專利名稱：一種制備具有復(fù)雜形狀的燒結(jié)硬化粉末金屬件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域，更確切的說，本發(fā)明涉及從冶金粉末制造材料方法，該冶金粉末包括鐵、碳、鎳、鉬以及一種由鉻、銅、錳和硅組成的組合物。
背景技術(shù)：
燒結(jié)硬化是一種用于生產(chǎn)高馬氏體含量的材料的工藝，這種工藝沒有采用傳統(tǒng)的熱處理工藝，如箱式熱處理或感應(yīng)固化。該燒結(jié)硬化工藝包括以下幾個(gè)步驟在高溫條件下對壓塊進(jìn)行燒結(jié)，然后在燒結(jié)爐硬化終了時(shí)迅速冷卻該壓塊以形成馬氏體。
很多用于生產(chǎn)燒結(jié)硬化粉末金屬件的工藝方法都獲得了專利，這些工藝方法都包含預(yù)燒結(jié)這一工序。
Umeha等人于1986年6月17日獲得授權(quán)的專利(US4595556)《一種生產(chǎn)凸輪軸的工藝》中公開了預(yù)燒結(jié)冶金材料。并且Umeha等人公開了一種生產(chǎn)適合安裝到凸輪軸的部件的方法。經(jīng)過預(yù)燒結(jié)步驟后，可以在燒結(jié)硬化前將該部件恰當(dāng)?shù)匕惭b在軸上。該壓塊比預(yù)燒結(jié)后的壓塊在軸向短50％。
Saka等人于1991年9月17日獲得授權(quán)的專利(US5049183)《燒結(jié)機(jī)械部件和方法》，公開了一種與Umeha等人相似的方法，其中，預(yù)燒結(jié)使產(chǎn)品尺寸的精確度更高。壓塊經(jīng)過預(yù)燒結(jié)后進(jìn)行再壓制。這種方法尤其適用于生產(chǎn)摩托車的同步裝置的軸心。
Seyrkammer于1997年8月19日獲得授權(quán)的專利(US5659873)《一種生產(chǎn)用于連接凸輪軸的凸輪的方法》也公開了一種包括預(yù)燒結(jié)步驟的方法。這一方法是用于生產(chǎn)一種用于連接凸輪軸的凸輪。預(yù)燒結(jié)工序允許凸輪被重新制造成所需的輪廓，但這一輪廓在淬火和回火階段可能會被改變。
Plamper于1997年8月26日獲得授權(quán)的專利(US5659955)《一種制造粉末金屬斜齒輪的方法》，采用預(yù)燒結(jié)生產(chǎn)粉末金屬毛坯，該毛坯通過冷軋生產(chǎn)得到具有軸向角度大于35度的斜齒輪。而標(biāo)準(zhǔn)的金屬粉末壓制工藝不能用于生產(chǎn)軸向角較大的斜齒輪。
Shivanath等人于1998年3月17日獲得授權(quán)的專利(US5729822)《齒輪》中也公開了對齒輪進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，在對齒輪在真空爐內(nèi)進(jìn)行最終加熱和滲碳以前，對其進(jìn)行軋制。這種方法可以生產(chǎn)的傳動(dòng)齒輪具有堅(jiān)硬耐用表層，以及堅(jiān)硬的，抗斷裂的芯部，使傳動(dòng)齒輪所能承受的彎曲度最大化。
Shivanath等人于1999年3月9日獲得授權(quán)的專利(U85881354)《高密度燒結(jié)及成形工藝》中描述了一種使高密度部件成形的工藝，其中預(yù)燒結(jié)的壓塊在二次熱處理前進(jìn)行了球化處理。球化步驟包括加熱壓塊和對壓塊進(jìn)行精壓或模壓。這一工藝可以降低表面氧化度從而提高燒結(jié)部件的耐疲勞度。
最后，Cadle等人于2000年11月21日獲得授權(quán)的專利(US6148685)《鏈齒輪/齒輪的復(fù)式結(jié)構(gòu)及其制造方法》中公開了采用兩種冶金粉末混合物來生產(chǎn)鏈齒輪，一種混合物用于齒部，另一種用于主體，。這兩種粉末合金具有適應(yīng)終產(chǎn)品局部功能要求的性能。燒結(jié)體可以進(jìn)行機(jī)加工。
在發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)應(yīng)用方面，一些鏈齒輪具有多排齒，而這不能通過簡單的壓制獲得。需要進(jìn)行二次機(jī)加工，機(jī)加工后的熱處理通常是感應(yīng)硬化或是箱式熱處理。雖然現(xiàn)有技術(shù)通過包括預(yù)燒結(jié)步驟而以有限的方式使粉末金屬件成型，但本領(lǐng)域仍需要一種有效的方法以生產(chǎn)形狀更復(fù)雜的粉末金屬件。

發(fā)明內(nèi)容
該發(fā)明公開了一種從粉末金屬生產(chǎn)部件的方法，包括以下步驟。提供一種冶金粉末，其由鐵，0.3-1.0重量％碳，0-4重量％鉻，0-3重量％銅，0.5-1.5重量％鉬，0.5-4.5重量％鎳，0-1.0重量％錳和0-1.5重量％硅組成。金屬粉末通過金屬粉化和混合而制成。粉末金屬部件通過壓制，預(yù)燒結(jié)，輪廓/成型磨削，燒結(jié)爐硬化和二次加工制成。輪廓/成型磨削以形成輪廓，這是不能通過壓制加工如底切而形成的。特定的預(yù)燒結(jié)周期使部件具有足夠的強(qiáng)度以承受成型磨削同時(shí)又足夠軟以便容易磨削從而延長磨削工具的壽命。還公開了通過該發(fā)明制造的粉末金屬件。


圖1為制造具有復(fù)雜外形的燒結(jié)硬化金屬部件的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
金屬粉末是通過粉化和混合制成的。該顆粒材料由鐵，0.3-1.0重量％碳，0-4重量％鉻，0-3重量％銅，0.5-1.5重量％鉬，0.5-4.5重量％鎳，0-1.0重量％錳和0-1.5重量％硅構(gòu)成。表1列出了這一顆粒材料的各組分的含量范圍。該粉末具有良好的燒結(jié)硬化性能。
表1用于形成復(fù)雜形狀的冶金粉末的各組分含量范圍

工藝流程圖如圖1所示。冶金粉末在30-65噸/平方英寸的壓強(qiáng)下被壓制(1)，生坯密度為6.5-7.25g/cm3。生坯部件在溫度為1400-2000°F下進(jìn)行預(yù)燒結(jié)(2)。預(yù)燒結(jié)時(shí)間為20-60分鐘。為制成不同的微觀結(jié)構(gòu)如珠光體、鐵素體+珠光體、和貝氏體，冷卻速度為10°F/min至120°F/min不等。當(dāng)冷卻速度大于120°F/min時(shí)，將形成難以機(jī)加工的馬氏體。較慢的冷卻速度(10 °F/min)主要獲得珠光體微觀結(jié)構(gòu)。球化珠光體最適合于機(jī)加工。壓塊冷卻到室溫或接近室溫。通過控制預(yù)燒結(jié)的溫度和冷卻速度，可以獲得精確的微觀結(jié)構(gòu)。預(yù)燒結(jié)可使粉末金屬部件獲得能夠承受輪廓/成型磨削(3)的強(qiáng)度。特定的預(yù)燒結(jié)周期也可以使部件中的顆粒硬度降低，以延長用于輪廓/成型磨削步驟中的磨削工具的壽命。
輪廓/成型磨削利用超級磨料工具以形成輪廓和具體的幾何輪廓。這一工藝也稱為超級研磨加工(SAM)。在預(yù)燒結(jié)后，采用輪廓/成型研磨以產(chǎn)生各種復(fù)雜形狀如多排齒和底切齒，而這是難以通過傳統(tǒng)的粉末金屬壓制方法和單點(diǎn)機(jī)加工制造的。形狀的復(fù)雜性僅僅受限于輪廓和外形磨削設(shè)備的尺寸和精確度。
磨削后，部件進(jìn)行燒結(jié)爐硬化(4)。燒結(jié)爐硬化條件如下燒結(jié)溫度為2000-2400°F，燒結(jié)時(shí)間為20-80分鐘，冷卻速度為120-450°F/min。最后的熱處理使最終的粉末金屬件中含有超過90％的馬氏體，以及少量的殘留奧氏體，珠光體，和貝氏體。回火，修邊以及其他二次加工(5)可根據(jù)最終性能需要而選擇采用。
本發(fā)明在輪廓/成型磨削(3)和燒結(jié)爐硬化(4)之前，采用特殊的預(yù)燒結(jié)周期(2)。預(yù)燒結(jié)件具有足夠的強(qiáng)度承受輪廓/成型磨削而不會破碎或碎裂。在一個(gè)單一操作中，利用輪廓/成型磨削(SAM)加工出輪廓和具體的幾何外形。這一方法允許使用比磨削一般的燒結(jié)件更小的壓力和更大的進(jìn)料速度進(jìn)行輪廓/成型磨削。本發(fā)明同時(shí)可以避免磨削硬化的粉末金屬件時(shí)所帶來的問題。
實(shí)施例變速箱中使用的粉末金屬雙鏈齒輪雙鏈齒輪具有兩排齒，兩排齒之間具有一相角。在Ledvina等人于1995年6月27日獲得授權(quán)的專利(US5427580)《定相的鏈組件》中公開了雙鏈齒輪的設(shè)計(jì)。這一鏈齒輪是鏈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的一部分，而該鏈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用于汽車的前輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)。雙鏈齒輪的優(yōu)點(diǎn)在于可以在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)降低噪音。材料發(fā)展方面的考慮包括硬度/抗磨損性能和良好的可淬性。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，將包含鐵，2重量％銅，0.8重量％碳，1.4重量％鎳，1.25重量％鉬和0.42重量％錳的材料以45噸/平方英寸的壓強(qiáng)壓制，在1650°F預(yù)燒結(jié)30分鐘。預(yù)燒結(jié)后的部件以25°F/min的速度進(jìn)行冷卻。然后，用超硬成形的輪磨削部件，以產(chǎn)生兩排齒，在兩排齒中間有一溝。在輪廓/成型磨削后，部件在2070°F的溫度條件下進(jìn)行30分鐘的燒結(jié)爐硬化。經(jīng)過燒結(jié)爐硬化后，部件以150°F/min的速度進(jìn)行冷卻。然后進(jìn)行修邊這樣的二次加工。
因此，可以理解，在此描述的具體實(shí)施方式
僅僅是本發(fā)明原理的例證性應(yīng)用。本實(shí)施方式中所涉及到的細(xì)節(jié)不作為權(quán)利要求范圍的限制，而權(quán)利要求本身所描述的特征可視為本發(fā)明的本質(zhì)所在。
權(quán)利要求
1.一種由粉末金屬生產(chǎn)部件的方法，包含以下步驟a)提供一種冶金粉末，其包含鐵、0.3-1.0重量％碳、0-4.0重量％鉻、0-3.0重量％銅、0.5-1.5重量％鉬、0.5-4.5重量％鎳、0-1.0重量％錳和0-1.5重量％硅，重量百分比以粉末的總重量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算；b)以30-65噸/平方英寸的壓強(qiáng)對該冶金粉末進(jìn)行壓制以提供壓塊；c)將壓塊加熱到1400-2000°F，加熱20-60分鐘；d)以10-120°F/min的速度冷卻壓塊；e)磨削壓塊以產(chǎn)生具體的幾何表面外形；f)將壓塊加熱到2000-2400°F，加熱20-80分鐘；和g)以120-450°F/min的速度冷卻壓塊。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的部件為鏈齒輪。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述鏈齒輪的齒密度為6.7g/cc至7.2g/cc。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的冶金粉末在步驟b)中被壓制，形成密度為6.5g/cc-7.25g/cc的壓塊。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的壓塊在步驟d)中冷卻，以使其微觀結(jié)構(gòu)主要為珠光體、鐵素體+珠光體、或貝氏體。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟d)中所述的磨削為成型磨削或輪廓磨削。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟e)中所述的壓塊被磨削，以形成選自鋸齒狀、齒根根切和錐形的表面幾何形狀。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中該方法在步驟g)后還包括另一步驟，即將壓塊加熱到300-1000°F，加熱時(shí)間為30-90分鐘。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中制得的壓塊為微觀結(jié)構(gòu)含有大于90％馬氏體、0-3％珠光體和殘留奧氏體小于7％的回火壓塊。
10.一種由粉末金屬制造部件的方法，包含以下步驟a)提供一種冶金粉末，其包含鐵，0.8重量％碳，2.0重量％銅，1.25重量％鉬，1.4重量％鎳和0.42重量％錳，重量百分比以粉末的總重量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算；b)在45噸/平方英寸的壓強(qiáng)下壓制該冶金粉末以形成壓塊；c)加熱壓塊至1650°F，加熱時(shí)間為30分鐘；d)以25°F/min的速度對壓塊進(jìn)行冷卻；e)磨削壓塊以形成兩排齒，而且在兩排齒中間具有一道溝；f)加熱壓塊至2070°F，加熱時(shí)間為30分鐘，以及g)以150°F/min的速度對壓塊進(jìn)行冷卻。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述的部件為鏈齒輪。
全文摘要
本發(fā)明公開了將粉末金屬制造成部件的方法，包括以下步驟提供一種冶金粉末，該粉末包括鐵、0.3－1.0重量％碳、0－4重量％鉻、0－3重量％銅、0.5－1.5重量％鉬、0.5－4.5重量％鎳、0－1.0重量％錳和0－1.5重量％硅。金屬粉末通過粉化和混合而制成。粉末金屬件通過壓制，預(yù)燒結(jié)，輪廓/成型磨削，燒結(jié)爐硬化以及二次加工而形成。通過輪廓/成型磨削所形成的輪廓，是不能通過壓制加工如底切形成的。特定的預(yù)燒結(jié)周期可以使部件具有足夠的強(qiáng)度以承受輪廓磨削，同時(shí)可延長研磨工具的壽命。同時(shí)公開了由本發(fā)明制得的粉末金屬件。
文檔編號C22C33/02GK1647874SQ20051005184
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月28日
發(fā)明者K·徐, R·孫 申請人:博格華納公司