本發(fā)明涉及粉末冶金領(lǐng)域，尤其是涉及一種粉末冶金的表面致密方法。

背景技術(shù)：

1.1整體粉鍛

在粉末冶金行業(yè)，特別是產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用于汽車領(lǐng)域時，迫切的要求是降低成本。利用粉末冶金工藝的近凈成形特點(diǎn)，可降低零部件的生產(chǎn)成本，使得粉末冶金零件在汽車中的應(yīng)用迅速擴(kuò)大。

然而，沒有經(jīng)過鍛造或者表面致密化的粉末冶金零部件，抗疲勞強(qiáng)度與耐磨性比鍛鋼零部件低，這是因為零部件的力學(xué)性能主要受限于材料的殘留孔隙。承受高負(fù)荷的變速箱齒輪就是一個典型的例子。

為了能在服役工況下承受產(chǎn)生的應(yīng)力，齒輪必須具有高的抗疲勞強(qiáng)度與滾動接觸疲勞強(qiáng)度。除了通過研發(fā)新合金材料改進(jìn)外，若能將粉末冶金鋼加工到孔隙度為零，粉末冶金鋼的力學(xué)性能將能與鍛鋼的性能相比擬或超越之。從上世紀(jì)70年代開始，出現(xiàn)了粉末冶金鍛造（簡稱“粉鍛”）法制備齒輪和齒環(huán)類的汽車零部件的工藝^[1-6]，這些無一例外的都是對粉末冶金零部件進(jìn)行整體的鍛造。粉鍛工藝首先是使用一套模具和一臺壓機(jī)將預(yù)混粉原料在室溫下壓制成預(yù)壓件（通常稱為“生坯”），預(yù)壓件的尺寸和形狀接近最終產(chǎn)品，然后在適當(dāng)?shù)臍夥障隆⒃诖蠹s1200℃的高溫區(qū)里燒結(jié)，最終零部件在略低于燒結(jié)溫度的情況下，在空氣中鍛造成型^[3，5]。這個粉鍛工藝大大地改進(jìn)了粉末冶金零部件的密度和強(qiáng)度，幾乎達(dá)到了傳統(tǒng)鍛鋼的水平。過去的三十多年里，一直有粉鍛產(chǎn)品應(yīng)用于汽車上，已經(jīng)大規(guī)模占領(lǐng)市場的粉鍛產(chǎn)品包括連桿、齒環(huán)、齒輪等，與切齒或者鋼鍛產(chǎn)品相比不僅有成本上的優(yōu)勢^[3]，而且性能上也有競爭力，比如，鍛造導(dǎo)致的齒輪齒根處的晶粒流變顯微結(jié)構(gòu)，有效地提升了抗彎疲勞強(qiáng)度^[4]。粉鍛齒輪工藝的成熟，再加上粉鍛很容易根據(jù)一個具體齒輪的要求而調(diào)整和優(yōu)化合金成分，使得粉鍛工藝對于某些有高負(fù)荷要求的齒輪等產(chǎn)品來說，是最具有綜合競爭力的工藝^[6]。

眾所周知，粉鍛的優(yōu)點(diǎn)是100%無孔隙密度和力學(xué)性能等同鍛鋼^[7-8]。但是，對零部件進(jìn)行整體熱鍛的缺點(diǎn)是^[9]：

1）形狀的復(fù)雜性受限制；

2）鍛造模具磨損；

3）喪失了粉末冶金的尺寸精準(zhǔn)性；

4）資本密集；

5）零件的生產(chǎn)成本較高。

因此，整體鍛造的粉末冶金齒輪齒環(huán)類產(chǎn)品受到制約，在與高強(qiáng)鋼材的齒輪競爭時，還沒有在市場上表現(xiàn)出壓倒性的優(yōu)勢。

在上世紀(jì)70年代研發(fā)的粉鍛產(chǎn)品的質(zhì)量水準(zhǔn)受到了當(dāng)時粉末冶金行業(yè)整體水平的嚴(yán)重限制^[6]。比如，在齒輪輪齒的局部總是有些孔隙，難以通過鍛造徹底消除，甚至發(fā)現(xiàn)齒輪輪齒內(nèi)部有裂紋，有損齒輪的性能。也曾發(fā)現(xiàn)齒輪輪齒的內(nèi)部有殘留的片狀石墨和外來物雜質(zhì)^[6]。這些沒能擴(kuò)散進(jìn)入鐵基體的片狀石墨和外來物雜質(zhì)來源于粉鍛的混粉原材料。慶幸的是，在過去的三十余年里，以上提到的缺陷（孔隙率、裂紋、石墨片、外來混雜物）已經(jīng)基本上在大規(guī)模生產(chǎn)的條件下得到了有效的控制甚至杜絕，這就為粉鍛的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化推廣奠定了基礎(chǔ)。

粉末冶金零部件的整體鍛造分為簡單粗糙的開模熱鍛和復(fù)雜精準(zhǔn)的閉模熱鍛。

1.1.1開模熱鍛

開模熱鍛的主要特征是模具中沒有中模，只有上沖頭和下沖頭，橫向閃邊，是否有芯棒取決于具體的產(chǎn)品。為了使零部件在開模鍛造時順利脫模，在上下沖頭上必須有個大約7°的脫模角。這個脫模角降低了材料的利用率，加大了后續(xù)加工量，裕料閃邊處的模具磨損嚴(yán)重，制約了產(chǎn)品的設(shè)計和功能性的關(guān)鍵指標(biāo)。

1.1.2閉模熱鍛

閉模熱鍛由于其尺寸精度等優(yōu)勢已經(jīng)在高端產(chǎn)品生產(chǎn)中逐步取代了開模鍛造。閉模鍛造的要點(diǎn)是將燒結(jié)后處于鍛造溫度的零部件放置在位于中模內(nèi)腔的下沖頭的上面，單擊鍛打使得零部件處于一個壓應(yīng)力場，先墩粗，再充滿模具后縱向閃邊，不僅提升了密度，而且使得零部件尺寸更精準(zhǔn)，原材料利用率高，保證在鍛后冷卻到室溫時達(dá)到要求的尺寸。脫模是通過下沖頭頂出而實(shí)現(xiàn)的，便于完全自動化，生產(chǎn)的效率可以達(dá)到每分鐘7件左右。零部件整體的閉模熱鍛技術(shù)已經(jīng)被大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化^[10]，成功的案例包括粉鍛連桿、齒環(huán)和齒輪。

1.2表面致密

在許多服役工況下，負(fù)載僅僅在零件表面或其附近會產(chǎn)生高應(yīng)力，因此，并不需要整個零件具有理論密度（即孔隙度<2vol.%）。到目前為止，強(qiáng)化粉末冶金鋼最引人注意的加工工藝是室溫下的選擇性表面致密化（selectivesurfacedensification，簡稱“ssd”）。這種工藝形成的表面致密層厚度為0.2～1.0mm，而密度梯度的范圍是從表面的孔隙率接近于零到一般零件芯部的孔隙率約為10vol.%。齒輪上最需要致密的部位是齒面和齒根，因為齒根承受最大的彎曲力，而齒面承受滾壓接觸的脈動應(yīng)力。相比之下，孔隙率在齒輪芯部雖然高，但芯部的強(qiáng)度和剛度在多數(shù)服役條件下滿足要求，而且，芯部的孔隙率使得齒輪重量降低并阻尼運(yùn)行噪音。

ssd采用的生產(chǎn)工藝路線如下^[9]：

1）留有裕量地壓制到密度7.0g/cm³左右。

2）在n2/h2氣氛中的1120℃的高溫區(qū)燒結(jié)約30分鐘。零部件在燒結(jié)后的含碳量保持在初始的0.2wt.%左右的水平。冷卻速率約0.2℃/s，從燒結(jié)溫度緩慢冷卻，以形成鐵素體-珠光體的顯微組織。

3）在室溫下表面致密化，形成了一層接近理論密度的表面層，深度距離約達(dá)到300μm。超出這個區(qū)域之外密度逐漸減小，在深度約為1mm處降至芯部密度水平^[11]。

4）去毛刺。

5）通過在高碳勢的氣氛中滲碳，以使表面含碳量達(dá)到0.5wt.%的水平，隨即淬火。

6）對內(nèi)徑與外徑進(jìn)行磨削加工。

7）由于齒輪輪齒的彈性與回彈，輾壓后會產(chǎn)生相當(dāng)明顯的撓曲變形，從而導(dǎo)致在齒的前、后斷面產(chǎn)生齒廓與對中誤差，再加上淬火導(dǎo)致了額外的變形，這些偏差都需要用研磨加工去除。

近年來，有數(shù)家公司成功開發(fā)了在室溫下表面致密的齒輪，與粉末冶金件的整體熱鍛工藝相比各有千秋，適用于不同的產(chǎn)品，多數(shù)情況下沒有直接的可比性。

ssd的發(fā)展歷史如文獻(xiàn)^[12]所述，在1999年度基金計劃中，歐盟將粉末冶金表面致密化齒輪列為“競爭與可持續(xù)性增長”項目^[13]。2003年在美國lasvegas召開的世界粉末冶金大會上，slattery等做了關(guān)于粉末冶金表面致密化齒輪的試驗報告“高密度粉末冶金螺旋齒輪”^[14]。國內(nèi)大型粉末冶金零部件制造公司于2006年就已經(jīng)著手于開展表面致密化齒輪的研發(fā)，并引進(jìn)了齒輪表面致密化軋機(jī)和軋輥模制作設(shè)備^[15]。

室溫下徑向碾壓和軸向推擠致密的技術(shù)被日本三菱材料公司pmg分別命名為“densiformr”和“densiforme”^[16]，文獻(xiàn)^[17]描述了這兩種方式，并報道成功研制了兩種典型粉末冶金零件，即螺旋齒輪與直齒輪，結(jié)論是，粉末冶金齒輪的承載能力與噪聲級別可與鍛鋼齒輪相媲美。

1.2.1室溫徑向碾壓法

燒結(jié)后，室溫徑向碾壓densiformr工藝是將有徑向裕量的燒結(jié)態(tài)齒輪置于兩個配對的輾壓工具輪的中心，當(dāng)工具輪與齒輪接觸時，逐漸施加負(fù)載，工具輪使齒輪表面致密化，一直進(jìn)行至達(dá)到預(yù)定的中心距離，文獻(xiàn)^[17-20]對這個加工工藝給予了詳細(xì)說明。

到目前為止，densiformr是制造表面致密化粉末冶金齒輪最有前景的工藝，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用^[11,21-22]。

1.2.2室溫軸向推擠法

室溫軸向推擠法的具體實(shí)施是通過一套精整模具，數(shù)個中模盤縱向（即軸向）排列，內(nèi)腔尺寸從最大排列至最小。具有徑向裕料的預(yù)壓件在室溫下被上沖頭沿著軸向強(qiáng)行推過一道又一道的中模內(nèi)腔，導(dǎo)致零部件的外層材料沿著徑向位移，從而實(shí)現(xiàn)表面致密。直齒輪的表面致密化是用室溫軸向推擠densiforme實(shí)現(xiàn)的^[17]。federalmogul于2011年也申請了類似的發(fā)明專利^[23]，該裝置用于直齒輪的表面致密化，屬于室溫下的densiforme法^[11]。

然而，軸向推擠法雖然有一定的整形作用，但模具磨損嚴(yán)重，對于表面致密效果甚微，因此，本專利僅僅與室溫的densiformr作比較。

1.2.3中溫軸向推擠法

值得一提的是cadle等在2000年獲得授權(quán)的專利（簡稱為“cadle專利”）^[24]，實(shí)質(zhì)上是一個中溫軸向推擠工藝，其專利原文描述如下：

“asinteredpowdermetalpartissurfacedensifiedbysurfaceheatingfollowedbyrepressing.surfaceheatingispreferablydonetoatemperaturewhichisjustbelowthecriticaltemperaturewherethesteelalloymaterialoftheparttransformsfromaferritictoanausteniticmicrostructure.repressingisinadiesetwhichissmallerthanthepartby10%ofthesurfaceheateddepth.thehotskiniscompressedanddensifiedbetweenthedieandthecooler,andthereforelessmalleablecoreofthepart.followingsurfacedensification,thepartmayberesinteredand/orheattreated.^[24]”

以上描述的中文翻譯為：

“先將燒結(jié)后的粉末冶金零部件表面加熱，然后二次壓制實(shí)現(xiàn)表面致密化。表面加熱的溫度恰好低于合金鋼從鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體的臨界相變溫度，也就是說，表面加熱層是鐵素體而不是奧氏體。二次壓制是通過一套尺寸小于零部件尺寸的模具，過盈量為加熱深度的10%。在中模內(nèi)腔與因為較冷而不易被塑性變形的零部件芯部之間，被加熱了的表面層被壓制從而被致密。表面致密之后，零部件可以重新被燒結(jié)或者熱處理。”

1.2.4室溫徑向鍛造

關(guān)于使用室溫鍛造以達(dá)到表面致密效果的唯一報道來自于planitzer等^[25],在室溫下徑向錘擊鍛造（radialforgingprocess，簡稱“rfp”）齒數(shù)為偶數(shù)的齒輪。文獻(xiàn)^[25]描述的是在小批量試驗rfp之前的有限元分析，研究了預(yù)壓件以及鍛造模具的設(shè)計對于表面致密和尺寸精度的影響。然而，沒有報道關(guān)于rfp的實(shí)驗結(jié)果，與當(dāng)今廣為使用的densiformr在原理上有相似之處，主要差異是使用的工具和設(shè)備，看不出相對于densiformr的任何優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計了一種粉末冶金的表面致密方法，其解決了現(xiàn)有整體粉鍛工藝存在的形狀復(fù)雜性受限制、鍛造模具磨損、喪失了粉末冶金的尺寸精準(zhǔn)性以及生產(chǎn)成本高等技術(shù)缺陷。

為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用了以下方案：

一種粉末冶金的表面致密方法，包括以下步驟：步驟1、粉壓成形預(yù)壓件；步驟2、燒結(jié)；步驟3、表面密封；步驟4、加熱；步驟5、鍛造；步驟6、熱處理；步驟7、去毛刺以及步驟8、精加工。其特征在于：所述步驟5鍛造采用選區(qū)粉鍛（selectivehot-forgingofpowderedmetals,簡稱為“shf”）：即將零部件根據(jù)其最主要的受力部位或最易被磨損部位分為：最需要致密的部位和不需要致密的部位，單擊閉模鍛打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在鍛造時不接觸鍛造模具或者僅僅作為沖頭的限位基準(zhǔn)。

進(jìn)一步，步驟1所得的預(yù)壓件的裕料分布于鍛擊方向，利用高頻感應(yīng)加熱完成步驟2燒結(jié)，步驟3密封表面后的預(yù)壓件進(jìn)行步驟4加熱至1000-1200℃，步驟4加熱的預(yù)壓件表面層的加熱深度覆蓋了將致密至理論密度的區(qū)域和從理論密度過渡到芯部密度的區(qū)域。

“理論密度”本發(fā)明定義為“孔隙率低于2vol.%的密度”,大約為7.85g/cm³?！靶静棵芏取痹诖司褪菬Y(jié)后零部件的不關(guān)鍵部位的密度，在densiformr中是7.0g/cm³，在shf中的“芯部密度”預(yù)計是6.7-7.1g/cm³。

進(jìn)一步，因為步驟5鍛造后的零部件被致密部位仍處于奧氏體狀態(tài)，利用步驟5鍛造余熱直接淬火完成步驟6熱處理。

一種鐵基粉末冶金材料的齒輪，使用上述任何一種方法制得。

一種鐵基粉末冶金材料的齒環(huán)，使用上述任何一種方法制得。

該粉末冶金的表面致密方法具有以下有益效果：

本發(fā)明優(yōu)越于現(xiàn)有的工藝技術(shù)，其預(yù)壓件的裕料分布于鍛擊方向，利用高頻感應(yīng)加熱燒結(jié)并密封表面后的預(yù)壓件，單擊閉模鍛打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在鍛造時不接觸鍛造模具或者僅僅作為沖頭的限位基準(zhǔn)。因為鍛造后的被致密部位仍處于奧氏體狀態(tài)，利用余熱直接淬火熱處理，無需滲碳，節(jié)時節(jié)能，生產(chǎn)效率高，具有顯著的成本優(yōu)勢和廣闊的市場前景。

附圖說明

圖1：本發(fā)明中經(jīng)過選區(qū)粉鍛的直齒輪立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：圖1中被致密的主要位置示意圖；

圖3：圖2中主要位置表面層的加熱深度示意圖；

圖4：圖1中對應(yīng)的預(yù)壓件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5：圖4中分布在軸向的裕量示意圖；

圖6：圖5局部放大示意圖；

圖7：本發(fā)明在閉模鍛打之前預(yù)壓件在中模的位置示意圖；

圖8：圖7預(yù)壓件的外輪廓尺寸小于中模的內(nèi)腔尺寸示意圖；

圖9：圖7中上沖頭單擊后件結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

1—上沖頭；2—下沖頭；3—中模；4—預(yù)壓件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1至圖9，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

2.1、本發(fā)明粉末冶金的表面致密方法的基本工藝過程如下：

2.1.1粉壓成形預(yù)壓件；

預(yù)壓件的設(shè)計和控制不僅是整體粉鍛的關(guān)鍵技術(shù)，也是shf成功的一個關(guān)鍵點(diǎn)，正確的裕量重量分布和尺寸需要通過計算機(jī)模擬來確定，優(yōu)化的裕量重量分布和尺寸要達(dá)到以下目的：

1）鍛后的齒面和齒根在離表面2mm的范圍內(nèi)完全致密；

2）鍛造過程中，預(yù)壓件關(guān)鍵部位先致密后閃邊；

3）鍛后冷卻到室溫時，恰好達(dá)到了理想的尺寸；

4）其它顯而易見的常識性要求（比如，沒有折疊、裂紋等缺陷）。

一個經(jīng)過選區(qū)粉鍛的直齒輪如圖1所示，被致密的主要位置是齒面和齒根如圖2所示。表面層的加熱深度如圖3所示，覆蓋了被致密到了理論密度的區(qū)域和從理論密度過渡到芯部密度的區(qū)域。與該齒輪產(chǎn)品對應(yīng)的預(yù)壓件如圖4所示，分布在軸向的裕量如圖5和圖6所示，密度均勻一致，熱影響的深度遠(yuǎn)大于裕量的深度。

2.1.2燒結(jié)和表面密封；

生坯從粉壓機(jī)上頂出之后，直接進(jìn)入下一道燒結(jié)工序。燒結(jié)的溫度是1120℃，約30分鐘，隨后，在保護(hù)氣氛下冷卻到室溫。

特別值得強(qiáng)調(diào)的是，燒結(jié)后的預(yù)壓件表面的孔隙與內(nèi)部貫通，空氣中的氧氣和水蒸氣會在數(shù)小時內(nèi)進(jìn)入預(yù)壓件內(nèi)部，導(dǎo)致在下一道工序時快速氧化脫碳，因此，需要利用發(fā)明專利^[26]來密封燒結(jié)后的表面，如果在燒結(jié)后馬上密封表面，在不考慮任何其它因素的情況下，能夠?qū)⒚撎忌疃冉档?0%以上，將氧化深度降低50%以上。

2.1.3加熱和鍛造；

加熱和鍛造是本發(fā)明的核心工藝步驟。生坯經(jīng)過燒結(jié)和表面密封后，通過高頻感應(yīng)將關(guān)鍵部位重新加熱到鍛造溫度1000-1200℃。齒輪的芯部沒有被加熱，就能在選區(qū)熱鍛時成為被熱鍛區(qū)的邊界約束，因此，鍛造模具不需要芯棒，除非作為最理想的定位基準(zhǔn)。從將零部件加熱到鍛造溫度時起到單擊鍛造，間隔時間越短越好，最好能控制在4秒之內(nèi)，務(wù)必不超過8秒，否則，零部件表面層內(nèi)部的氧化和脫碳層加深，無法在后來的工序中消除。因此，此本發(fā)明技術(shù)實(shí)施的一個例子是將一臺高頻感應(yīng)加熱單元擺放在鍛造壓機(jī)附近，這樣，被加熱到了鍛造溫度的預(yù)壓件能夠方便地通過人工或者機(jī)械手快速地傳遞到鍛造模腔內(nèi)。鍛后的表面層達(dá)到了理論密度，氧化與脫碳速度與鍛鋼沒有差別。

在閉模鍛打之前，預(yù)壓件在中模的位置如圖7所示，預(yù)壓件的外輪廓尺寸小于中模的內(nèi)腔尺寸（如圖8所示），上沖頭單擊使得預(yù)壓件的裕料先在徑向墩粗，然后充滿中模內(nèi)腔和上下沖頭的面?。ㄈ鐖D9所示），齒輪輪齒的外輪廓局部瞬間致密，而非關(guān)鍵部位，比如，齒輪的芯部，在鍛造時不接觸鍛造模具或者僅僅作為沖頭的限位基準(zhǔn)（kissingblock）。

2.1.4熱處理；

鍛造時，零部件的高溫區(qū)由于接觸到了溫度大約處于200-400℃的模具而導(dǎo)致高溫區(qū)溫度快速降低，在鍛后的數(shù)秒時間內(nèi)零部件的高溫區(qū)仍處于奧氏體狀態(tài)，當(dāng)冷卻到淬火溫度（大約843℃）時，直接投入至攪拌的冷卻油里做淬火熱處理，并根據(jù)具體產(chǎn)品的需要而決定是否退火，比如，在300℃退火2小時。

2.1.5去毛刺和后續(xù)精加工；

就熱處理后的生產(chǎn)工藝而言，shf與鋼材切齒或densiformr沒有差異，在此不做重復(fù)。去毛刺工序應(yīng)該包括了表面氧化皮的去除。齒輪的表面品質(zhì)與噪聲的產(chǎn)生有著密切的關(guān)系，主要是漸開線（involute）的齒輪形狀，需要精確地設(shè)計、制造以及檢驗，后續(xù)精磨齒面就是要保證表面的品質(zhì)、尺寸、形狀滿足該產(chǎn)品高等級的要求。精磨的加工量要徹底消除熱鍛時脫碳和氧化的深度，預(yù)計大約為50μm。

2.2本發(fā)明的主要特征：

眾所周知，零部件只在最關(guān)鍵的部位需要致密，shf正是將關(guān)鍵的部位致密，不關(guān)鍵的部位在鍛造時不與鍛造沖頭接觸或者僅僅作為沖頭的限位基準(zhǔn)。這個只在粉末冶金零部件的關(guān)鍵部位被熱鍛的工藝，稱作為“選區(qū)粉鍛”。

此專利技術(shù)shf的主要特征是：

1）粉末冶金零部件上沒有被熱鍛的位置保持了燒結(jié)后的尺寸、形狀以及微觀結(jié)構(gòu)組織。

2）利用高頻感應(yīng)加熱關(guān)鍵部位，生產(chǎn)效率高，易于自動化。

3）因為預(yù)壓件上的裕料是分布在軸向，軸向鍛擊先墩粗預(yù)壓件的高溫區(qū)，再充滿封閉的模具，達(dá)到表面致密的目的，在左、右齒腹之間沒有明顯差異，最適宜于制備直齒輪或齒環(huán)。

4）淬火熱處理無需額外的加熱。高載荷的齒輪都需要熱處理，需要加熱到臨界相變溫度以上，在此專利中，熱鍛后馬上淬火就利用了零部件高溫區(qū)在鍛造之后的余熱和溫度分布場，一次加熱既達(dá)到了鍛造的高溫，又達(dá)到了熱處理溫度。

5）無需在預(yù)混粉磨原料里保持低到大約0.2wt.%的含碳量。densiformr中采用這么低的含碳量，一是保證燒結(jié)后的硬度較低，易于徑向碾壓致密；二是保證在粉壓成形時能達(dá)到較高的生坯密度。然而，對于shf來說，預(yù)壓件中的含碳量可以高達(dá)0.6wt.%，在1000-1200℃的溫度下用一套閉式模具來鍛造含碳量這么高的粉末冶金鋼，屬于已經(jīng)成功地應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)的成熟技術(shù)。只要脫碳在熱鍛時得到了有效的控制，在淬火之前就無需耗時耗能的滲碳。

6）因為選區(qū)粉鍛被致密的材料的體積和范圍小，比整體熱鍛更容易控制閃邊的一致性，有望首次在大規(guī)?；a(chǎn)的條件下實(shí)現(xiàn)無閃邊致密，對于熟知粉鍛工藝的工程師來說，無閃邊致密的意義不言而喻。

2.3技術(shù)要點(diǎn)；

2.3.1預(yù)壓件的設(shè)計和控制

預(yù)壓件的設(shè)計和控制是粉鍛的一項核心技術(shù)，在此不作詳細(xì)的介紹。

2.3.2鍛造模具的設(shè)計和制備

鍛造模具的設(shè)計和制備是粉鍛的另一項核心技術(shù)，在此不作詳細(xì)的介紹。

2.3.3鍛造模具的溫控和潤滑

鍛造的中模和上下沖頭在鍛造前被加熱并保持在200-400℃，每次鍛造單擊零部件，模具都通過噴石墨水溶液來冷卻潤滑，連續(xù)鍛造數(shù)件之后，模具溫度達(dá)到一個動態(tài)平衡，這是大規(guī)模生產(chǎn)粉鍛連桿、齒環(huán)、齒輪的操作辦法。

shf的實(shí)施除了借鑒成熟的鍛模的溫控和潤滑方法之外，將開拓一整套更有競爭力的方法，旨在徹底擺脫噴墨工序。

在shf的實(shí)施過程中，可先使用專利技術(shù)^[27]在中模溫控上，再應(yīng)用于上下沖頭上，有望取代石墨水溶液的冷卻作用，即，通過200-400℃機(jī)油的熱交換法來強(qiáng)行控制模具溫度。

擺脫在鍛模上噴石墨水溶液而又能有效地潤滑模具的具體操作方法如下：預(yù)壓件在燒結(jié)并密封表面之后，將石墨水溶液浸涂到即將高頻感應(yīng)加熱的區(qū)域，在空氣中晾干之后再做高頻感應(yīng)加熱，這樣能幫助控制表面的脫碳和氧化，更重要的是避免零部件的高溫區(qū)在鍛造時與模具的粘結(jié)，也就是起到潤滑模具的作用，再者，模具的潤滑可以通過鍛造模具的表面鍍膜來進(jìn)一步提升。

通過以上兩個措施（即，利用有專利權(quán)的模具溫控和石墨水溶液浸涂預(yù)壓件的熱影響區(qū)）來徹底擺脫噴石墨水溶液至鍛造模具表面來實(shí)現(xiàn)模具的溫控和潤滑，對于鍛造工業(yè)來說是件意義非凡的事情，因為這樣可以提高生產(chǎn)效率，減小石墨溶液的消耗，更重要的是顯著改善了鍛造的工作環(huán)境。

2.3.4脫碳和氧化的控制

脫碳和氧化的控制對于粉鍛來說至關(guān)重要，是通過以下措施實(shí)現(xiàn)的：

1）燒結(jié)后的表面密封^[26]；

2）在工件的熱影響區(qū)浸涂石墨水溶液；

3）縮短從高頻感應(yīng)加熱至鍛造溫度到單擊鍛造的時間，間隔最好控制在4秒之內(nèi)，務(wù)必不超過8秒；

4）適當(dāng)?shù)亟档湾懺鞙囟?，從最成功?200℃降到1000℃（略高于此類材料常用的淬火溫度843℃）。經(jīng)驗和計算分析表明，鍛造溫度每降低100℃，脫碳深度降低29%左右。

2.3.5尺寸精度和表面粗糙度

因為熱處理總是導(dǎo)致某種程度上的變形，這種變形除了一個最大變形量可以有所預(yù)測之外，基本上沒有規(guī)律可循，所以，熱處理后經(jīng)過精磨的齒輪，在尺寸精度和表面粗糙度的水準(zhǔn)上遠(yuǎn)高于熱處理后不經(jīng)過精磨的齒輪。由于shf的高端定位，精磨熱處理后的齒輪輪齒面是必須的。

3本專利的優(yōu)勢；

3.1與整體鍛造技術(shù)的比較

選區(qū)粉鍛的優(yōu)越之處就在于承接了整體熱鍛的優(yōu)點(diǎn)，更具體的，關(guān)鍵部位在選區(qū)熱鍛后實(shí)現(xiàn)了100%無空隙密度，力學(xué)性能等同鍛鋼；同時，又大大緩解甚至徹底消除了整體鍛造的缺點(diǎn)，更具體的，針對零部件整體熱鍛的缺點(diǎn)^[9]，shf做出的改進(jìn)如下：

1）形狀的復(fù)雜性。在齒輪的多數(shù)位置無需熱鍛致密，保持了多數(shù)位置的形狀和尺寸。

2）鍛造模具磨損。因為shf的熱鍛區(qū)域小而又對稱分布，從零部件傳遞到模具的熱量大幅減少，模具的磨損自然顯著降低，并通過采取許多簡單易行的方式進(jìn)一步緩解，比如，（a）沖頭的面取可以大大簡化；（b）避免又薄又長的模具特征；（c）熱鍛時采用鑲嵌易更換式的模具。

3）粉末冶金的尺寸精準(zhǔn)性。在零部件的芯部因為沒有被熱鍛而保持了尺寸精準(zhǔn)性；在熱鍛的所選區(qū)域，由于熱鍛區(qū)域小、對稱性高、形狀簡單，尺寸精準(zhǔn)性與不熱鍛的齒輪和齒環(huán)沒有大的差別。

4）資本密集。由于簡化了加熱方式，由常見粉鍛的整體加熱改變成一小選區(qū)的加熱，加熱設(shè)備投入大大減小，能耗降低。鍛造機(jī)所需噸位和要求的精度也大大降低，預(yù)計熱鍛設(shè)備投資降低60%左右。

5）在此值得強(qiáng)調(diào)的是，shf有工件傳遞上的優(yōu)勢：

首先，shf中沒有被加熱的位置微觀結(jié)構(gòu)仍然是鐵素體，具有磁性，帶來的另一個優(yōu)勢是可以利用這個磁性實(shí)現(xiàn)自動化傳遞。相比之下，零部件整體熱鍛的一個技術(shù)難點(diǎn)是：加熱使得整體的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了奧氏體，失去了磁性，只能用機(jī)械的方法夾持，由此產(chǎn)生了一系列的問題，包括：

1）夾具接觸高溫的零部件，熱量迅速傳遞到夾具上，夾具隨后龜裂、快速磨損、軟化彎曲變形，夾具壽命堪憂。

2）熱量迅速傳遞到夾具上還使得零部件在接觸到夾具的位置迅速降溫，打亂了溫度在零部件上分布的均勻性，被冷卻的位置在鍛造時抗力大，難以致密和成型，冷卻到室溫時的局部尺寸收縮偏小。

其次，shf中零部件上沒有被加熱的位置，比如齒輪芯部的內(nèi)徑處，可以直接作為夾具夾持的位置，夾具不接觸加熱的表面，不存在夾具熱損傷的問題。。

3.2與表面致密技術(shù)的比較

shf相對于densiformr的優(yōu)勢歸納如下：

1）生產(chǎn)效率和成本上的優(yōu)勢。shf實(shí)施的初期以人工傳遞零部件為主，一旦樣件通過了測試，驗證了技術(shù)的可行性和總成本的優(yōu)勢，shf易于實(shí)現(xiàn)全自動化連續(xù)生產(chǎn)線，每個工序的產(chǎn)能相匹配，很容易達(dá)到每分鐘7件的生產(chǎn)效率，減少了浪費(fèi)。相比之下，densiformr不易實(shí)現(xiàn)完全自動化，也就是說，shf的生產(chǎn)效率至少提高了數(shù)倍！對總成本影響之顯著可想而知。

2）原料成分上的優(yōu)勢。shf無需為了保證混合粉的壓縮性高而降低混合粉原料中的石墨含量至0.20wt.%左右，可以在預(yù)混粉原料里就加入0.6wt.%左右的石墨粉，也就不需要在后期的熱處理中滲碳，這就為高頻感應(yīng)淬火提供了基本的條件。因為高頻淬火是在空氣中進(jìn)行的，而且高頻加熱的時間通常為1-5秒，時間太短，即使在碳勢高的氣氛中高頻感應(yīng)加熱也不足以滲碳。選區(qū)粉鍛因為無需這個耗時耗能的滲碳工藝，實(shí)現(xiàn)了：

a）降低整體熱處理的變形；

b）縮短生產(chǎn)周期；

c）降低生產(chǎn)成本。

3）致密化深度上的優(yōu)勢。shf達(dá)到的致密化深度不局限在離表面1mm左右的范圍內(nèi)，按照本發(fā)明專利申請揭示的方法，實(shí)現(xiàn)的表面致密化深度至少是2mm，如果從零部件其它的角度（比如，功能、生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定可靠性、質(zhì)量的一致性，特別是對于總成本的影響）認(rèn)為有必要加大致密化深度，超過4mm的致密化深度也是可以實(shí)現(xiàn)的。

4）彈性變形方面的優(yōu)勢。shf被熱鍛區(qū)域的彈性基本可以忽略不計；相比之下，densiformr工藝中的彈性變形加上燒結(jié)件正常的密度變化是產(chǎn)生廢品的幾個主要原因之一。

5）與沖壓技術(shù)競爭時的優(yōu)勢。沖壓技術(shù)在制備軸向尺寸小于5mm的零部件時常常表現(xiàn)出綜合的競爭優(yōu)勢，然而，當(dāng)densiformr從徑向施壓于一個軸向尺寸較薄的零部件時，會導(dǎo)致失穩(wěn)和翹曲，齒面軸向誤差（lead）失控。相比之下，shf是軸向施壓鍛造，零部件的軸向尺寸偏薄不是問題。

6）在制備軸向?qū)ΨQ性低的零部件時的優(yōu)勢。如果在齒輪輪齒的軸向半高處選取垂直于軸向的平面a，densiformr僅僅適用于相對于平面a對稱性高的零部件，否則，徑向碾壓時不對稱的彈性變形將導(dǎo)致齒面軸向誤差直接失控。然而，shf不受零部件相對于平面a對稱性的限制。

在此需要指出的是，在精磨工序上，densiformr沒有優(yōu)越于shf之處。densiformr的回彈導(dǎo)致誤差，隨后的熱處理導(dǎo)致進(jìn)一步的變形，失去了尺寸精度，所以，densiformr表面致密的變速箱齒輪熱處理后必須精磨才能達(dá)din3962q7或者agma10的精度；相比之下，shf被熱鍛的表面有個脫碳氧化層，深度小于50μm，再加上鍛后的表面光潔度不高，同樣需要精磨齒面才能滿足要求。

至于shf與“cadle專利”^[24]的不同之處，可以總結(jié)為：

1）致密溫度截然不同。shf強(qiáng)調(diào)鍛造溫度高于臨界相變溫度；而“cadle專利”強(qiáng)調(diào)其二次壓制（repressing）溫度低于臨界相變溫度。shf的基本思想是：熱鍛后的零部件在數(shù)秒內(nèi)仍然處于奧氏體狀態(tài)，鍛后直接淬火熱處理，得到以馬氏體為主的微觀結(jié)構(gòu)。而“cadle專利”沒有借助鍛后余熱進(jìn)行淬火熱處理的可能性，僅僅試圖借助鐵素體的低流變應(yīng)力來改善二次壓制模具的壽命。

2）致密原理截然不同。shf使用的是閉模鍛造，零部件在鍛前的外輪廓尺寸小于中模內(nèi)腔輪廓，在鍛造時被墩粗并充滿中模內(nèi)壁與上下沖頭面取形成的三維空間；而“cadle專利”使用的是一個含糊籠統(tǒng)的二次壓制，預(yù)壓件的外輪廓尺寸大于中模內(nèi)腔輪廓，完全不是一個以墩粗和充滿模腔為主要特征的鍛造工藝。

3.3可預(yù)計的拓展方向

最后需要指出的是，本發(fā)明申請闡述了一套基本原理和思想，但對于熟知粉鍛技術(shù)的科研工作者來說，以下數(shù)個拓展方向是顯而易見的，都屬于本發(fā)明專利將要申請保護(hù)的范圍：

不局限于高頻感應(yīng)加熱方式。還包括了其它的局部加熱方法，比如，激光加熱、等離子加熱；也覆蓋了零部件整體加熱的方式，比如，電熱爐或者天然氣爐加熱，甚至可以利用現(xiàn)成的網(wǎng)帶式燒結(jié)爐再次加熱并在高溫區(qū)用機(jī)器人掏出。

不局限于齒輪或齒環(huán)。還包括了其它部位（比如內(nèi)花鍵等）需要熱鍛的產(chǎn)品，甚至包括在某個小范圍的特定位置需要應(yīng)用選區(qū)粉鍛的功能性零部件。

不局限于鐵基材料。shf的應(yīng)用范圍很容易復(fù)制到鋁基、銅基、鈦基、鎳基高速鋼、甚至超硬材料上。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了示例性的描述，顯然本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

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