[发明专利]一种粉末冶金的表面致密方法

说明书

本发明涉及一种粉末冶金的表面致密方法，包括以下步骤：步骤1、粉压成形预压件；步骤2、烧结；步骤3、表面密封；步骤4、加热；步骤5、锻造；步骤6、热处理；步骤7、去毛刺以及步骤8、精加工。其特征在于：所述步骤5锻造采用选区粉锻（Selective Hot‑Forging of Powdered Metals,简称为“SHF”）：即将零部件根据其最主要的受力部位或最易被磨损部位分为：最需要致密的部位和不需要致密的部位，单击闭模锻打零部件上最需要致密的部位，不需要致密的部位在锻造时不接触锻造模具或者仅仅作为冲头的限位基准。

技术领域

本发明涉及粉末冶金领域，尤其是涉及一种粉末冶金的表面致密方法。

背景技术

1.1 整体粉锻

在粉末冶金行业，特别是产品大规模应用于汽车领域时，迫切的要求是降低成本。利用粉末冶金工艺的近净成形特点，可降低零部件的生产成本，使得粉末冶金零件在汽车中的应用迅速扩大。

然而，没有经过锻造或者表面致密化的粉末冶金零部件，抗疲劳强度与耐磨性比锻钢零部件低，这是因为零部件的力学性能主要受限于材料的残留孔隙。承受高负荷的变速箱齿轮就是一个典型的例子。

为了能在服役工况下承受产生的应力，齿轮必须具有高的抗疲劳强度与滚动接触疲劳强度。除了通过研发新合金材料改进外，若能将粉末冶金钢加工到孔隙度为零，粉末冶金钢的力学性能将能与锻钢的性能相比拟或超越之。从上世纪70年代开始，出现了粉末冶金锻造（简称“粉锻”）法制备齿轮和齿环类的汽车零部件的工艺^[1-6]，这些无一例外的都是对粉末冶金零部件进行整体的锻造。粉锻工艺首先是使用一套模具和一台压机将预混粉原料在室温下压制成预压件（通常称为“生坯”），预压件的尺寸和形状接近最终产品，然后在适当的气氛下、在大约1200℃的高温区里烧结，最终零部件在略低于烧结温度的情况下，在空气中锻造成型^[3，5]。这个粉锻工艺大大地改进了粉末冶金零部件的密度和强度，几乎达到了传统锻钢的水平。过去的三十多年里，一直有粉锻产品应用于汽车上，已经大规模占领市场的粉锻产品包括连杆、齿环、齿轮等，与切齿或者钢锻产品相比不仅有成本上的优势^[3]，而且性能上也有竞争力，比如，锻造导致的齿轮齿根处的晶粒流变显微结构，有效地提升了抗弯疲劳强度^[4]。粉锻齿轮工艺的成熟，再加上粉锻很容易根据一个具体齿轮的要求而调整和优化合金成分，使得粉锻工艺对于某些有高负荷要求的齿轮等产品来说，是最具有综合竞争力的工艺^[6]。

众所周知，粉锻的优点是100%无孔隙密度和力学性能等同锻钢^[7-8]。但是，对零部件进行整体热锻的缺点是^[9]：

1）形状的复杂性受限制；

2）锻造模具磨损；

3）丧失了粉末冶金的尺寸精准性；

4）资本密集；

5）零件的生产成本较高。

因此，整体锻造的粉末冶金齿轮齿环类产品受到制约，在与高强钢材的齿轮竞争时，还没有在市场上表现出压倒性的优势。

在上世纪70年代研发的粉锻产品的质量水准受到了当时粉末冶金行业整体水平的严重限制^[6]。比如，在齿轮轮齿的局部总是有些孔隙，难以通过锻造彻底消除，甚至发现齿轮轮齿内部有裂纹，有损齿轮的性能。也曾发现齿轮轮齿的内部有残留的片状石墨和外来物杂质^[6]。这些没能扩散进入铁基体的片状石墨和外来物杂质来源于粉锻的混粉原材料。庆幸的是，在过去的三十余年里，以上提到的缺陷（孔隙率、裂纹、石墨片、外来混杂物）已经基本上在大规模生产的条件下得到了有效的控制甚至杜绝，这就为粉锻的进一步产业化推广奠定了基础。

粉末冶金零部件的整体锻造分为简单粗糙的开模热锻和复杂精准的闭模热锻。