一種具有致密化表面的鐵基粉末冶金零件的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有致密化表面的鐵基粉末冶金零件的制備方法。
【背景技術】
[0002]粉末冶金零件以其生產效率高、材料利用率高、成本低等優勢在汽車、家電等方面獲得廣泛應用。但是由于粉末冶金件材料本身具有一定的孔隙率，這會對粉末冶金零件的強度造成較強的影響。提高粉末冶金零件的強度、提高其力學性能可擴大粉末冶金制品的應用范圍，由此，改善組織結構、消除孔隙，成為粉末冶金件的強化目標。一些常規的零部件大多在循環變化的載荷下工作，疲勞斷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勞強度十分經濟且有效的方法。
[0003]目前，常用的表面塑性變形致密化方法有以下兩種:
[0004](1)表面滾壓致密。表面滾壓致密是一種無切削的冷加工工藝，通過特制的滾壓工具對工件表面施加一定壓力，在常溫下利用工件表面層金屬的塑性變形，改變表層金屬的組織結構、物料性質、機械特性、形狀和尺寸。但是表面滾壓致密僅適用于外齒輪等少數零件，應用范圍較為有限；此外，對于碳含量超過0.3%以上的零件，由于硬度較高，表面滾壓致密較為困難，表面密度難以提升。
[0005](2)噴丸強化。噴丸強化是在一個完全控制的狀態下，將無數稱為鋼丸的小圓形介質高速且連續噴射捶打到零件表面，從而在表面產生一個殘余壓應力層，因為當每顆鋼丸撞擊金屬零件上，宛如一個微型棒捶敲打表面，捶出小壓痕或凹陷；為形成凹陷，金屬表層必定會產生拉伸，表層下，壓縮的晶粒試圖將表面恢復到原來形狀，從而產生一個高度壓縮力作用下的半球，無數凹陷重疊形成均勻的殘余壓應力層，最終，零件在壓應力層保護下，一定程度地改善了抗疲勞強度，延長了安全工作壽命。但是，這種方法的覆蓋率很難保證，如齒根等部位在噴丸時，彈丸難以有效投射到位，而且噴丸后致密層深度較淺，噴丸以后零件表面粗糙度會有所增加，會造成零件耐磨性降低，并使零件震動和噪音增大。

【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的現狀，提供一種覆蓋率高、致密層深、應用范圍廣、生產成本低的具有致密化表面的鐵基粉末冶金零件的制備方法，該方法制備的鐵基粉末冶金零件具有精度高、強度好的優點。
[0007]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種具有致密化表面的鐵基粉末冶金零件的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0008](1)設計材料組成:按重量百分比計，所使用材料包含碳0?1%，銅0?4%，鎳0?25%，鋅0?30%，鉻0?6%，磷0?1%，錳0?20%，不超過2%的不可避免雜質，以及余量的鐵；
[0009](2)混料:按照步驟(1)的材料組成，將各組分進行混合得到混合粉，并向該混合粉中加入占混料總質量0.1?1%的潤滑劑；
[0010](3)壓制:將步驟(2)所得混料在大于400MPa的壓力下，壓制成密度為6.4?7.4g/cm3的零件生還；
[0011](4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在非氧化性氣氛中進行燒結，燒結溫度為1000。。?1350°C，燒結時間為5?180min ；
[0012](5)擠壓:該步驟中使用的擠壓陰模具有上下貫通的擠壓腔，且該擠壓腔的內表面至少成型有自上而下依次銜接的第一導向段、第一擠壓段及第一定徑段；該步驟中使用的擠壓芯棒的外表面成型有自上而下依次銜接的第三導向段、第三擠壓段及第二定徑段；
[0013]采用擠壓陰模對零件的外表面進行擠壓，擠壓時，先調整擠壓模具至初始狀態，使下沖模具的端面高于擠壓陰模第一導向段最低面0.05?0.2mm，將零件放入擠壓陰模的第一導向段，使上沖模具下壓、下沖模具保持靜止，零件在上沖模具的推動下向下擠壓0.1?0.5mm，調整上沖模具與下沖模具位置對零件夾緊并保壓且保持相對靜止，擠壓陰模向上運動對零件進行擠壓致密，零件通過擠壓陰模第一擠壓段完全進入定徑段后，下拉或繼續上移擠壓陰模，移動相應的上沖模具或下沖模具，取出零件，完成擠壓致密化，擠壓量為 0.01 ?2mm ;
[0014]采用擠壓芯棒對零件的內表面進行擠壓，擠壓時，先調整擠壓模具至初始狀態，使下沖模具的端面高于擠壓陰模第一導向段最低面0.05?0.2mm，將零件放入擠壓陰模的第一導向段，使上沖模具下壓、下沖模具保持靜止，零件在上沖模具的推動下向下擠壓0.1?0.5mm，調整上沖模具與下沖模具位置對零件夾緊并保壓且保持相對靜止，擠壓芯棒向上運動對零件進行擠壓致密，零件通過擠壓芯棒的第三擠壓段完全進入第二定徑段后，下拉擠壓芯棒，使上沖模具向上運動，取出零件，完成擠壓致密化，擠壓量為0.01?2mm。
[0015]作為改進，所述第一導向段的內徑大于第一定徑段的內徑，且所述第一導向段的側邊與第一擠壓段的側邊之間所成銳角為α，且0.5° < α < 15°。當α角度越小時，產品所受到徑向的力較大，而當α角度越大時，產品所受到軸向的力越大，此時會增大產品與模具之間的摩擦，不僅不利于產品成型，也易導致模具損傷，降低模具的使用壽命，采用上述設計，使α角保持在合理的范圍內，一方面便于產品移動，另一方面能有效降低產品與模具之間的摩擦。
[0016]進一步改進，所述第一定徑段的高度為h，0.5mm10mm。采用這樣的設計，一方面便于產品成型，另一方面，能避免產品與模具之間過度摩擦。
[0017]再改進，所述擠壓陰模的擠壓腔的內表面還成型有自上而下依次銜接于第一定徑段下端的第二擠壓段、第二導向段，所述第二導向段的內徑大于第一定徑段的內徑，且所述第二導向段的側邊與第二擠壓段的側邊之間所成銳角為β，3° < β <20°。采用上述結構，當零件通過擠壓陰模第一擠壓段完全進入定徑段后，繼續上移擠壓陰模，直至零件完全進入第二導向段后，使上沖模具下壓、下沖模具保持靜止，零件在上沖模具的推動下向下擠壓0.1?0.5mm，調整上沖模具與下沖模具位置對零件夾緊并保壓且保持相對靜止，擠壓陰模向下運動對零件進行第二次擠壓致密，零件通過擠壓陰模第二擠壓段完全進入定徑段后，下拉或繼續上移擠壓陰模，移動相應的上沖模具或下沖模具，取出零件，即可完成二次擠壓致密；上述β角越小越不利于出模，甚至導致產品卡在模具中無法取出，而β角過于大則容易導致模具開裂，采用上述設計，將β角保持在合理的范圍內，一方面利于產品出模，另一發面，確保模具具有較好的牢固度及較長的使用壽命。
[0018]作為改進，所述第三導向段的外徑小于第二定徑段的外徑，且所述第二定徑段的側邊與第三擠壓段的側邊之間所成銳角為δ，0.5° < δ <15°。當δ角度越小時，產品所受到徑向的力越大，而當S角度越大時，產品所受到軸向的力越大，此時會增大產品與模具之間的摩擦，不僅不利于產品成型，也易導致模具損傷，降低模具的使用壽命，采用上述設計，使S角保持在合理的范圍內，一方面便于產品移動，另一方面能有效降低產品與模具之間的摩擦。
[0019]進一步改進，所述擠壓芯棒的第二定徑段的高度為L2，0.5mm ^ L2 ^ 10mm。采用這樣的設計，一方面便于產品成型，另一方面，能避免產品與芯棒之間過度摩擦。
[0020]作為優選，在步驟⑷完成后，步驟(5)開始前，在非氧化性氣氛中對燒結后的零件進行退火處理，退火溫度為750?1080°C，退火保溫時間5?200min，退火處理完成后從退火溫度到300°C之間的冷卻速度小于1.5°C /s。對于碳含量低于0.2%的零件，該退火工序可省略。
[0021]優選地，步驟(5)中對零件進行擠壓前先將零件預熱至溫度高于室溫而低于ΙΟΟΟΓ ο
[0022]在上述各方案中，步驟(5)中上沖模具或下沖模具對零件夾緊并保壓的壓力不小于擠壓力在模具運動方向上的分力。
[0023]優選地，所述潤滑劑及石墨采用粘接處理方式加入，以便于分散均勻。
[0024]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0025]本發明為了使制備的鐵基粉末冶金零件具有較好的致密化效果，專門設置了用于擠壓零件外表面的擠壓陰模和擠壓零件內表面的擠壓芯棒，并輔以能將零件進行夾緊的上沖模具及下沖模具，使用時，零件固定不動，移動相應的擠壓模具完成擠壓，這樣的方式可以避免擠壓完畢出模后零件易出現裂縫的缺陷；與現有技術中在燒結步驟后進行表面塑性致密化處理時所需要的能量相比，本發明可以以較小的擠壓余量得到較大的變形深度，且顯著降低了能量需求，從而降低了生產成本，提高了致密化程度；與傳統的粉末冶金工藝相比，采用本發明特制的擠壓模具大大減少了因零件表面材料流動而導致的零件高度增加問題，且可以減少毛刺飛邊的產生，降低了后道加工的工作量，擠壓后的零件致密層深，有效提高了產品的密度，產品整體密度可超過7.60g/cm3，接近粉末鍛造的水平，產品表面相對密度可以達到99%以上，致密層覆蓋率高，從而使鐵基粉末冶金零件具有精度高、強度好的優點；另外，本發明的致密化方法可適用于多種形狀的零件，而不局限于外齒輪等少數零件，應用范圍廣。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明實施例中擠壓陰模的結構示意圖；
[0027]圖2為本發明實施例中擠壓芯棒的結構示意圖；
[0028]圖3為本發明實施例中零件擠壓前的形貌圖；
[0029]圖4為本發明實施例中零件擠壓后的形貌圖；
[0030]圖5為本發明實施例1中零件的結構示意圖；
[0031]圖6為本發明實施例2中零件的結構示意圖；
[0032]圖7為本發明實施例3中零件的結構示意圖；
[0033]圖8為本發明實施例4中零件的結構示意圖；
[0034]圖9為本發明實施例5中零件的結構示意圖；
[0035]圖10為本發明實施例6中零件的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0036]以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0037]實施例1:
[0038]本實施例中具有致密化表面的鐵基粉末冶金零件的制備方法包括以下步驟:
[0039](1)設計材料組成:按重量百分比計，所使用材料包含碳0.7%，銅2%，不超過2%的不可避免雜質，以及余量的鐵；
[0040](2)混料:按照步驟(1)的材料組成，將各組分進行混合得到混合粉，并向該混合粉中加入占混料總質量0.5%的潤滑劑；
[0041](3)壓制:將步驟⑵所得混料在600MPa的壓力下，壓制成密度為7.lg/cm3的零件生坯，如圖5所示；
[0042](4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在真空爐中進行燒結，燒結溫度為1200°C，燒結時間為20min ；
[0043](5)退火:在氮氣氣氛中對燒結后的零件進行退火處理，退火溫度為850°C，退火保溫時間6min，退火處理完成后從退火溫度到300°C之間的冷