一种具有致密化表面的铁基粉末冶金零件的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有致密化表面的铁基粉末冶金零件的制备方法。
【背景技术】
[0002]粉末冶金零件以其生产效率高、材料利用率高、成本低等优势在汽车、家电等方面获得广泛应用。但是由于粉末冶金件材料本身具有一定的孔隙率，这会对粉末冶金零件的强度造成较强的影响。提高粉末冶金零件的强度、提高其力学性能可扩大粉末冶金制品的应用范围，由此，改善组织结构、消除孔隙，成为粉末冶金件的强化目标。一些常规的零部件大多在循环变化的载荷下工作，疲劳断裂是其主要的失效形式之一，而零件表面塑性致密化是提高零件疲劳强度十分经济且有效的方法。
[0003]目前，常用的表面塑性变形致密化方法有以下两种:
[0004](1)表面滚压致密。表面滚压致密是一种无切削的冷加工工艺，通过特制的滚压工具对工件表面施加一定压力，在常温下利用工件表面层金属的塑性变形，改变表层金属的组织结构、物料性质、机械特性、形状和尺寸。但是表面滚压致密仅适用于外齿轮等少数零件，应用范围较为有限；此外，对于碳含量超过0.3%以上的零件，由于硬度较高，表面滚压致密较为困难，表面密度难以提升。
[0005](2)喷丸强化。喷丸强化是在一个完全控制的状态下，将无数称为钢丸的小圆形介质高速且连续喷射捶打到零件表面，从而在表面产生一个残余压应力层，因为当每颗钢丸撞击金属零件上，宛如一个微型棒捶敲打表面，捶出小压痕或凹陷；为形成凹陷，金属表层必定会产生拉伸，表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，从而产生一个高度压缩力作用下的半球，无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层，最终，零件在压应力层保护下，一定程度地改善了抗疲劳强度，延长了安全工作寿命。但是，这种方法的覆盖率很难保证，如齿根等部位在喷丸时，弹丸难以有效投射到位，而且喷丸后致密层深度较浅，喷丸以后零件表面粗糙度会有所增加，会造成零件耐磨性降低，并使零件震动和噪音增大。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种覆盖率高、致密层深、应用范围广、生产成本低的具有致密化表面的铁基粉末冶金零件的制备方法，该方法制备的铁基粉末冶金零件具有精度高、强度好的优点。
[0007]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种具有致密化表面的铁基粉末冶金零件的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
[0008](1)设计材料组成:按重量百分比计，所使用材料包含碳0?1%，铜0?4%，镍0?25%，锌0?30%，铬0?6%，磷0?1%，锰0?20%，不超过2%的不可避免杂质，以及余量的铁；
[0009](2)混料:按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.1?1%的润滑剂；
[0010](3)压制:将步骤(2)所得混料在大于400MPa的压力下，压制成密度为6.4?7.4g/cm3的零件生还；
[0011](4)烧结:将步骤(3)所得零件生坯在非氧化性气氛中进行烧结，烧结温度为1000。。?1350°C，烧结时间为5?180min ；
[0012](5)挤压:该步骤中使用的挤压阴模具有上下贯通的挤压腔，且该挤压腔的内表面至少成型有自上而下依次衔接的第一导向段、第一挤压段及第一定径段；该步骤中使用的挤压芯棒的外表面成型有自上而下依次衔接的第三导向段、第三挤压段及第二定径段；
[0013]采用挤压阴模对零件的外表面进行挤压，挤压时，先调整挤压模具至初始状态，使下冲模具的端面高于挤压阴模第一导向段最低面0.05?0.2mm，将零件放入挤压阴模的第一导向段，使上冲模具下压、下冲模具保持静止，零件在上冲模具的推动下向下挤压0.1?0.5mm，调整上冲模具与下冲模具位置对零件夹紧并保压且保持相对静止，挤压阴模向上运动对零件进行挤压致密，零件通过挤压阴模第一挤压段完全进入定径段后，下拉或继续上移挤压阴模，移动相应的上冲模具或下冲模具，取出零件，完成挤压致密化，挤压量为 0.01 ?2mm ;
[0014]采用挤压芯棒对零件的内表面进行挤压，挤压时，先调整挤压模具至初始状态，使下冲模具的端面高于挤压阴模第一导向段最低面0.05?0.2mm，将零件放入挤压阴模的第一导向段，使上冲模具下压、下冲模具保持静止，零件在上冲模具的推动下向下挤压0.1?0.5mm，调整上冲模具与下冲模具位置对零件夹紧并保压且保持相对静止，挤压芯棒向上运动对零件进行挤压致密，零件通过挤压芯棒的第三挤压段完全进入第二定径段后，下拉挤压芯棒，使上冲模具向上运动，取出零件，完成挤压致密化，挤压量为0.01?2mm。
[0015]作为改进，所述第一导向段的内径大于第一定径段的内径，且所述第一导向段的侧边与第一挤压段的侧边之间所成锐角为α，且0.5° < α < 15°。当α角度越小时，产品所受到径向的力较大，而当α角度越大时，产品所受到轴向的力越大，此时会增大产品与模具之间的摩擦，不仅不利于产品成型，也易导致模具损伤，降低模具的使用寿命，采用上述设计，使α角保持在合理的范围内，一方面便于产品移动，另一方面能有效降低产品与模具之间的摩擦。
[0016]进一步改进，所述第一定径段的高度为h，0.5mm10mm。采用这样的设计，一方面便于产品成型，另一方面，能避免产品与模具之间过度摩擦。
[0017]再改进，所述挤压阴模的挤压腔的内表面还成型有自上而下依次衔接于第一定径段下端的第二挤压段、第二导向段，所述第二导向段的内径大于第一定径段的内径，且所述第二导向段的侧边与第二挤压段的侧边之间所成锐角为β，3° < β <20°。采用上述结构，当零件通过挤压阴模第一挤压段完全进入定径段后，继续上移挤压阴模，直至零件完全进入第二导向段后，使上冲模具下压、下冲模具保持静止，零件在上冲模具的推动下向下挤压0.1?0.5mm，调整上冲模具与下冲模具位置对零件夹紧并保压且保持相对静止，挤压阴模向下运动对零件进行第二次挤压致密，零件通过挤压阴模第二挤压段完全进入定径段后，下拉或继续上移挤压阴模，移动相应的上冲模具或下冲模具，取出零件，即可完成二次挤压致密；上述β角越小越不利于出模，甚至导致产品卡在模具中无法取出，而β角过于大则容易导致模具开裂，采用上述设计，将β角保持在合理的范围内，一方面利于产品出模，另一发面，确保模具具有较好的牢固度及较长的使用寿命。
[0018]作为改进，所述第三导向段的外径小于第二定径段的外径，且所述第二定径段的侧边与第三挤压段的侧边之间所成锐角为δ，0.5° < δ <15°。当δ角度越小时，产品所受到径向的力越大，而当S角度越大时，产品所受到轴向的力越大，此时会增大产品与模具之间的摩擦，不仅不利于产品成型，也易导致模具损伤，降低模具的使用寿命，采用上述设计，使S角保持在合理的范围内，一方面便于产品移动，另一方面能有效降低产品与模具之间的摩擦。
[0019]进一步改进，所述挤压芯棒的第二定径段的高度为L2，0.5mm ^ L2 ^ 10mm。采用这样的设计，一方面便于产品成型，另一方面，能避免产品与芯棒之间过度摩擦。
[0020]作为优选，在步骤⑷完成后，步骤(5)开始前，在非氧化性气氛中对烧结后的零件进行退火处理，退火温度为750?1080°C，退火保温时间5?200min，退火处理完成后从退火温度到300°C之间的冷却速度小于1.5°C /s。对于碳含量低于0.2%的零件，该退火工序可省略。
[0021]优选地，步骤(5)中对零件进行挤压前先将零件预热至温度高于室温而低于ΙΟΟΟΓ ο
[0022]在上述各方案中，步骤(5)中上冲模具或下冲模具对零件夹紧并保压的压力不小于挤压力在模具运动方向上的分力。
[0023]优选地，所述润滑剂及石墨采用粘接处理方式加入，以便于分散均匀。
[0024]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0025]本发明为了使制备的铁基粉末冶金零件具有较好的致密化效果，专门设置了用于挤压零件外表面的挤压阴模和挤压零件内表面的挤压芯棒，并辅以能将零件进行夹紧的上冲模具及下冲模具，使用时，零件固定不动，移动相应的挤压模具完成挤压，这样的方式可以避免挤压完毕出模后零件易出现裂缝的缺陷；与现有技术中在烧结步骤后进行表面塑性致密化处理时所需要的能量相比，本发明可以以较小的挤压余量得到较大的变形深度，且显著降低了能量需求，从而降低了生产成本，提高了致密化程度；与传统的粉末冶金工艺相比，采用本发明特制的挤压模具大大减少了因零件表面材料流动而导致的零件高度增加问题，且可以减少毛刺飞边的产生，降低了后道加工的工作量，挤压后的零件致密层深，有效提高了产品的密度，产品整体密度可超过7.60g/cm3，接近粉末锻造的水平，产品表面相对密度可以达到99%以上，致密层覆盖率高，从而使铁基粉末冶金零件具有精度高、强度好的优点；另外，本发明的致密化方法可适用于多种形状的零件，而不局限于外齿轮等少数零件，应用范围广。
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例中挤压阴模的结构示意图；
[0027]图2为本发明实施例中挤压芯棒的结构示意图；
[0028]图3为本发明实施例中零件挤压前的形貌图；
[0029]图4为本发明实施例中零件挤压后的形貌图；
[0030]图5为本发明实施例1中零件的结构示意图；
[0031]图6为本发明实施例2中零件的结构示意图；
[0032]图7为本发明实施例3中零件的结构示意图；
[0033]图8为本发明实施例4中零件的结构示意图；
[0034]图9为本发明实施例5中零件的结构示意图；
[0035]图10为本发明实施例6中零件的结构示意图。
【具体实施方式】
[0036]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0037]实施例1:
[0038]本实施例中具有致密化表面的铁基粉末冶金零件的制备方法包括以下步骤:
[0039](1)设计材料组成:按重量百分比计，所使用材料包含碳0.7%，铜2%，不超过2%的不可避免杂质，以及余量的铁；
[0040](2)混料:按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.5%的润滑剂；
[0041](3)压制:将步骤⑵所得混料在600MPa的压力下，压制成密度为7.lg/cm3的零件生坯，如图5所示；
[0042](4)烧结:将步骤(3)所得零件生坯在真空炉中进行烧结，烧结温度为1200°C，烧结时间为20min ；
[0043](5)退火:在氮气气氛中对烧结后的零件进行退火处理，退火温度为850°C，退火保温时间6min，退火处理完成后从退火温度到300°C之间的冷