本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种高性能粉末锻造齿轮及其制备方法。
背景技术：
齿轮作为重要的传动零件，不仅需要高硬度，好的耐磨性能，最好还可以有孔隙便于吸收噪音降低振动。传统机械加工出来的铸钢或锻钢齿轮，具有力学性能好，精度高的优点，但是材料利用率低，机械加工成本高，耗时长。粉末冶金齿轮，由于烧结产品没有达到全致密，力学性能不及机械加工出的齿轮，接触强度比较低，不能传递大扭矩；若使用油浸润这些齿轮中未致密的连通孔隙，增强其润滑性即可增强耐磨性，这些含油齿轮也可以形成免润滑零件。此外，由于其中的孔隙具有吸震降噪的效果，用齿轮噪声试验机试验的结果表明，粉末冶金齿轮比普通钢制齿轮的噪声等级小。现有提高粉末冶金齿轮性能的方法，主要是对齿轮的齿部进行滚压以提高其硬度以及抗冲击性能，但是滚压设备价格高昂，工序耗时长。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高性能粉末锻造齿轮及其制备方法。本发明利用粉末锻造技术，通过设计预压件，得到致密的齿轮齿部，以及有孔隙不致密的齿轮芯部，相比于滚压得到的粉末冶金齿轮，关键工作部位的齿部密度达到理论致密，力学性能好，设备投入更少，成本更低。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法，包括以下步骤：
1)制备或购买市售符合目标齿轮成分的合金粉末；
2)根据目标齿轮的尺寸确定预压件的尺寸和形状，设计冷压模具；将步骤1)制备的合金粉末装入冷压模具，进行冷压，获得预压件；
3)烧结预压件，得到烧结后的预压件；
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙，高频感应加热喷丸密封处理后的预压件；
5)热锻预压件后空冷，得到齿轮；精整齿轮；
6)淬火处理齿轮后，得到所述高性能粉末锻造齿轮。
本发明的进一步改进在于：
步骤2)中选用deform有限元模拟软件确定预压件的尺寸和形状；步骤2)中冷压压力为500-600mpa。
步骤3)中脱脂温度为400-500℃，脱脂时间为10-20min，脱脂气氛选用真空或还原性气氛。
步骤3)中烧结温度根据《mpifstandard35-2012》确定；烧结时间为40-60min；烧结气氛选用真空或还原性气氛。
步骤4)中喷丸强度almena为0.1-0.3mm。
步骤4)中高频感应加热时间为5-10s，加热温度为1100-1200℃。
步骤5)中热锻温度为900-1200℃。
步骤6)中淬火处理为将步骤5)得到的齿轮加热至900-1100℃，放入水中冷却。
一种采用上述制备方法制得的高性能粉末锻造齿轮，包括依次接触的齿部(1)、过渡区(2)和芯部(3)；齿部(1)的孔隙度＜2％，芯部(3)的孔隙度＞10％，2％≤过渡区(2)的孔隙度≤10％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法，所述制备方法利用deform设计出预压件的形状和尺寸，将预压件在烧结之后取出，通过锻造、淬火等方式处理。通过控制锻造过程的参数，使得预压件在形变过程中，齿轮齿部由部分芯部的材料在模具中挤压形成，齿部因受到挤压呈致密状态，芯部受到挤压力较小，形变量小而未达到致密状态，得到了致密的齿部与不致密的芯部。对表面进行喷丸密封处理使得表面的孔隙被封，提高齿轮表面的抗氧化性；高频加热使预压件形成热度梯度，表面温度高于芯部，为热锻过程表面和芯部的形变量不同做准备；相对于传统的粉末冶金齿轮，本发明公开的方法，增加了一道锻造工序，制备出的齿轮性能大幅度提高，制备过程不需要购买昂贵的滚齿设备，且时间成本大幅减小；该制备方法适用于规模化生产，经济高效。
通过本发明公开的制备方法制得的齿轮，根据实际服役要求，使主要接触受力的部位是全致密材料，而不接触受力的地方为有孔隙的材料，有吸震降噪的作用。使齿轮的齿部具有好的力学性能的同时，芯部的孔隙具有抗震降噪的功能。而制备过程的成本降低，更易于自动化，通过本方法制备出的齿轮能够用于高扭矩的传动齿轮上。
【附图说明】
图1为本发明预压件设计图的正视剖面结构示意图；
图2为本发明预压件设计图的俯视结构示意图；
图3为本发明齿轮最终成型图以及实际锻造产品图；
图4为本发明齿轮齿部的金相组织；
图5为本发明齿轮芯部的金相组织。
其中：1-齿部；2-过渡区；3-芯部。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明公开了一种高性能粉末锻造齿轮的制备方法，具体包括以下步骤：
1)制备合金粉末；若制作齿轮的粉末成分为已有牌号，则购买市售的合金粉末备用；若无现成牌号，单独购买每一种合金材料粉末，根据目标合金粉末成分，对材料进行配料，在混料机中充分搅拌，混合均匀，制得合金粉末备用；
2)根据目标齿轮的尺寸确定预压件的尺寸形状；利用deform有限元模拟软件设计冷压模具，确定预压件的尺寸形状；将步骤1)中制备的合金粉末装入冷压模具，进行冷压，冷压压力为500-600mpa，获得预定形状和尺寸的预压件；
3)对预压件在400-500℃，真空或还原性气氛中，保温10-20分钟脱脂，得到脱脂后的预压件；烧结脱脂后的预压件，根据《mpifstandard35-2012》标准确定合适的烧结温度，然后在烧结温度，真空或还原性气氛中烧结40-60min，得到烧结后的预压件；
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙，喷丸强度almena为0.1-0.3mm；将喷丸后的预压件放至高频感应加热炉中加热，加热时间为5-10s，加热温度为1100-1200℃；本发明的喷丸密封处理表面利用传统的喷丸工艺处理烧结后预压件，即通过喷丸工艺密封齿轮表面的孔隙，齿轮表面的孔隙率低，使得齿轮在服役过程中，表面抗氧化性能好。
5)将高频加热后的预压件放入至热锻模具中进行热锻，热锻模具为目标齿轮的形状及尺寸；热锻温度为900-1200℃；热锻后得到齿轮，将齿轮进行空冷后机加工，以去除齿轮表面氧化层及结构余量，得到目标尺寸与形状的齿轮。
6)将机加工后的齿轮加热至900-1100℃，放入至室温的水中冷却，为对齿轮进行淬火处理，得到高性能的粉末锻造齿轮。
得到的高性能粉末锻造齿轮由外向内分为三部分，为依次接触的齿部1、过渡区2和芯部3；参见图4，齿部1为致密度最高的结构，孔隙率＜2％，hrc＞60；参见图5，芯部3的孔隙率＞10％(图中黑色的点为孔)，使芯部有吸震降噪的作用；过渡区2在齿部1和芯部3之间，2％≤孔隙率≤10％。
实施例1：fe-c-cu齿轮
1)直接购买成品fe-c-cu粉末，粉末的成分质量比为：cu：2.5％，c：0.5-0.64％，润滑剂0.45-0.6％，余量为铁；
2)利用deform有限元模拟软件设计冷压模具，将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总，在600mpa下进行冷压，获得预定形状和尺寸的预压件；
3)对预压件在400℃，90％n2-10％h2的还原性气氛中，保温10分钟脱脂；然后在1280℃下，在90％n2-10％h2的还原性气氛中烧结40分钟；
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙，喷丸强度为almena：0.1mm；将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热，加热时间为6s，加热温度为1100℃；
5)热锻并机加工处理预压件，热锻温度为1000℃；
6)将机加工的齿轮加热至900℃后放入至水中冷却，得到高性能的粉末锻造齿轮。
实施例2：fe-c-ni-mo-cu齿轮
1)对fe-c-ni-mo-cu合成粉末进行配料，成分质量百分比为：镍0.5-4％，钼0.2-4％，铜0.5-3.2％，石墨0.5-0.8％，润滑剂0.4-0.9％，余量为铁；按照上述成分分别称取原料粉末，在混粉机内分别充分混合均匀；
2)利用deform有限元模拟软件设计冷压模具，将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总，在500mpa下进行冷压，获得预定形状和尺寸的预压件；
3)对预压件在500℃，90％n2-10％h2的还原性气氛中，保温12分钟脱脂；然后在1350℃下，在90％n2-10％h2的还原性气氛中烧结60分钟；
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙，喷丸强度为almena：0.2mm；将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热，加热时间为5s，加热温度为1200℃；
5)热锻并机加工处理预压件，热锻温度为900℃；
6)将机加工的齿轮加热至1000℃后放入至水中冷却，得到高性能的粉末锻造齿轮。
实施例3：fe-c-cu齿轮
1)直接购买成品fe-c-cu粉末，粉末的成分质量比为：cu：2.5％，c：0.5-0.64％，润滑剂0.45-0.6％，余量为铁；
2)利用deform有限元模拟软件设计冷压模具，将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总，在560mpa下进行冷压，获得预定形状和尺寸的预压件；
3)对预压件在420℃，真空气氛中，保温20分钟脱脂；然后在1280℃下，在真空气氛中烧结42分钟；
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙，喷丸强度为almena：0.3mm；将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热，加热时间为8s，加热温度为1140℃；
5)热锻并机加工处理预压件，热锻温度为1000℃；
6)将机加工的齿轮加热至1000℃后放入至水中冷却，得到高性能的粉末锻造齿轮。
实施例4：fe-c-ni-mo-cu齿轮
1)对fe-c-ni-mo-cu合成粉末进行配料，成分质量百分比为：镍0.5-4％，钼0.2-4％，铜0.5-3.2％，石墨0.5-0.8％，润滑剂0.4-0.9％，余量为铁；按照上述成分分别称取原料粉末，在混粉机内分别充分混合均匀；
2)利用deform有限元模拟软件设计冷压模具，将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总，在540mpa下进行冷压，获得预定形状和尺寸的预压件；
3)对预压件在440℃，真空气氛中，保温16分钟脱脂；然后在1350℃下，在90％n2-10％h2的还原性气氛中烧结46分钟；
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙，喷丸强度为almena：0.3mm；将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热，加热时间为10s，加热温度为1150℃；
5)热锻并机加工处理预压件，热锻温度为1100℃；
6)将机加工的齿轮加热至950℃后放入至水中冷却，得到高性能的粉末锻造齿轮。
实施例5：fe-c-cu齿轮
1)直接购买成品fe-c-cu粉末，粉末的成分质量比为：cu：2.5％，c：0.5-0.64％，润滑剂0.45-0.6％，余量为铁；
2)利用deform有限元模拟软件设计冷压模具，将步骤1)购买的粉末放入至冷压模具汇总，在520mpa下进行冷压，获得预定形状和尺寸的预压件；
3)对预压件在480℃，90％n2-10％h2的还原性气氛中，保温18分钟脱脂；然后在1280℃下，在真空气氛中烧结48分钟；
4)喷丸密封处理烧结后预压件的表面孔隙，喷丸强度为almena：0.1mm；将喷丸后的预压件在高频感应加热炉中加热，加热时间为7s，加热温度为1180℃；
5)热锻并机加工处理预压件，热锻温度为1000℃；
6)将机加工的齿轮加热至1050℃后放入至水中冷却，得到高性能的粉末锻造齿轮。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。