粉末冶金一級傳動帶輪的研制

楊傳芳，王士平

（1.華東冶金地質勘查局超硬材料研究所，安徽 馬鞍山 243012；
2.馬鞍山市華東粉末冶金廠，安徽 馬鞍山 243012）

一級傳動帶輪如圖1 所示，其由擋圈1、小帶輪2及限位擋塊3 組成，為減輕重量，在限位擋塊3 上只保留了必要的5 個加強筋，此結構特征使其用機加工方法生產時難以加工，加工成本高且帶輪精度難以保證，無法形成批量穩定生產。針對一級傳動帶輪的結構特點，充分利用粉末冶金工藝的優勢，把一級傳動帶輪先分成兩個零件，即擋圈1 作為一部分，小帶輪2 及限位擋塊3 作為一部分，先把擋圈1 用模壓成形，小帶輪2 及限位擋塊3 作為一個整體，通過對模具結構的優化設計，再進行模壓成形。設計擋圈1 壓坯內孔比小帶輪2 壓坯端部圓臺外徑大0.015～0.025 mm，然后把擋圈1 壓坯與小帶輪2 壓坯端部圓臺配合后進行組合燒結，檔圈1 選材為燒結時會收縮，小帶輪2 選材為燒結時會漲大，利用不同材料的燒結特性，使擋圈1 與小帶輪2 配合牢固。經燒結后的組合件，再進行表面滲碳熱處理，進一步提高一級傳動帶輪的表面硬度及強度，使其在運轉時耐磨損并能承受較大的扭力，孔口加工導向角，經拋光清洗及適當的防銹處理制成成品。

圖1 一級傳動帶輪

圖2 所示為一級傳動帶輪零件圖，由圖2 可知，擋圈1 要求能承受2 kN 壓力不脫落，小帶輪2 相對于內孔圓周跳動要求小于0.05，內圓孔與電機軸過盈配合，公差要求控制在0.015 mm 以內，限位擋塊3 與帶輪2 均要求耐磨損，表面硬度（HRA）要求控制在70～75。針對其結構特征及力學性能要求，制定其粉末冶金工藝為：配料→分形分別擠壓成形→組合燒結→熱處理→倒角→拋丸→清洗烘干噴油防銹→檢驗→包裝入庫。

圖2 一級傳動帶輪零件（單位：mm）

1.1 材料選擇

由圖1 及圖2 可見，一級傳動帶輪無法通過一次模壓成最終形狀，而其擋圈1 在實際運行時，只起對帶輪的限位作用，要求承受2 kN 力不脫落即可，因此把一級傳動帶輪進行分型設計，設計擋圈1 單獨成形，小帶輪2 及限位擋塊3 作為一個整體單獨成形，控制擋圈1 壓坯內孔比小帶輪2 壓坯端部圓臺外徑大0.015～0.025 mm，然后把擋圈1 壓坯與小帶輪2壓坯端部圓臺配合后進行組合燒結，擋圈1 選材為燒結時會收縮，小帶輪2 選材為燒結時會脹大，利用不同材料的燒結特性，使擋圈1 與小帶輪2 配合牢固。擋圈1 因其燒結時要求收縮，力學性能要求不高，選普通鐵碳材料，其材料質量百分比見下頁表1，其燒結收縮率可達到0.998 5～0.999 5；
小帶輪2 及限位擋塊3 因其燒結時要求膨脹，而小帶輪及內圓孔精度要求較高，需盡可能減少其燒結變形量。為滿足上述要求，在鐵基材料里加入適量的磷元素，配以適當的銅、碳，一方面磷可以促進燒結時孔隙球化，另一方面與鐵、碳、銅發生合金化，使產品整體尺寸漲大，同時提高產品的強度[1-2]，為減少磷元素偏析而導致產品變形大，在配料時先把磷元素與鐵元素進行預合金化，制成鐵磷粉，然后再與其他元素粉混合均勻。其質量百分比見表2，此配比燒結膨脹率為1.005～1.006[3]，燒結條件為1 120 ℃、35～40 min，氮氫保護氣氛，氮氫比為90∶10。

表1 材料成分（質量分數）配比 %

表2 材料成分（質量分數）配比 %

1.2 模具設計與調試

由上頁圖2 可見，擋圈1 結構簡單，常規模壓成形，壓坯密度控制在6.9～7.0 g/cm3；
小帶輪2 與限位擋塊3 作為整體，根據其結構特征，設計其成形模具為上二下四結構，因其5 個異形減重孔構成的5 個加強筋較窄，厚度較薄，若按常規做成5 個芯棒成形，脫模時力會很大，導致5 個加強筋斷裂無法出模成形。因此，對模具結構做了改進，在下二模沖面區上做了5 個異形凸起，在5 個凸起端部，按產品5 個加強筋斜面角度分別做了5 個防形逃料，在5 個異形凸起與下二模沖相連接的根部修了R 角，在5 個加強筋成形高度內沿5 個異形凸起一周分別做了單邊5°傾角,這樣可充分降低壓制成形時5 個加強筋所受的脫模力，使5 個加強筋能順利出模成形。在限位擋塊3大圓臺下端面按上一沖內孔直徑大小部位進行工藝分成下一模沖，以實現大圓臺裝料及成形移粉需求，使大圓臺的密度和其他部位均勻一致。壓制時，上二模沖伸出上一模沖5～6 mm，下二模沖適當移粉，合理調整模腔浮動的開始位置及浮動量的大小，合理調整下一模沖、下二模沖、下三模沖及下四模沖的裝粉量，在160 t 壓機上成功壓制出各臺階密度均勻，整體密度6.9～7.0 g/cm3的小帶輪2 與限位擋塊3 一體的壓坯。模具結構圖，見圖3。

圖3 模具結構（成形脫模位置）

1.3 燒結

將擋圈1 壓坯與小帶輪2 及限位擋塊3 壓坯組合在一起，放在平整的陶瓷墊板上，擺放整齊，放在RST300 網帶式燒結爐內，在1 120 ℃燒結35～40 min，同時通入氮氣和氫氣作為保護氣氛，氮氫比為90∶10，控制擋圈1 與小帶輪2 的燒結過盈量在0.02～0.03，從而使其牢固結合在一起。組合燒結圖，見圖4。

圖4 組合燒結

1.4 熱處理

在網帶式碳氮共滲熱處理爐內進行表面碳氮共滲熱處理，碳勢0.7～0.8，溫度850 ℃，時間80 min；
油冷100 ℃/10 min；
200 ℃回火2 h，保證一級傳動小帶輪各部位硬度（HRA）在70～75。

1.5 倒角及后處理

在鉆床上用專用工裝，對產品限位擋塊端內孔加工1×30°導向角，去除機加工毛刺。然后在100 kg螺旋振動光飾機內拋丸20 min，以去除產品表面油污、飛邊、毛刺等，把拋丸后的產品放在網帶式超聲波清洗機內對產品進行清洗、烘干、噴油防銹，清洗液按防銹劑與清水1∶100 配制、150～200 ℃烘干15～20 min，最后噴淋SM-3 防銹油。

2.1 性能測試結果

按以上工藝條件生產出的零件經檢測，密度6.9～7.0 g/cm3，硬度（HRA）70～75，在壓力試驗機上測試擋圈1 能承受2.5～3 kN 壓力，零件表面硬度（HRA）為70～75，在齒輪跳動檢測儀上檢測小帶輪相對于內圓孔徑向跳動為0.03～0.05，其余各項尺寸也完全符合圖紙要求。

2.2 裝機試驗結果

客戶以前用機加工件，產品成本高、加工效率低，現用粉末冶金方法生產的一級傳動帶輪，產品成本低，僅為機加工件的50%，生產效率提高了近3～4 倍，經實際裝機測試，各項性能指標完全達到客戶使用要求，現已批量穩定生產。