一种铁基梯度结构齿轮及其制备方法

专利名称：一种铁基梯度结构齿轮及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种齿轮，特别是涉及一种铁基梯度结构齿轮，本发 明还涉及该铁基梯度结构齿轮的制备方法。
背景技术：
为提高铁基齿轮的耐磨性能，现有的技术通常是对其进行涂层或 渗碳、渗氮等表面处理。齿轮渗碳工艺得到的渗碳层总有一层氧化脱
碳层，而且渗碳时间长、能量消耗大、污染环境；渗氮工艺得到的渗 氮硬化层很薄，在冲击载荷下容易破碎，磨损较严重时也会因硬化层 被磨掉而报废。涂层工艺的涂层和基体的结合强度较低(通常低于 30MPa)，而且涂层很薄在冲击载荷下容易破碎剥离。现有的齿轮表面 处理工艺都无法同时满足使用上成本和性能的统一要求。
近年研究发现通过采用粉末共注射成形工艺能实现低成本大批 量的制备高性能梯度结构齿轮。粉末共注射成形基本工艺过程是将 两种材料的粉末与有机粘结剂各自均匀混合，首先将一定量表层材料 注入模腔内；然后立刻注入芯层材料，迫使表层材料完全充满模腔， 使表层材料将芯层材料包围在中心，最后再次注射表层材料，以便在 浇口处将表面层补充完整，可以得到表层/芯层具有不同材料及功能 的结构，再将成形坯中的粘结剂脱除，经烧结致密化得到最终产品。 共注射成形工艺技术可以实现复杂形状、高性能的功能结构一体化零 件的净成形和大批量生产，在注射过程中一步完成涂层、表面处理等 其他方法需要二次加工的过程，从而大大降低了零部件制备的成本。
采用共注射成形工艺制备的梯度结构齿轮具有三个其他方法无 法比拟的优势。(1)、齿轮表层耐磨性能提高通过对表层材料中添 加合金元素和硬质第二相粒子，可以使其硬度远超过其他表面处理方 法；(2)、芯壳层厚度任意可调通过调整芯壳层相对含量，可以调 整壳层材料的厚度，从而避免了涂层或表面处理层很薄容易出现的在 冲击载荷下破碎剥离问题；(3)、界面结合强度高，可以实现完全的 冶金结合，界面结合强度超过280MPa。

发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种界面结合强度高 且表面硬度高的铁基梯度结构齿轮。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种解决共注射和共烧结相容性；实现近净成形的铁基梯度结构齿轮的制备方法。
为了解决第一个技术问题，本发明提供的铁基梯度结构齿轮，由 在芯层外层包覆有壳层组成，其特征是所述的壳层和所述的芯层通 过冶金结合，达到高的界面结合强度，所述的芯层采用Fe2Ni，所述 的壳层为Fe-2Ni-1、 2、 3Cr。
为了解决第二个技术问题，本发明提供的铁基梯度结构齿轮的制 备方法，将铁粉、镍粉、铬粉混合均匀后与粘结剂混合制粒；采用粉 末共注射成形技术，先注射成形壳层部分，再注射成形芯层部分，两 次注射成形的喂料不同；注射成形坯经脱脂和烧结后，得到制品，其 特征是(1)、芯层原料粉末为Fe-2Ni混合粉，壳层的原料粉末为 Fe-2Ni-1、 2、 3Cr混合粉；两种喂料均采用油-石蜡-聚烯烃粘结剂体 系，其配方为按重量百分比，取聚乙二醇10—40%、植物油5—20%、 聚乙烯15—30%、增塑剂1一10%，石蜡15—54%;芯壳层喂料粘结剂 与原料粉末分别按体积3S 56:62 44配合；粘结剂与原料粉末混合 均匀后，用制粒机对喂料制粒；共注射成形的工艺参数以注射温度 135。C 155。C，注射压力80MPa 100MPa，注射速度50 65%，模温 3(TC 6(TC条件下，加工成坯件，得到所需形状的无缺陷注射生坯。
(2)、成形坯脱脂采用两歩脱脂法将成形坯中粘结剂脱除，首 先将坯件置二氯甲烷中，溶解石蜡和植物油组分；然后在氩气气氛下， 以10。C/min速度加热至300°C，然后以15°C/min的速度加热至720 。C进行热脱脂；烧结在真空烧结炉内进行，真空度为10—iPa，采用两 种升温速率慢升温速率4°C/min至525°C，快升温速率10°C/min 至烧结温度1050°C 1350°C，保温3 5 h，最后随炉冷却至室温即 可。烧结完成后即可得到梯度结构齿轮件。
采用上述技术方案的铁基梯度结构齿轮及制备方法，为了实现高 的表层硬度和芯/壳层结合强度，采用了 Fe2Ni为芯层，添加合金元 素Cr的Fe2Ni为壳层，通过Cr的强化效果，釆用烧结/热处理使表 层硬度超过40HRC，芯壳层实现冶金结合，通过烧结时间调整，实现 Cr在界面处的均匀扩散，达到高的芯/壳层结合强度。
发明的效果或特点
1、 本发明制备铁基梯度结构齿轮，可一次成形，无需后续表面 处理，大大降低成本。
2、 芯/壳层结合强度超过280Mpa;表层硬度超过40HRC。 本发明在结构设计方面解决表层硬度和芯/壳层结合强度的矛
盾，实现高界面结合强度并能达到高的表面硬度；在制备工艺方面， 解决共注射和共烧结相容性，不出现前沿突破和烧结界面开裂；实现 近净成形。


图1为本发明的齿轮结构剖面图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例详细介绍本发明。
参见图1，在芯层1外层包覆有壳层2组成，壳层2和芯层1通 过冶金结合，芯层1采用Fe2Ni，所述的壳层2为Fe-2Ni-l、 2、 3Cr。 其制备方法的步骤如下
a、 原料粉末的准备齿轮壳层原料粉末的配制，按重量百分比， 取铁粉95%、 Ni粉2M、 0粉3%;齿轮芯层原料粉末的配制，按重量 百分比，取铁粉98%、 Ni粉2%，置四罐混料器，将粉末原料混合均匀；
b、 粘结剂的制备按重量百分比，取聚乙二醇10—40%、植物油 5_20%、聚乙烯15—30%、增塑剂1一10%，石蜡15—54%，置叶片式 混料机中，在140°C —16(TC温度下混合1小时；
c、 配料粘结剂分别与已混匀的Fe-2Ni原料粉末和Fe-2Ni-l、 2、 3Cr原料粉末，芯壳层喂料粘结剂与原料粉末分别按体积38 56:44 62配合，在混料机中于140°C 160°C温度下混合1. 5h;
d、 注射成形采用顺序共注射方法，将上述混料置于注射成形 机内，以注射温度135°C 155°C，注射压力80MPa 100MPa，注射速 度50 65%，模温30。C 60。C条件下，加工成坯件；
e、 脱脂首先将坯件置二氯甲烷中，溶解石蜡和植物油组分； 然后在氩气气氛中，以10°C/min速度加热至300°C，然后以15°C/min 的速度加热至72(TC进行热脱脂；
f、 烧结在真空烧结炉内进行，真空度为10—卞a，采用两种升 温速率慢升温速率4°C/min至525°C ，快升温速率10°C/min至烧结 温度1050°C 1350°C ，保温3 5 h，最后随炉冷却至室温。
本发明的创新点
1、 结构设计创新梯度齿轮的结构外层为添加合金元素Cr的 Fe2Ni有高的耐磨性，有利于苛刻条件下的使用；而内芯为高韧性 Fe2Ni，提高了齿轮的耐冲击性能和使用寿命。
2、 制备工艺创新采用粉末共注射成形技术，先注射成形外层 部分，再注射成形内核，两次注射成形的喂料不同，再脱脂、烧结， 完成基体制备。
权利要求
1、一种铁基梯度结构齿轮，由在芯层(1)外层包覆有壳层(2)组成，其特征是所述的壳层(2)和所述的芯层(1)通过冶金结合，所述的芯层(1)采用Fe2Ni，所述的壳层(2)为Fe-2Ni-3Cr。
2、 制备权利要求1所述的铁基梯度结构齿轮的方法，将铁粉、 镍粉、铬粉混合均匀后与粘结剂混合制粒；采用粉末共注射成形技术， 先注射成形壳层部分，再注射成形芯层部分，两次注射成形的喂料不 同；注射成形坯经脱脂和烧结后，得到制品，其特征是(1) 、芯层原料粉末为Fe-2Ni混合粉，壳层的原料粉末为 Fe-2Ni-l， 2， 3Cr混合粉；两种喂料均采用油-石蜡-聚烯烃粘结剂体 系，其配方为按重量百分比，取聚乙二醇10—40%、植物油5—20%、 聚乙烯15—30%、增塑剂1一10%，石蜡15—54%;芯壳层喂料粘结剂 与原料粉末分别按体积比38 56:62 44配合；粘结剂与原料粉末混 合均匀后，用制粒机对喂料制粒；共注射成形的工艺参数以注射温 度135°C 155°C ，注射压力80MPa 100MPa，注射速度50 65%，模 温3(TC 6(TC条件下，加工成坯件，得到所需形状的无缺陷注射生坯。(2) 、成形坯脱脂采用两步脱脂法将成形坯中粘结剂脱除，首 先将坯件置二氯甲烷中，溶解石蜡和植物油组分；然后在氩气气氛下， 以10°C/min速度加热至300°C，然后以15°C/min的速度加热至720 "C进行热脱脂；烧结在真空烧结炉内进行，真空度为10—iPa,采用两 种升温速率慢升温速率4°C/min至525°C，快升温速率10°C/min 至烧结温度1050°C 1350°C，保温3 5 h，最后随炉冷却至室温即 可。
全文摘要
本发明公开了一种铁基梯度结构齿轮及制备方法，为了实现高的表层硬度和芯/壳层结合强度，采用了Fe₂Ni为芯层，添加合金元素Cr的Fe₂Ni为壳层，通过Cr的强化效果，采用烧结/热处理使表层硬度超过40HRC，芯壳层实现冶金结合，通过烧结时间调整，实现Cr在界面处的均匀扩散，芯/壳层结合强度高于280MPa。
文档编号F16H55/17GK101555937SQ200910043468
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月20日 优先权日2009年5月20日
发明者浩 何, 嵘 唐, 张建光, 李益民 申请人:中南大学