展必經之路。

本文希望通過對粉末冶金錐齒輪的制造工藝進行探討，為高強度粉末冶金錐齒輪制造提供方法指導。

1 高強度制造工藝

1.1 材料的選擇

粉末冶金鐵基原料中會添加相應的合金元素來改良錐齒輪的強度。合金元素NIi的含量在一定范圍內增加，產品的機械性能可以相應得到提升。元素C的含量變化對產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錐齒輪使用環境來確定（例如：功率、轉速、扭矩，是否有強沖擊等）。

（1）原料配方選用。粉末冶金鐵基原料中會添加相應的合金元素來改良錐齒輪的強度。化學成分一欄中合金元素NI的含量在一定范圍內增加，產品的機械性能可以相應得到提升。元素C的含量變化對產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合金在成分偏析上會有很大差異。因此在高強度錐齒輪上應避免采用簡單混粉工藝制作原料。選擇擴散預合金和混合型會更合理。

1.2 結構設計優化

錐齒輪產品結構較特別（見圖1），端面帶齒形，且有錐度，產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，所以錐齒輪產品齒部很難達到較高的密度。

如圖2所示為改善前的結構，齒頂與齒根側面展開形成很大高度差，齒頂部密度會明顯疏松，齒底部密度反而很密實。因此產品工作部位齒部性能會很薄弱。如圖3所示為改善后的結構，齒頂與齒根側面展開后高度差基本相同，因此密度差基本消失。產品齒部密度很密實。因此改良后的結構生產的錐齒輪工作部位齒部強度會非常高。

1.3 加工工藝優化

（1）溫壓。綜上所述合理選用原料后，再通過改善錐齒輪結構，使錐齒輪性能達到較高指標。在常規壓制工藝基礎上，為進一步提高錐齒輪性能。可利用溫壓工藝再次將密度提高。從而實現更高強度的錐齒輪。如圖1中FD-0504C的材料，密度從6.9到7.1至7.4所對應的各機械性能均有大幅度改良。常規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度一條很好的途徑。

（2）燒結工藝。通常工藝粉末冶金正常燒結工藝：溫度1120℃、時間30min，在90%N2+10%H2保護氣氛條件下燒結。即可滿足一般錐齒輪強度要求。通過提高燒結溫度和燒結時間能更好提高錐齒輪強度。分別對1090/1120/1150℃三種溫度，燒結后產品性能進行對比，結果是產品燒結質量隨燒結溫度增加而提高。分別對15/30/45min三種時間，燒結后產品性能進行對比，結果是產品燒結質量隨燒結時間增加而提高。但是隨著燒結溫度和燒結時間的增加，燒結的產品變形也會隨之變大。所以實際燒結工藝需要根據錐齒輪不同用途，設計適用該錐齒輪的合理工藝參數。

（3）熱處理工藝。熱處理目的是提高錐齒輪硬度、耐磨性和強度等力學性能，因此根據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格規定，可根據錐齒輪模數的0.25～0.4系數來制定；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，大輪表面硬度應較小輪硬度低50HV0.1左右。

圖1 錐齒輪

圖2 改善前結構

圖3 改善后結構

2 結論

綜上所述，影響粉末冶金錐齒輪強度的因素包括材料、結構、加工工藝等等，通過對上述因素的優化選擇與運用，可以制造出滿足高強度要求的粉末冶金錐齒輪，為在電動工具錐齒輪市場中的運用提供了很好的方法指導，具有很強的現實意義。

[1]中國機械通用零部件工業協會粉末冶金專業協會.國際標準ISO5755：燒結金屬材料規范[S].2000年（E）.

[2]粉末冶金新工藝新技術與模具創新設計實用手冊[M].中國知識出版社.

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