高强度粉末冶金锥齿轮加工方法探讨

余锡泉，罗建勤，姚 杰

（金华新天齿轮有限公司，浙江 金华 321200）

粉末冶金锥齿轮在电动工具的运用越来越广泛，由于其适合大批量的生产特性，与钢件锥齿轮相比，成本方面具有一定的优势，但由于其密度无法达到钢材的密度，因此在强度方面存在先天的不足。当前行业大环境的不景气，中低端市场竞争极其激烈，如何进一步提高粉末冶金锥齿轮强度，并兼顾成本，是粉末冶金锥齿轮发展必经之路。

本文希望通过对粉末冶金锥齿轮的制造工艺进行探讨，为高强度粉末冶金锥齿轮制造提供方法指导。

1 高强度制造工艺

1.1 材料的选择

粉末冶金铁基原料中会添加相应的合金元素来改良锥齿轮的强度。合金元素NIi的含量在一定范围内增加，产品的机械性能可以相应得到提升。元素C的含量变化对产品硬度影响非常显著，粉末冶金锥齿轮需要在高抗冲击（高韧性）和剧烈摩擦（高耐磨性）环境下工作，因此可采用低C含量原料。最终具体选用需要根据锥齿轮使用环境来确定（例如：功率、转速、扭矩，是否有强冲击等）。

（1）原料配方选用。粉末冶金铁基原料中会添加相应的合金元素来改良锥齿轮的强度。化学成分一栏中合金元素NI的含量在一定范围内增加，产品的机械性能可以相应得到提升。元素C的含量变化对产品硬度影响非常显著，粉末冶金锥齿轮需要在高抗冲击（高韧性）和剧烈摩擦（高耐磨性）环境下工作，因此可采用低C含量原料。

（2）原料制作工艺。由于粉末冶金原料制作工艺有很多种，不同的工艺制作出来的原料成分均匀性有差异。从图1，可以分析出普通简单混粉和预合金在成分偏析上会有很大差异。因此在高强度锥齿轮上应避免采用简单混粉工艺制作原料。选择扩散预合金和混合型会更合理。

1.2 结构设计优化

锥齿轮产品结构较特别（见图1），端面带齿形，且有锥度，产品齿顶和齿底形成巨大的高度差。再因粉末冶金工艺在压制过程粉末基本没有横向移动，所以锥齿轮产品齿部很难达到较高的密度。

如图2所示为改善前的结构，齿顶与齿根侧面展开形成很大高度差，齿顶部密度会明显疏松，齿底部密度反而很密实。因此产品工作部位齿部性能会很薄弱。如图3所示为改善后的结构，齿顶与齿根侧面展开后高度差基本相同，因此密度差基本消失。产品齿部密度很密实。因此改良后的结构生产的锥齿轮工作部位齿部强度会非常高。

1.3 加工工艺优化

（1）温压。综上所述合理选用原料后，再通过改善锥齿轮结构，使锥齿轮性能达到较高指标。在常规压制工艺基础上，为进一步提高锥齿轮性能。可利用温压工艺再次将密度提高。从而实现更高强度的锥齿轮。如图1中FD-0504C的材料，密度从6.9到7.1至7.4所对应的各机械性能均有大幅度改良。常规压制工艺一般密度在7.1以下，温压工艺可将密度提高至7.2以上。因此温压工艺是提高锥齿轮强度一条很好的途径。

（2）烧结工艺。通常工艺粉末冶金正常烧结工艺：温度1120℃、时间30min，在90%N2+10%H2保护气氛条件下烧结。即可满足一般锥齿轮强度要求。通过提高烧结温度和烧结时间能更好提高锥齿轮强度。分别对1090/1120/1150℃三种温度，烧结后产品性能进行对比，结果是产品烧结质量随烧结温度增加而提高。分别对15/30/45min三种时间，烧结后产品性能进行对比，结果是产品烧结质量随烧结时间增加而提高。但是随着烧结温度和烧结时间的增加，烧结的产品变形也会随之变大。所以实际烧结工艺需要根据锥齿轮不同用途，设计适用该锥齿轮的合理工艺参数。

（3）热处理工艺。热处理目的是提高锥齿轮硬度、耐磨性和强度等力学性能，因此根据粉末冶金锥齿轮使用要求，需要选择合理的热处理工艺。锥齿轮不但需要承载高响度冲击，而且表面需很好的耐磨性，还要保证锥齿轮高精度。因此采用表面渗碳热处理工艺最为合适。为了使锥齿轮心部能保持一定的强度和较高的韧性和塑性，表面渗碳热处理的渗层必须要有严格规定，可根据锥齿轮模数的0.25～0.4系数来制定；防止锥齿轮磨损疲劳失效，表面硬度合理范围在650HV0.1～820HV0.1比较合理；为解决大小锥齿轮寿命匹配问题，大轮表面硬度应较小轮硬度低50HV0.1左右。

图1 锥齿轮

图2 改善前结构

图3 改善后结构

2 结论

综上所述，影响粉末冶金锥齿轮强度的因素包括材料、结构、加工工艺等等，通过对上述因素的优化选择与运用，可以制造出满足高强度要求的粉末冶金锥齿轮，为在电动工具锥齿轮市场中的运用提供了很好的方法指导，具有很强的现实意义。

[1]中国机械通用零部件工业协会粉末冶金专业协会.国际标准ISO5755：烧结金属材料规范[S].2000年（E）.

[2]粉末冶金新工艺新技术与模具创新设计实用手册[M].中国知识出版社.

[3]Hoganas AB.何格纳斯生产的粉末冶金用的纯铁粉与合金铁粉[R]2004.