粉末冶金工藝是一種精密金屬成形技術(shù)，非常適合生產(chǎn)齒輪。通過粉末冶金工藝制造的齒輪為傳統(tǒng)的鋼或鑄鐵齒輪提供了一種具有成本效益的替代方法。粉末冶金工藝產(chǎn)生凈成形或接近凈形的零件，因此在許多情況下，幾乎不需要加工即可獲得成品零件。因此，該工藝提供與許多應(yīng)用兼容的尺寸公差和機(jī)械性能。

粉末冶金工藝非常適合制造正齒輪、斜齒輪和錐齒輪。此外，還生產(chǎn)了一些齒輪齒條和螺旋面齒輪。應(yīng)用包括家用電器的減速電機(jī)，以及拖拉機(jī)變速器、起重機(jī)驅(qū)動和各種汽車部件，如油泵、平衡軸調(diào)節(jié)器、電動車窗升降器和座椅調(diào)節(jié)器、起動電機(jī)、分配器和前照燈激活器。

用戶經(jīng)常選粉末冶金來制造齒輪，因為它具有幾個工藝優(yōu)勢：

? 提供真正的漸開線齒形和完整的圓角半徑。

? 易于結(jié)合閃電孔，從而減輕部件重量。

? 由于材料是多孔的，它有助于使齒輪安靜運(yùn)行（孔隙率會抑制聲音），并允許它們自潤滑（通過用油浸漬）。

? 可以將齒輪與其他機(jī)械元件（如凸輪，棘輪，驅(qū)動凸耳或其他齒輪）組合成一體。

? 可以在盲角處制造半徑的齒輪，消除切割齒輪所需的底切止裂槽，并在半徑上提供額外的強(qiáng)度。

? 需要很少或不需要加工，材料利用率接近100%。

? 可以生產(chǎn)帶有整體安裝軸的齒輪，無論是作為短耳軸，還是在燒結(jié)過程中將加工的鋼軸粘合到齒輪上。

粉末冶金齒輪的局限性

粉末冶金齒輪在強(qiáng)度和尺寸方面有一定的局限性。與鍛鋼齒輪相比，其中一個限制是齒輪齒由于孔隙率而具有約50%的抗沖擊性和33%的接觸疲勞強(qiáng)度。制造商可以通過雙重壓制和雙重?zé)Y(jié)增加齒輪齒的密度來部分抵消這一限制?；蛘?，可以使用高溫?zé)Y(jié)或表面硬化。

在垂直方向上進(jìn)行的壓實過程在正齒輪中產(chǎn)生相對致密的齒，因為齒與齒輪中心線平行。但其他齒輪類型，如錐齒輪和斜齒輪，其齒與中心線成一定角度。因此，與正齒輪相比，垂直方向的壓實過程效率較低，并且在這些齒輪中產(chǎn)生的齒密度較小。在這種情況下，銅滲透通常用于增加齒輪齒的密度（和相應(yīng)的機(jī)械性能）。

粉末冶金齒輪齒輪的另一個限制是它們的面寬。大多數(shù)壓實機(jī)中可以使用的粉末量將齒輪面寬度限制在3英寸以下。此外，粉末和模具之間的摩擦損失導(dǎo)致沿面寬度的密度降低，其中點處的密度最低。面寬越大，此密度衰減就越大。

這些密度差異會導(dǎo)致燒結(jié)和熱處理過程中的尺寸變化。較大的密度變化會導(dǎo)致變形，特別是對于較大的齒輪。

粉末冶金齒輪尺寸控制

提高粉末冶金齒輪（包括正齒輪和斜齒輪）尺寸一致性的一種方法是將燒結(jié)齒輪的表面與主齒輪滾動。這種輥壓成型操作可以將Q6齒輪的AGMA質(zhì)量等級提高到Q9。表面軋制生產(chǎn)的AGMA Q9齒輪在12至28直徑間距和10至56齒范圍內(nèi)。一家P/ M齒輪制造商通過這一過程實現(xiàn)了更長的齒輪壽命，更低的噪音水平，更低的磨損和更高的耐用性。

另一種獲得青睞的方法，燒結(jié)硬化減少了通常與傳統(tǒng)鋼的淬火和回火熱處理相關(guān)的變形。燒結(jié)硬化方法消除了重新加熱齒輪并使其快速油淬火的需要。相反，在燒結(jié)爐中冷卻可以達(dá)到所需的機(jī)械性能，但不會損失尺寸精度。需要較高的合金鋼才能在燒結(jié)硬化中達(dá)到所需的結(jié)果。但是，這些合金鋼的較高成本通過消除淬火硬化過程而被抵消了。

增加牙齒密度

由于粉末冶金齒輪的耐久性與齒輪齒的彎曲和接觸疲勞強(qiáng)度有關(guān)，因此許多研究都針對增加齒密度。以下是一些示例：

? 軋輥致密化

前面描述的用于改善尺寸控制的滾動過程也使齒輪齒面更加致密。日立的研究人員報告說，軋制的AISI 4600 P/ M鋼的彎曲疲勞強(qiáng)度提高了32%，接觸疲勞強(qiáng)度提高了3.5倍。軋制P/M鋼的接觸疲勞強(qiáng)度達(dá)到表面硬化鍛造AISI 4118鋼強(qiáng)度的96%。

? 溫壓

作為傳統(tǒng)室溫壓實工藝的延伸，這種方法將壓實溫度提高到約300 F.溫壓實實現(xiàn)了7.3至7.5 g / cm3（傳統(tǒng)機(jī)加工鋼密度的93%至95%）的零件密度，而以前只能通過雙壓和雙燒結(jié)來完成。與雙壓和雙燒結(jié)工藝相比，熱壓實可節(jié)省高達(dá)25%的成本。這種新方法適用于正齒輪和斜齒輪。初步結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的壓實和燒結(jié)相比，齒強(qiáng)度提高了30%;當(dāng)熱壓實與高溫?zé)Y(jié)相結(jié)合時，改善超過50%。

? 旋轉(zhuǎn)壓榨

在滾壓工藝中，一臺小型壓機(jī)快速對燒結(jié)齒輪齒施加重復(fù)載荷，一次施加幾齒。這種重復(fù)的負(fù)荷導(dǎo)致牙齒中強(qiáng)烈的局部塑料流動和致密化。Rotopress Co. 報告稱，齒輪齒的密度超過 7.6 g/cm3（密度 97%），具有出色的疲勞和磨損性能。

? 自動

在熱處理過程中，提升過程包括將齒輪與主齒輪滾動。加熱后，由低合金鋼制成的齒輪被淬火到剛好高于馬氏體轉(zhuǎn)化的點，然后在最終淬火到室溫之前通過滾動進(jìn)行塑性變形。采用傳統(tǒng)粉末冶金鋼，表面孔隙率從14%降低到2%以下，滾動接觸疲勞強(qiáng)度提高10倍以上。

粉末冶金工藝流程

基本的粉末冶金（制造過程包括三個步驟：混合金屬粉末，將粉末壓實為所需形狀，以及在受控的溫度和氣氛條件下燒結(jié)（加熱）壓實形狀以冶金方式粘合粉末。

這些步驟的變化可用于實現(xiàn)更高密度的零件。這種變化包括雙重壓制和雙重?zé)Y(jié)，滲透（使用熔融銅填充材料中的孔隙）和粉末鍛造（預(yù)坯或P / M材料塊的鍛造）。這些高密度工藝提高了機(jī)械性能，如拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗沖擊性。額外的壓制操作也可用于將關(guān)鍵齒輪尺寸置于公差范圍內(nèi)。