粉末冶金一级传动带轮的研制

杨传芳，王士平

（1.华东冶金地质勘查局超硬材料研究所，安徽 马鞍山 243012；
2.马鞍山市华东粉末冶金厂，安徽 马鞍山 243012）

一级传动带轮如图1 所示，其由挡圈1、小带轮2及限位挡块3 组成，为减轻重量，在限位挡块3 上只保留了必要的5 个加强筋，此结构特征使其用机加工方法生产时难以加工，加工成本高且带轮精度难以保证，无法形成批量稳定生产。针对一级传动带轮的结构特点，充分利用粉末冶金工艺的优势，把一级传动带轮先分成两个零件，即挡圈1 作为一部分，小带轮2 及限位挡块3 作为一部分，先把挡圈1 用模压成形，小带轮2 及限位挡块3 作为一个整体，通过对模具结构的优化设计，再进行模压成形。设计挡圈1 压坯内孔比小带轮2 压坯端部圆台外径大0.015～0.025 mm，然后把挡圈1 压坯与小带轮2 压坯端部圆台配合后进行组合烧结，档圈1 选材为烧结时会收缩，小带轮2 选材为烧结时会涨大，利用不同材料的烧结特性，使挡圈1 与小带轮2 配合牢固。经烧结后的组合件，再进行表面渗碳热处理，进一步提高一级传动带轮的表面硬度及强度，使其在运转时耐磨损并能承受较大的扭力，孔口加工导向角，经抛光清洗及适当的防锈处理制成成品。

图1 一级传动带轮

图2 所示为一级传动带轮零件图，由图2 可知，挡圈1 要求能承受2 kN 压力不脱落，小带轮2 相对于内孔圆周跳动要求小于0.05，内圆孔与电机轴过盈配合，公差要求控制在0.015 mm 以内，限位挡块3 与带轮2 均要求耐磨损，表面硬度（HRA）要求控制在70～75。针对其结构特征及力学性能要求，制定其粉末冶金工艺为：配料→分形分别挤压成形→组合烧结→热处理→倒角→抛丸→清洗烘干喷油防锈→检验→包装入库。

图2 一级传动带轮零件（单位：mm）

1.1 材料选择

由图1 及图2 可见，一级传动带轮无法通过一次模压成最终形状，而其挡圈1 在实际运行时，只起对带轮的限位作用，要求承受2 kN 力不脱落即可，因此把一级传动带轮进行分型设计，设计挡圈1 单独成形，小带轮2 及限位挡块3 作为一个整体单独成形，控制挡圈1 压坯内孔比小带轮2 压坯端部圆台外径大0.015～0.025 mm，然后把挡圈1 压坯与小带轮2压坯端部圆台配合后进行组合烧结，挡圈1 选材为烧结时会收缩，小带轮2 选材为烧结时会胀大，利用不同材料的烧结特性，使挡圈1 与小带轮2 配合牢固。挡圈1 因其烧结时要求收缩，力学性能要求不高，选普通铁碳材料，其材料质量百分比见下页表1，其烧结收缩率可达到0.998 5～0.999 5；
小带轮2 及限位挡块3 因其烧结时要求膨胀，而小带轮及内圆孔精度要求较高，需尽可能减少其烧结变形量。为满足上述要求，在铁基材料里加入适量的磷元素，配以适当的铜、碳，一方面磷可以促进烧结时孔隙球化，另一方面与铁、碳、铜发生合金化，使产品整体尺寸涨大，同时提高产品的强度[1-2]，为减少磷元素偏析而导致产品变形大，在配料时先把磷元素与铁元素进行预合金化，制成铁磷粉，然后再与其他元素粉混合均匀。其质量百分比见表2，此配比烧结膨胀率为1.005～1.006[3]，烧结条件为1 120 ℃、35～40 min，氮氢保护气氛，氮氢比为90∶10。

表1 材料成分（质量分数）配比 %

表2 材料成分（质量分数）配比 %

1.2 模具设计与调试

由上页图2 可见，挡圈1 结构简单，常规模压成形，压坯密度控制在6.9～7.0 g/cm3；
小带轮2 与限位挡块3 作为整体，根据其结构特征，设计其成形模具为上二下四结构，因其5 个异形减重孔构成的5 个加强筋较窄，厚度较薄，若按常规做成5 个芯棒成形，脱模时力会很大，导致5 个加强筋断裂无法出模成形。因此，对模具结构做了改进，在下二模冲面区上做了5 个异形凸起，在5 个凸起端部，按产品5 个加强筋斜面角度分别做了5 个防形逃料，在5 个异形凸起与下二模冲相连接的根部修了R 角，在5 个加强筋成形高度内沿5 个异形凸起一周分别做了单边5°倾角,这样可充分降低压制成形时5 个加强筋所受的脱模力，使5 个加强筋能顺利出模成形。在限位挡块3大圆台下端面按上一冲内孔直径大小部位进行工艺分成下一模冲，以实现大圆台装料及成形移粉需求，使大圆台的密度和其他部位均匀一致。压制时，上二模冲伸出上一模冲5～6 mm，下二模冲适当移粉，合理调整模腔浮动的开始位置及浮动量的大小，合理调整下一模冲、下二模冲、下三模冲及下四模冲的装粉量，在160 t 压机上成功压制出各台阶密度均匀，整体密度6.9～7.0 g/cm3的小带轮2 与限位挡块3 一体的压坯。模具结构图，见图3。

图3 模具结构（成形脱模位置）

1.3 烧结

将挡圈1 压坯与小带轮2 及限位挡块3 压坯组合在一起，放在平整的陶瓷垫板上，摆放整齐，放在RST300 网带式烧结炉内，在1 120 ℃烧结35～40 min，同时通入氮气和氢气作为保护气氛，氮氢比为90∶10，控制挡圈1 与小带轮2 的烧结过盈量在0.02～0.03，从而使其牢固结合在一起。组合烧结图，见图4。

图4 组合烧结

1.4 热处理

在网带式碳氮共渗热处理炉内进行表面碳氮共渗热处理，碳势0.7～0.8，温度850 ℃，时间80 min；
油冷100 ℃/10 min；
200 ℃回火2 h，保证一级传动小带轮各部位硬度（HRA）在70～75。

1.5 倒角及后处理

在钻床上用专用工装，对产品限位挡块端内孔加工1×30°导向角，去除机加工毛刺。然后在100 kg螺旋振动光饰机内抛丸20 min，以去除产品表面油污、飞边、毛刺等，把抛丸后的产品放在网带式超声波清洗机内对产品进行清洗、烘干、喷油防锈，清洗液按防锈剂与清水1∶100 配制、150～200 ℃烘干15～20 min，最后喷淋SM-3 防锈油。

2.1 性能测试结果

按以上工艺条件生产出的零件经检测，密度6.9～7.0 g/cm3，硬度（HRA）70～75，在压力试验机上测试挡圈1 能承受2.5～3 kN 压力，零件表面硬度（HRA）为70～75，在齿轮跳动检测仪上检测小带轮相对于内圆孔径向跳动为0.03～0.05，其余各项尺寸也完全符合图纸要求。

2.2 装机试验结果

客户以前用机加工件，产品成本高、加工效率低，现用粉末冶金方法生产的一级传动带轮，产品成本低，仅为机加工件的50%，生产效率提高了近3～4 倍，经实际装机测试，各项性能指标完全达到客户使用要求，现已批量稳定生产。