粉末冶金齿轮生产及应用前景

蓝色忧伤

齿轮传动是现代机械产品中应用最广的一种机械传动。这是因为它能保证恒定的传动比． 具有传动功率范围大、效率高、寿命长等优点。不足之处是齿轮的生产成本高、制造与安装精度高。而用粉末冶金工艺制造的齿轮恰恰可大幅度地降低生产成本． 保证齿轮的形位与尺寸公差的一致性。与用硬模铸造、灰铸铁件、锻轧材料、锻件等机械加工、冲压、挤压、精密铸造等制造的齿轮相比．粉末冶金齿轮有一系列的优点。但同时，由于各种制造因素上的考虑．粉末冶金齿轮的应用受到一些限制。
当前． 用粉末冶金法可经济制造的齿轮主要种类有：正齿轮(外齿轮与内齿轮)、直齿伞齿轮、螺旋伞齿轮、棘轮型齿轮、偏轴伞齿轮、斜齿轮、齿轮组件、链轮。
' [" v9 V  G/ x4 C+ ^1、粉末冶金概况
20世纪90年代以来， 我国粉末冶金制品行业对外引进关键制造技术及硬件设备，进行大规模技术改造．为粉末冶金发展打下了良好基础。
目前在全国粉末冶金零件生产企业中．规模和产销量列前的有宁波金鸡粉末；台金集团公司、扬州保来得工业有限公司、重庆华孚工业公司、上海汽车股份有限公司粉末冶金厂、江苏海安鹰球集团等数十家专业粉末冶金企业。
4 D3 x; C* a  x8 _2 Q2、粉末冶金齿轮特点
; r" N: a- `; Q& b5 g# ^( U0 e虽然粉末冶金齿轮在整个粉末冶金零件中难以单独统计， 但无论是按质量还是按零件数量． 粉末冶金齿轮在汽车、摩托车中所占的比例都远远大于其他领域中的粉末冶金零件：因此． 从汽车、摩托车零件在整个粉末冶金零件中所占比例的上升． 可以看出． 粉末冶金齿轮在整个粉末冶金金零件中处于飞速发展的地位。如果按零件特点来分．齿轮属于结构类零件． 而结构类零件在整个铁基零件中所占的绝对质量也远远大于其他几类。
1 S- `: h1 K5 ~6 y4 k2 y粉末冶金齿轮的品种和产量在日益增加， 它们的应用范围日益广泛。这是由于：
1)当齿轮具有不规则曲线、偏心、径向突出部或凹窝：当齿轮具有不规则孔、键槽、扁平侧面、花键、方孔、锥孔；当齿轮在轴向具有突出部、沟槽、盲孔及不同深度的凹窝等时． 粉末冶金法均易于制造， 不需或只需少量机械加工。一般粉末冶金齿轮用粉末冶金法制造时， 只需要五道工序． 即成形一烧结一热处理一回火一浸油。用铸锻材料机械加工制造时．需经车外圆一车内圆一两端面一粗铣凹槽一拉键槽一滚齿一去毛刺一热处理一回火等十道工序。因此，采用粉末冶金法制造时． 由于省工、省料、生产效率高、使用的设备少、节能．齿轮的生产成本显著减低。
. p/ [2 n6 l) c9 y/ ^0 B0 x! Z2)用粉末冶金法制造齿轮时．材料利用率可达95％以上。这是因为：
3 m7 W, q' [! na．可直接成形为成品零件的形状：
b．烧结前的任何压坯废品． 都可重新粉碎和加以利用。这在用其它加工方法制造齿轮时是不可能的。
: l5 e' z0 T- `+ M5 @: Z5 j7 [3)粉末冶金齿轮的重复性非常好。因为粉末；台金齿轮是用模具压制成形的，在正常使用条件下，一副模具约可压制几万至几十万件齿轮压坯。用机械加工法制造齿轮时．要使一件件齿轮的形状、尺寸均匀一致是十分困难的。机械加工中的各种变量．如切削刀具的磨损、加工装置刚性差、齿轮坯的硬度不同及机床的轴承间隙不同等，这些都会使制造的齿轮的形状、尺寸不一样。
4)粉末冶金法可将几个零件一体化制造．从而可省下以后的处理与组装费用。用粉末冶金法制造多联齿轮和复合齿轮时，可将齿压制到全高直接到毗连邻接齿轮的拐角处，这在一般机械加工， 如铣、刨或滚齿都是难以做到的。
* `8 @2 W$ H/ U  V5)粉末冶金齿轮的材料密度是可控的。或者说， 具有一定量的连通孔隙。粉末冶金齿轮通常含浸有5％-20％润滑油，以供某种程度的自润滑．从而提高耐磨性。利用粉末冶金法还能将齿轮的不同部分作成不同的密度，例如，齿毂部分作成较低的密度。以增强自润滑而齿部做成高密度． 以增高韧性和冲击强度。
6)在粉末冶金生产中， 为便于成形后从压模中脱出压坯．压模工作面的粗糙度都非常好。因此，齿轮压坯， 特别是齿部的表面粗糙度很高。这种优异的表面粗糙度在齿轮运转中可将齿的磨损与噪声降低到最低限度。
粉末冶金齿轮的噪声比锻造材料制造者小，这已是定论。这可能是烧结材料具有的多孔性造成的衰减作用所致。用齿轮噪声试验机试验的结果表明．粉末冶金齿轮比普通钢制齿轮的噪声等级小。
5 w& o4 Z% B2 @6 X) ^9 A当然， 粉末冶金法制造齿轮，也受到制造因素上的一些限制．一般说来。受到的限制主要是：
) o0 @) L/ y6 ~# _, p5 B/ C1 Ja．粉末冶金齿轮的最大横断面尺寸，取决于制造厂的压机能力：
. h. p" C- u( j' Cb．由于压制与模具方面的原因， 一般的涡轮、人字齿轮及螺旋角大于35°的斜齿轮都不能用粉末冶金法制造：
  Y; R6 i9 w3 |1 sC．一般烧结铁基材料的；冲击值较低：虽烧结锻造材料的；冲击值比一般烧结材料高得多． 但仍不如相应成分的致密材料。
3．1凸轮轴齿型带轮
凸轮轴齿型带轮是各种汽车发动机中普遍使用的粉末冶金零件，通过一次成形和精整工艺．不需要其他后处理工艺．可以完全达到尺寸精度要求尤其是齿型精度．因此， 与用传统机械加工方法制造相比．在材料投入和制造工艺上都大大减少．是体现粉末冶金特点的典型产品。
3．2曲轴齿型带轮
5 P9 r2 }  {; V0 o' h$ G4 O曲轴齿型带轮也是汽车发动机中较典型的粉末冶金零件，与凸轮轴齿型带轮相比，它有四个螺纹孔．是必须通过钻孔．攻螺纹方法加工出来的．
9 F- t' q, J# o目前，汽车发动机中的凸轮轴、曲轴齿型带轮使用粉末冶金件是成本最低、最合理的一种方法：现在有部分新车型设计时采用链轮代替传统的齿型皮带轮，同样采用粉末冶金方法来制造。
3．3从动齿轮
) @/ }* f3 W6 M" x摩托车中的各种从动齿轮是国内粉末冶金厂家生产中产量最大、最集中的一种粉末冶金齿轮，该齿轮进口件费用很大． 因此需要在国内生产来替代进口。由于从动齿轮的齿型精度要求ISO7级．尺寸配合要求高，因此难度较大。国内粉末冶金厂经过反复试验． 目前已经能够达到设计要求， 而且也体现出了粉末冶金从动齿轮耐磨性好．噪声小的特点。
- Y- Y7 ~7 ?6 n: {' w! O3 w制造方法：成形一烧结一整形一高频淬火一弟0齿一加工内孔一浸油；由于齿轮经烧结及齿部表面高频淬火处理后，齿部、齿形、齿向都会产生一定的变形， 因此提高模具精度．减少烧结和热处理的变形量是生产控制的重点。
3．4油泵齿轮
7 B5 i4 @  r6 ?7 J8 ]+ z: T3 h/ C各种机油泵中的油泵齿轮具有几何精度和齿型精度非常高的特点，在采用粉末冶金的生产过程中．对于模具的设计和制造具有较高要求，需要结合粉末冶金本身的特点．找出产品从压制成形到烧结过程中的齿型变化一齿顶、齿廓齿根的规律：再结合粉末冶金精整的特点．确定出精整模的内腔轮廓。通过采用粉末冶金法制造机油泵齿轮，可以免除以往机械加工中对齿型的精密加工，保证齿形和几何精度． 以及尺寸的稳定性。
3．5伞齿轮
( N6 l! ~3 w, m- F2 F+ r伞齿轮从用失蜡铸造改成粉末冶金法生产．生产成本可减低32％。
! t! W) ?8 j. y) i4、粉末冶金齿轮的发展前景
虽然粉末冶金行业已经经过了近十年的高速发展．但与国外的同行业仍存在以下几方面的差距：
1)企业多，规模小．产品价格低．经济效益与国外企业比相差很大；
6 T% r7 B" a9 w+ p0 r2)产品交叉．相互压价，竞争异常激烈：
9 X1 W; f0 B) \, a3) 研发能力落后．产品档次低．难以与国外竞争；
4)再投入缺乏与困扰：
/ [! p0 G8 W% L, H1 x) I5)工艺装备、配套设施落后：
6)产品出口少，贸易渠道不畅。
但随着我国加入WTO以后．以上种种不足和弱点将有可能得到改善，这是因为加入WTO后，市场逐渐国际化，粉末冶金市场将得到进一步扩大的机会：而同时随着国外资金和技术的进入，粉末冶金及相关的技术水平也必将得到提高和发展。
从与粉末冶金齿轮关系最密切的汽车、摩托车行业来看，我国汽车、摩托车的市场潜力仍然很大。一方面。在中小城市和农村中， 摩托车仍然占据着主要的市场，而随着中央开拓、发展我国西地区的决策进一步深入贯彻，摩托车市场将会在我国西部进一步扩大：另一方面。目前全国汽车行业正围绕着家用轿车这一新兴市场， 展开着又一轮市场竞争。这些行业的振兴与发展， 为与之相配套的粉末冶金齿轮的发展提供了契机。从国际上发展趋势来看， 粉末冶金齿轮由于其价格低廉，可减轻零件重量的优势，也越来越受到各个领域整机厂重视， 粉末冶金齿轮正越来越多地在替代着传统的铸锻钢材和切削加工齿轮。例如， 在北美和欧洲地区， 从1990年以后， 每辆家用轿车和轻型车中粉末冶金零件，尤其是粉末冶金齿轮的重量增长迅速。
近几年来，粉末冶金技术也正在飞速发展， 烧结锻造、温压技术、注射成形、烧结淬硬工艺等技术正在得到更广泛的应用。粉末锻造是当今粉末冶金机械零件工业中采用的一种主要成形工艺。它是将原料粉末用刚性模具或冷等静压成形为预成形坯，经过或不经过低温预烧结或最终烧结， 用热锻或冷锻改变其形状的同时， 实现高密度化的一项技术。
以烧结件作为预成形坯者， 叫做烧结锻造。粉末锻造有效地利用了粉末冶金工艺的特点， 作为一种优异的精锻技术引起了人们普遍的关注。粉末锻造具有下述的优点：①锻造工序少，粉末锻造只需要一副模具和一次锻打， 而普通锻造需用三副或多副模具， 进行三次或多次锻打：② 锻造压力小：③ 锻造温度低；④ 无飞边，减少机械加工， 材料利用率高；⑤粉末锻造尺寸精度与粉末冶金冷压的相当， 而力学性能可与锻轧钢材相比，并且力学性能的方向性小：⑥可制造形状复杂的零件；⑦ 零件质量精确一致，这对有平衡要求的零件是有用的。
用温压工艺制造高密度粉末冶金冲击齿轮在国内已经批量投入生产， 这一工艺不仅大大提高了铁基零件一次压制一烧结的密度， 而且该工艺的压制压力和脱模力均较传统方法低，从而提高了模具寿命，降低了成本，特别对于复杂形状、高密度、高强度零件的开发具有巨大的生命力和潜力。目前， 采用此工艺制造的粉末冶金齿轮经过一次压制一烧结即可达到大于7．0g／cm。的密度， 烧结硬度不小于35HRC， 抗拉强度不小于760MPa；在相同性能指标下， 成本可降低50％ 以上，具有显著的经济效益。
注射成形是一种固结金属粉末或陶瓷粉末及金属陶瓷粉末的特殊方法。可用于生产新型的粉末冶金零件，从而扩大了粉末冶金技术的应用范围。注射成形本质上不同于常规粉末冶金技术。它使用的粉末很细，粒度为10um左右。它使用大量的热塑性粘结剂，以便将粉料注射到成形模中，而不是将干粉依靠重力充填于阴模中。施加于注射成形模的是低且均匀的等静压力，除非需要后续整形或精整，否则，不再使用压制压力。现在，用金属注射成形工艺制造的零件小的不到1g，大的到20kg。当前使用的金属注射成形零件其中80％ 以上最大尺寸不大于100mm或体积小于100cm。，质量一般不大于250g。最适合于注射成形的是构型复杂的小型(小于20mm)零件。
烧结淬硬是指粉末冶金制品在烧结炉中以一定的速度冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使零件得到硬化和强化的一种经济的生产工艺。烧结淬硬是一种制造高硬度粉末冶金零件的有吸引力的技术， 因为它省去了烧结后的热处理，因此明显降低了生产成本。而且，避免了淬火造成的高热应力和零件变形，能更好地控制最终产品的尺寸精度。烧结淬硬的材料采用含钼、镍、锰和铬的雾化钢粉与其它元素的粉末混合，在传统烧结电炉中烧结，最小表观硬度一般可达到HRC30℃ 以上，烧结后在200℃温度下回火，其强度可与传统热处理后的强度相当。由于烧结淬硬不需进行油淬， 因此具有降低成本：减少零件变形，便于尺寸控制；不产生油污染，改善生产环境的优点。同时， 烧结淬硬工艺提高了粉末冶金零件的淬透性， 使得它通过传统烧结即可获得高强度和高表观硬度，又具有微观组织均匀的特点。所以，烧结淬硬技术的应用与发展正成为各粉末冶金厂家研究的新课题。再如部分轿车采用的错位双联齿轮，由于形状复杂，上下齿错位， 用传统机械加工方法几乎无法制造， 而采用粉末冶金特殊成形法一双模成形法来生产制造，效率育、切削加工量少、成本低，大批量生产经济效益显著。
4 E" T) ]- P3 f, G+ v  {文章关键词： 粉末冶金齿轮