CN103898416A

CN103898416A - 一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及制备方法

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Publication number: CN103898416A
Application number: CN201210581640.7A
Authority: CN
Inventors: 陈鹏; 王林山; 梁雪冰; 董小江; 穆艳茹; 汪礼敏; 王磊
Original assignee: BEIJING HENGYUAN TIANQIAO POWDER METALLURGY Co Ltd; GRIPM ADVANCED MATERIALS (BEIJING) CO Ltd; Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: BEIJING HENGYUAN TIANQIAO POWDER METALLURGY Co.,Ltd.; Beijing Youyan Powder New Materials Research Institute Co ltd; Youyan Powder New Materials Co ltd; Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103898416B

Abstract

本发明公开了属于汽车发动机等内燃机用凸轮轴技术领域的一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及制备方法。凸轮材料合金成分范围为：C1.5-3%，Cr3-7%，Mo0.5-1.5%，P0.3-0.6%，Cu1-3%，Si0.05-1.5%，Mn0.05-1.5%，Ti0.01-1.5%，余量为Fe。将粉末压制成凸轮片，芯轴采用无缝钢管，凸轮片与无缝钢管之间为间隙配合，凸轮片与钢管装配后经烧结处理即可。本发明中的凸轮生坯直接与钢管装配烧结。在烧结过程中，粉末材料收缩、致密化的同时与钢管形成冶金结合，结合强度高、性能可靠。所得凸轮扭矩高、应力小、质量轻、耐磨性好等优点。

Description

一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及制备方法

技术领域

本发明属于汽车发动机等内燃机用凸轮轴新的生产工艺技术领域，特别涉及一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及其制备方法。

背景技术

近年来，为了节约能源及减少污染，汽车减重显得愈加重要。每为汽车减重10%，就可降低油耗8%，不仅节约燃油还降低了尾气的排放量。为了解决传统凸轮轴重量大、材料利用率低、加工成本高等问题，新型凸轮轴的设计理念必须是少加工、质量小、结构紧凑。同时轴的各个部分必须满足不同的性能要求。凸轮片要有较高的耐磨性、耐胶着及点蚀，轴颈的滑动摩擦系数小，芯轴则要抗弯曲、抗剪切强度好。传统的铸造凸轮轴很难同时满足这些性能要求，且需要大量的机加工才能最终成形，成本高、浪费原材料。最主要的是很难在减轻重量方面有所突破。所以各国的汽车工业已开始研制并使用新型的组合式中空凸轮轴，简称组合式凸轮轴。各种类型的组合装配方式正不断的被人们发明研制出来，所有这些组合装配方式的根本原则都是减轻重量、满足性能要求。

组合式凸轮轴发展到今天，常用连接方法可以分为三大类：焊接法，机械法（主要包括过盈装配、机械扩管法、滚花装配法），组合烧结法。

焊接法在焊接时会产生很多的热量，使得焊接区瞬间高温材料会发生变形，影响被焊零件尺寸的稳定性，焊接区激烈的热变化也容易产生裂纹，焊接效果难以保证，且外观需要进一步整形；扩管法凸轮与钢管为间隙配合，利用液压或机械扩管，为了利于轴体的塑性变形要求管壁比较薄，凸轮承受张应力热套连接时，凸轮在工作时产生的热量通过金属基体发生热传递，这些热量传递到凸轮与轴体结合的部位会使过盈量发生改变，连接强度稳定性下降。

美国路虎MG-F汽车的可变阀控制（VVC）发动机其凸轮轴就是采用的组合烧结技术，轴体用的是冷拔钢管，凸轮采用的是赫格纳斯的Astaloy E粉（Fe-5Cr-2Cu-2.5C-1Si-1Mo-0.5P）经液相烧结在钢管上，其它烧结件用的是Fe-Cu-C系粉末，先烧结再使用钎焊方法与轴体连接。

CN 1858288A公开了一项关于P/M中空凸轮轴凸轮制备及热处理方法的专利，其凸轮成分为：C0.4-0.6%，Cr1.0-1.5%，Ni1.5-2.0%，Mo0.6-1.0%，Cu2-2.5%，其余为Fe。凸轮制备采用压制烧结法和粉末锻造法，压制烧结法制备的凸轮还要采取两种表面强化处理：高频淬火和宽带激光表面淬火；粉末锻造法在锻造后采用油淬和低温回火的热处理工艺，凸轮与钢管采用机械法连接。此项技术存在一定的不足，碳含量较低，不利于凸轮硬度及耐磨性的提高，使得必须采用表面强化处理或是热处理工艺来提高硬度，增加了制造成本，同时也使得生产周期延长。另外，凸轮与钢管采用机械法连接，稳定性不高，而且粉末锻造工艺复杂，设备投资较大。CN 101368250A公开了一项稀土添加高碳含量凸轮材料及粉末冶凸轮轴生产工艺的专利，凸轮材料成分为C 1.5-2%，Cr 7.5-10%，Ni 1.5-2%，Mo 0.75-1%，P 0.45-0.6%，氟化稀土1.75-2%，余量为Fe。凸轮经压制成型后，将压坯先在950℃下预烧结30min，然后凸轮、轴颈与钢管装配后在1140℃烧结，保温60min。此项技术虽然也是通过液相烧结实现钢管与凸轮的冶金结合，但是凸轮片在压制后需要预烧，增加了能耗和成本、延长了生产周期。

组合烧结技术在我国还刚刚起步，技术不够成熟，还未能大量进入市场，主要依靠进口。目前国内许多发动机制造厂家迫切需要国内自行研发的组合式凸轮轴来替代进口，节省资金。因此，此项技术具有十分广阔的市场和良好的应用技术。

发明内容

本发明的目的在于克服传统铸造凸轮轴的缺点，改进其它粉末冶金凸轮轴的凸轮材料及凸轮与芯轴的装配连接方式，减少工艺流程，降低能耗。同时通过所添加的合金成分提高粉末冶金凸轮的耐磨性及凸轮轴的使用稳定性。提供一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料及一种高效的组合式中空凸轮轴的生产方法。

本发明提供一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料，该凸轮材料合金成分范围为：C 1.5-3%，Cr 3-7%，Mo 0.5-1.5%，P 0.3-0.6%，Cu 1-3%，Si 0.05-1.5%，Mn 0.05-1.5%，Ti 0.01-1.5%，余量为Fe。

本发明涉及的组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的制备方法是：

（1）组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料合金成分范围为：C 1.5-3%，Cr 3-7%，Mo 0.5-1.5%，P 0.3-0.6%，Cu 1-3%，Si 0.05-1.5%，Mn 0.05-1.5%，Ti 0.01-1.5%，余量为Fe，根据上述组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料合金成分称取原料粉末，其中：C以石墨的形式加入，Cu采用电解铜粉或FeCu合金形式加入，Cr以含量为20-70%的高碳铬铁或低碳铬铁或以纯Cr粉加入，Mo以含量为20-70%的钼铁加入，P以含量为10-40%的磷铁加入，Si以含量为30-80%的硅铁加入，Mn以含量为35-85%的锰铁或纯锰粉加入，Si、Mn还可用硅锰合金的形式加入，Ti以含量为20-60%的钛铁或纯钛粉加入，Fe采用雾化铁粉；

（2）然后采取以下三种工艺中的一种处理各原料粉末：混合法、扩散法和雾化法，其中；

混合法：将各原料粉末按比例混合，混料时间45-120min，混料的同时加入质量分数为0.4-1.2%的硬脂酸锌作为润滑剂，混料时可加入研磨球，混合法所得粉末用于压制凸轮片；

扩散法：将除石墨外的各原料粉末按比例混合后，先混料30-90min，然后在还原气氛、600-900℃温度下扩散烧结30-90min，最后破碎筛分；

雾化法：将除石墨外的各原料粉末熔炼成合金液体，采用高压水或氮气气流击碎熔融液态合金制成粉末；

扩散法和雾化法制备的粉末再添加石墨后混料，并在混料的同时加入质量分数为0.4-1.2%的硬脂酸锌作为润滑剂，所得的粉末用于压制凸轮片；

（3）在450-600MPa的压力下采用浮动阴模压制方法将步骤（2）所得粉末压制成凸轮片，芯轴采用无缝钢管，凸轮片与无缝钢管之间为间隙配合，凸轮片与钢管装配后经烧结处理即可。

上述方法中，烧结温度为 1080-1250℃，烧结时间为20min-120min。

上述方法中，所使用的各种粉末粒度特征为：石墨粒度为-200目或更细，电解铜粉粒度为-200目或更细，高碳铬铁粉、低碳铬铁粉、钼铁粉等为≤25μm超细粉，雾化铁粉粒度为-100目或更细，其它原料粉末≤44μm。

本发明具有以下优点：（1）相较于传统的铸造方法，粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一体的先进制造技术。粉末冶金可制造净成形的机械零件，可以减少切削加工量节约材料，具有材料利用率高、生产成本低，综合性能好等优点；（2）本发明中的凸轮生坯直接与钢管装配烧结。在烧结过程中，粉末材料收缩、致密化的同时与钢管形成冶金结合，结合强度高、性能可靠。（3）本发明中石墨的添加量为1.5-3%，烧结之后的凸轮硬度HRC40-65。（4）将锰、硅、钛作为合金元素同时添加铁基粉末材料中，可得到良好的强化效果和烧结尺寸稳定性。钛的加入可提高烧结体的烧结性能。钛的加入降低元素在基体中的扩散活化能提高元素在基体中的扩散速度，有效地促进了钢管与凸轮界面处的元素更好、更快地扩散，使得界面结合处的性能更好。通过扭转实验，进行钢管与凸轮连接强度的校核，扭矩值≥1000 N·m。所得凸轮扭矩高、应力小、质量轻、耐磨性好等优点。

附图说明

图1为凸轮片与钢管组合烧结界面的显微形貌（各图左侧为钢管，右侧为粉末冶金材料）。

具体实施方式

下面结合附图及所施实例进一步说明本发明的具体内容.

实施例1：

一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料，该凸轮材料合金成分为C1.5%，Cr 5%，Mo 1%，P 0.6%，Cu 2%，Si 1.5%，Mn 1%，Ti1.5%，余量为Fe。

上述组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的制备方法：

（1）根据上述组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料合金成分称取原料粉末，其中：C以石墨的形式加入，Cu采用电解铜粉，Cr以纯Cr粉加入，Mo以钼铁加入，P以磷铁加入，Si以硅铁加入，Mn以锰铁加入，Ti以钛铁加入，Fe采用雾化铁粉。所使用的各种粉末粒度特征为：石墨粒度为-200目或更细，电解铜粉粒度为-200目或更细，钼铁粉为≤25μm超细粉，雾化铁粉粒度为-100目或更细，其它原料粉末≤44μm。

（2）采用混合法，将各原料粉末按比例混合，混料时间100min，混料的同时加入质量分数为1%的硬脂酸锌作为润滑剂，混合法所得粉末用于压制凸轮片；

（3）在500MPa的压力下采用浮动阴模压制方法将步骤（2）所得粉末压制成凸轮片，芯轴采用无缝钢管，凸轮片与无缝钢管之间为间隙配合，凸轮片与钢管装配后经烧结处理。其中，烧结温度为1110℃，烧结时间为110min。得到所述合金成分的凸轮材料。

检测所得凸轮片的性能。检测结果为：密度7.375g/cm³、硬度HRC 50、扭矩值为1023 N·m。烧结后凸轮与钢管界面处的显微组织如图1所示，由图1可见，烧结体的组织是典型的液相烧结组织。白色区域为烧结温度下的共晶液相冷凝组织，黑灰色的为固相颗粒。界面结合处的组织呈现不很光滑的锯齿状，说明了元素的互相迁移在两异种材料之间发生。同时还可以看到跨越界面的晶粒，证明了在烧结过程中，烧结体与钢二者中的某些元素发生了扩散使得结合界面发生了迁移，两者之间形成了冶金结合。

实施例2：

通过扭转实验，进行钢管与凸轮连接强度的校核，将无添加Ti 的样品（其它合金成分点如例1所列）和添加钛的样品扭矩值进行对比，添加1.5%Ti制造的凸轮，其扭矩值可达1023 N·m，无添加Ti的样品扭矩值有912 N·m。钛的加入降低元素在基体中的扩散活化能提高元素在基体中的扩散速度，有效地促进钢管与凸轮界面处的元素更好、更快地扩散，使得界面结合处的性能更好。

实施例3：

一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料，该凸轮材料合金成分为C2.5%，Cr 4.5%，Mo 1%，P 0.6%，Cu 2%，Si 1%，Mn 0.3%，Ti 1.0%，余量为Fe。

上述组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的制备方法：

（1）根据上述组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料合金成分称取原料粉末，其中：C以石墨的形式加入，Cu以FeCu合金形式加入，Cr以含量为70%的高碳铬铁加入，Mo以钼铁加入，P以磷铁加入，Si以硅铁加入，Mn以锰铁加入，Ti以纯钛粉加入，Fe采用雾化铁粉。所使用的各种粉末粒度特征为：石墨粒度为-200目或更细，高碳铬铁粉、钼铁粉等为≤25μm的超细粉，雾化铁粉粒度为-100目或更细，其它原料粉末≤44μm。

（2）采用扩散法处理原料粉末，将除石墨外的各原料粉末按比例混合后，先混料60min，然后在还原气氛、900℃温度下扩散烧结60min，最后破碎筛分；再添加石墨后混料，并在混料的同时加入质量分数为1.2%的硬脂酸锌作为润滑剂，所得的粉末用于压制凸轮片；

（3）在500MPa的压力下采用浮动阴模压制方法将步骤（2）所得粉末压制成凸轮片，芯轴采用无缝钢管，凸轮片与无缝钢管之间为间隙配合，凸轮片与钢管装配后经烧结处理。其中，烧结温度为1150℃，烧结时间为90min。得到所述合金成分的凸轮材料。

检测所得凸轮片的性能。检测结果为：密度7.465g/cm³、硬度HRC 56、扭矩值为944 N·m。

实施例4：

一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料，该凸轮合金成分为C 3%，Cr 6%，Mo 0.9%，P 0.45%，Cu 3%，Si 0.9%，Mn 0.25%，Ti0.01%，余量为Fe。

上述组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的制备方法：

（1）根据上述组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料合金成分称取原料粉末，其中：采用雾化法处理原料粉末，其中：C以石墨的形式加入，Cu采用电解铜粉，Cr以纯Cr粉加入，Mo以钼铁加入，P以磷铁加入，Si以硅铁加入，Mn以锰铁加入，Ti以纯钛粉加入，Fe采用雾化铁粉。所使用的各种粉末粒度特征为：石墨粒度为-200目或更细，电解铜粉粒度为-200目或更细，钼铁粉为≤25μm超细粉，雾化铁粉粒度为-100目或更细，其它原料粉末≤44μm。

（2）采用雾化法处理原料粉末，将除石墨外的各原料粉末熔炼成合金液体，采用高压水或氮气气流击碎熔融液态合金制成粉末；再添加石墨后混料，并在混料的同时加入质量分数为0.4%的硬脂酸锌作为润滑剂，所得的粉末用于压制凸轮片；

（3）在450MPa的压力下采用浮动阴模压制方法将步骤（2）所得粉末压制成凸轮片，芯轴采用无缝钢管，凸轮片与无缝钢管之间为间隙配合，凸轮片与钢管装配后经烧结处理。其中，烧结温度为1080℃，烧结时间为120min。得到所述合金成分的凸轮材料。

检测所得凸轮片的性能。检测结果为：密度7.575g/cm³、硬度HRC 65、扭矩值为828N·m。

采用混合法、扩散法或是雾化法所制备的凸轮材料在烧结后密度均可到达7.35-7.6g/cm³, 硬度为HRC40-65。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料，其特征在于：该凸轮材料合金成分范围为：C 1.5-3%，Cr 3-7%，Mo 0.5-1.5%，P 0.3-0.6%，Cu 1-3%，Si 0.05-1.5%，Mn 0.05-1.5%，Ti 0.01-1.5%，余量为Fe。

2.一种组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的制备方法，其特征在于该方法如下：

（1）组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料合金成分范围为：C 1.5-3%，Cr 3-7%，Mo 0.5-1.5%，P 0.3-0.6%，Cu 1-3%，Si 0.05-1.5%，Mn 0.05-1.5%，Ti 0.01-1.5%，余量为Fe，根据上述组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料合金成分称取原料粉末，其中：C以石墨的形式加入，Cu以电解铜粉或FeCu合金形式加入，Cr以含量为20-70%的高碳铬铁或低碳铬铁或以纯Cr粉加入，Mo以含量为20-70%的钼铁加入，P以含量为10-40%的磷铁加入，Si以含量为30-80%的硅铁或者硅锰合金的形式加入，Mn以含量为35-85%的锰铁、纯锰粉或硅锰合金的形式加入， Ti以含量为20-60%的钛铁或纯钛粉加入，Fe采用雾化铁粉；

混合法：将各原料粉末按比例混合，混料时间45-120min，混料的同时加入质量分数为0.4-1.2%的硬脂酸锌作为润滑剂，混合法所得粉末用于压制凸轮片；

（3）在450-600MPa的压力下采用浮动阴模压制方法将步骤（2）所得粉末压制成凸轮片，芯轴采用无缝钢管，凸轮片与无缝钢管之间为间隙配合，凸轮片与钢管装配后经烧结处理即得所述合金成分的凸轮材料。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：烧结温度为 1080-1250℃，烧结时间为20min-120min。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所使用的各种粉末粒度特征为：石墨粒度为-200目或更细，电解铜粉粒度为-200目或更细，高碳铬铁粉、低碳铬铁粉、钼铁粉为≤25μm超细粉，雾化铁粉粒度为-100目或更细，其它原料粉末≤44μm。