粉末冶金齒輪生產及應用前景

齒輪傳動是現代機械產品中應用最廣的一種機械傳動。這是因為它能保證恒定的傳動比．具有傳動功率范圍大、效率高、壽命長等優點。不足之處是齒輪的生產成本高、制造與安裝精度高。而用粉末冶金工藝制造的齒輪恰恰可大幅度地降低生產成本．保證齒輪的形位與尺寸公差的一致性。與用硬模鑄造、灰鑄鐵件、鍛軋材料、鍛件等機械加工、沖壓、擠壓、精密鑄造等制造的齒輪相比．粉末冶金齒輪有一系列的優點。但同時，由于各種制造因素上的考慮．粉末冶金齒輪的應用受到一些限制。

當前．用粉末冶金法可經濟制造的齒輪主要種類有：正齒輪(外齒輪與內齒輪)、直齒傘齒輪、螺旋傘齒輪、棘輪型齒輪、偏軸傘齒輪、斜齒輪、齒輪組件、鏈輪。

1、粉末冶金概況

20世紀90年代以來，我國粉末冶金制品行業對外引進關鍵制造技術及硬件設備，進行大規模技術改造．為粉末冶金發展打下了良好基礎。

目前在全國粉末冶金零件生產企業中．規模和產銷量列前的有寧波金雞粉末；臺金集團公司、揚州保來得工業有限公司、重慶華孚工業公司、上海汽車股份有限公司粉末冶金廠、江蘇海安鷹球集團等數十家專業粉末冶金企業。

2、粉末冶金齒輪特點

雖然粉末冶金齒輪在整個粉末冶金零件中難以單獨統計，但無論是按質量還是按零件數量．粉末冶金齒輪在汽車、摩托車中所占的比例都遠遠大于其他領域中的粉末冶金零件：因此．從汽車、摩托車零件在整個粉末冶金零件中所占比例的上升．可以看出．粉末冶金齒輪在整個粉末冶金金零件中處于飛速發展的地位。如果按零件特點來分．齒輪屬于結構類零件．而結構類零件在整個鐵基零件中所占的絕對質量也遠遠大于其他幾類。

粉末冶金齒輪的品種和產量在日益增加，它們的應用范圍日益廣泛。這是由于：

1)當齒輪具有不規則曲線、偏心、徑向突出部或凹窩：當齒輪具有不規則孔、鍵槽、扁平側面、花鍵、方孔、錐孔；當齒輪在軸向具有突出部、溝槽、盲孔及不同深度的凹窩等時．粉末冶金法均易于制造，不需或只需少量機械加工。一般粉末冶金齒輪用粉末冶金法制造時，只需要五道工序．即成形一燒結一熱處理一回火一浸油。用鑄鍛材料機械加工制造時．需經車外圓一車內圓一兩端面一粗銑凹槽一拉鍵槽一滾齒一去毛刺一熱處理一回火等十道工序。因此，采用粉末冶金法制造時．由于省工、省料、生產效率高、使用的設備少、節能．齒輪的生產成本顯著減低。

2)用粉末冶金法制造齒輪時．材料利用率可達95％以上。這是因為：

a．可直接成形為成品零件的形狀：

b．燒結前的任何壓坯廢品．都可重新粉碎和加以利用。這在用其它加工方法制造齒輪時是不可能的。

3)粉末冶金齒輪的重復性非常好。因為粉末；臺金齒輪是用模具壓制成形的，在正常使用條件下，一副模具約可壓制幾萬至幾十萬件齒輪壓坯。用機械加工法制造齒輪時．要使一件件齒輪的形狀、尺寸均勻一致是十分困難的。機械加工中的各種變量．如切削刀具的磨損、加工裝置剛性差、齒輪坯的硬度不同及機床的軸承間隙不同等，這些都會使制造的齒輪的形狀、尺寸不一樣。

4)粉末冶金法可將幾個零件一體化制造．從而可省下以后的處理與組裝費用。用粉末冶金法制造多聯齒輪和復合齒輪時，可將齒壓制到全高直接到毗連鄰接齒輪的拐角處，這在一般機械加工，如銑、刨或滾齒都是難以做到的。

5)粉末冶金齒輪的材料密度是可控的。或者說，具有一定量的連通孔隙。粉末冶金齒輪通常含浸有5％-20％潤滑油，以供某種程度的自潤滑．從而提高耐磨性。利用粉末冶金法還能將齒輪的不同部分作成不同的密度，例如，齒轂部分作成較低的密度。以增強自潤滑而齒部做成高密度．以增高韌性和沖擊強度。

6)在粉末冶金生產中，為便于成形后從壓模中脫出壓坯．壓模工作面的粗糙度都非常好。因此，齒輪壓坯，特別是齒部的表面粗糙度很高。這種優異的表面粗糙度在齒輪運轉中可將齒的磨損與噪聲降低到最低限度。

粉末冶金齒輪的噪聲比鍛造材料制造者小，這已是定論。這可能是燒結材料具有的多孔性造成的衰減作用所致。用齒輪噪聲試驗機試驗的結果表明．粉末冶金齒輪比普通鋼制齒輪的噪聲等級小。

當然，粉末冶金法制造齒輪，也受到制造因素上的一些限制．一般說來。受到的限制主要是：

a．粉末冶金齒輪的最大橫斷面尺寸，取決于制造廠的壓機能力：

b．由于壓制與模具方面的原因，一般的渦輪、人字齒輪及螺旋角大于35°的斜齒輪都不能用粉末冶金法制造：

C．一般燒結鐵基材料的；沖擊值較低：雖燒結鍛造材料的；沖擊值比一般燒結材料高得多．但仍不如相應成分的致密材料。

3．1凸輪軸齒型帶輪

凸輪軸齒型帶輪是各種汽車發動機中普遍使用的粉末冶金零件，通過一次成形和精整工藝．不需要其他后處理工藝．可以完全達到尺寸精度要求尤其是齒型精度．因此，與用傳統機械加工方法制造相比．在材料投入和制造工藝上都大大減少．是體現粉末冶金特點的典型產品。

3．2曲軸齒型帶輪

曲軸齒型帶輪也是汽車發動機中較典型的粉末冶金零件，與凸輪軸齒型帶輪相比，它有四個螺紋孔．是必須通過鉆孔．攻螺紋方法加工出來的．

目前，汽車發動機中的凸輪軸、曲軸齒型帶輪使用粉末冶金件是成本最低、最合理的一種方法：現在有部分新車型設計時采用鏈輪代替傳統的齒型皮帶輪，同樣采用粉末冶金方法來制造。

3．3從動齒輪

摩托車中的各種從動齒輪是國內粉末冶金廠家生產中產量最大、最集中的一種粉末冶金齒輪，該齒輪進口件費用很大．因此需要在國內生產來替代進口。由于從動齒輪的齒型精度要求ISO7級．尺寸配合要求高，因此難度較大。國內粉末冶金廠經過反復試驗．目前已經能夠達到設計要求，而且也體現出了粉末冶金從動齒輪耐磨性好．噪聲小的特點。

制造方法：成形一燒結一整形一高頻淬火一弟0齒一加工內孔一浸油；由于齒輪經燒結及齒部表面高頻淬火處理后，齒部、齒形、齒向都會產生一定的變形，因此提高模具精度．減少燒結和熱處理的變形量是生產控制的重點。

3．4油泵齒輪

各種機油泵中的油泵齒輪具有幾何精度和齒型精度非常高的特點，在采用粉末冶金的生產過程中．對于模具的設計和制造具有較高要求，需要結合粉末冶金本身的特點．找出產品從壓制成形到燒結過程中的齒型變化一齒頂、齒廓齒根的規律：再結合粉末冶金精整的特點．確定出精整模的內腔輪廓。通過采用粉末冶金法制造機油泵齒輪，可以免除以往機械加工中對齒型的精密加工，保證齒形和幾何精度．以及尺寸的穩定性。

3．5傘齒輪

傘齒輪從用失蠟鑄造改成粉末冶金法生產．生產成本可減低32％。

4、粉末冶金齒輪的發展前景

雖然粉末冶金行業已經經過了近十年的高速發展．但與國外的同行業仍存在以下幾方面的差距：

1)企業多，規模小．產品價格低．經濟效益與國外企業比相差很大；

2)產品交叉．相互壓價，競爭異常激烈：

3)研發能力落后．產品檔次低．難以與國外競爭；

4)再投入缺乏與困擾：

5)工藝裝備、配套設施落后：

6)產品出口少，貿易渠道不暢。

但隨著我國加入WTO以后．以上種種不足和弱點將有可能得到改善，這是因為加入WTO后，市場逐漸國際化，粉末冶金市場將得到進一步擴大的機會：而同時隨著國外資金和技術的進入，粉末冶金及相關的技術水平也必將得到提高和發展。

從與粉末冶金齒輪關系最密切的汽車、摩托車行業來看，我國汽車、摩托車的市場潛力仍然很大。一方面。在中小城市和農村中，摩托車仍然占據著主要的市場，而隨著中央開拓、發展我國西地區的決策進一步深入貫徹，摩托車市場將會在我國西部進一步擴大：另一方面。目前全國汽車行業正圍繞著家用轎車這一新興市場，展開著又一輪市場競爭。這些行業的振興與發展，為與之相配套的粉末冶金齒輪的發展提供了契機。從國際上發展趨勢來看，粉末冶金齒輪由于其價格低廉，可減輕零件重量的優勢，也越來越受到各個領域整機廠重視，粉末冶金齒輪正越來越多地在替代著傳統的鑄鍛鋼材和切削加工齒輪。例如，在北美和歐洲地區，從1990年以后，每輛家用轎車和輕型車中粉末冶金零件，尤其是粉末冶金齒輪的重量增長迅速。

近幾年來，粉末冶金技術也正在飛速發展，燒結鍛造、溫壓技術、注射成形、燒結淬硬工藝等技術正在得到更廣泛的應用。粉末鍛造是當今粉末冶金機械零件工業中采用的一種主要成形工藝。它是將原料粉末用剛性模具或冷等靜壓成形為預成形坯，經過或不經過低溫預燒結或最終燒結，用熱鍛或冷鍛改變其形狀的同時，實現高密度化的一項技術。

以燒結件作為預成形坯者，叫做燒結鍛造。粉末鍛造有效地利用了粉末冶金工藝的特點，作為一種優異的精鍛技術引起了人們普遍的關注。粉末鍛造具有下述的優點：①鍛造工序少，粉末鍛造只需要一副模具和一次鍛打，而普通鍛造需用三副或多副模具，進行三次或多次鍛打：②鍛造壓力小：③鍛造溫度低；④無飛邊，減少機械加工，材料利用率高；⑤粉末鍛造尺寸精度與粉末冶金冷壓的相當，而力學性能可與鍛軋鋼材相比，并且力學性能的方向性小：⑥可制造形狀復雜的零件；⑦零件質量精確一致，這對有平衡要求的零件是有用的。

用溫壓工藝制造高密度粉末冶金沖擊齒輪在國內已經批量投入生產，這一工藝不僅大大提高了鐵基零件一次壓制一燒結的密度，而且該工藝的壓制壓力和脫模力均較傳統方法低，從而提高了模具壽命，降低了成本，特別對于復雜形狀、高密度、高強度零件的開發具有巨大的生命力和潛力。目前，采用此工藝制造的粉末冶金齒輪經過一次壓制一燒結即可達到大于7．0g／cm。的密度，燒結硬度不小于35HRC，抗拉強度不小于760MPa；在相同性能指標下，成本可降低50％以上，具有顯著的經濟效益。

注射成形是一種固結金屬粉末或陶瓷粉末及金屬陶瓷粉末的特殊方法。可用于生產新型的粉末冶金零件，從而擴大了粉末冶金技術的應用范圍。注射成形本質上不同于常規粉末冶金技術。它使用的粉末很細，粒度為10um左右。它使用大量的熱塑性粘結劑，以便將粉料注射到成形模中，而不是將干粉依靠重力充填于陰模中。施加于注射成形模的是低且均勻的等靜壓力，除非需要后續整形或精整，否則，不再使用壓制壓力。現在，用金屬注射成形工藝制造的零件小的不到1g，大的到20kg。當前使用的金屬注射成形零件其中80％以上最大尺寸不大于100mm或體積小于100cm。，質量一般不大于250g。最適合于注射成形的是構型復雜的小型(小于20mm)零件。

燒結淬硬是指粉末冶金制品在燒結爐中以一定的速度冷卻，奧氏體轉變為馬氏體，從而使零件得到硬化和強化的一種經濟的生產工藝。燒結淬硬是一種制造高硬度粉末冶金零件的有吸引力的技術，因為它省去了燒結后的熱處理，因此明顯降低了生產成本。而且，避免了淬火造成的高熱應力和零件變形，能更好地控制最終產品的尺寸精度。燒結淬硬的材料采用含鉬、鎳、錳和鉻的霧化鋼粉與其它元素的粉末混合，在傳統燒結電爐中燒結，最小表觀硬度一般可達到HRC30℃以上，燒結后在200℃溫度下回火，其強度可與傳統熱處理后的強度相當。由于燒結淬硬不需進行油淬，因此具有降低成本：減少零件變形，便于尺寸控制；不產生油污染，改善生產環境的優點。同時，燒結淬硬工藝提高了粉末冶金零件的淬透性，使得它通過傳統燒結即可獲得高強度和高表觀硬度，又具有微觀組織均勻的特點。所以，燒結淬硬技術的應用與發展正成為各粉末冶金廠家研究的新課題。再如部分轎車采用的錯位雙聯齒輪，由于形狀復雜，上下齒錯位，用傳統機械加工方法幾乎無法制造，而采用粉末冶金特殊成形法一雙模成形法來生產制造，效率育、切削加工量少、成本低，大批量生產經濟效益顯著。