權(quán)利要求

1.一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝，其特征是，包括以下步驟：

喂料制備，將高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉末和POM基粘結(jié)劑按照質(zhì)量百分比60-70%：30-40%的比例混合，在溫度為160-200℃，攪拌時(shí)間為2-4h，轉(zhuǎn)速為20-40r/min的V型混料器中混合;隨后，將混合后的原料取出冷卻，然后在造粒機(jī)中造粒，得到注射成形所需的粒狀原料;注射成形，使用注塑機(jī)并采用通用的MIM塑基體系進(jìn)行喂料注射，各溫區(qū)溫度設(shè)置為：注射機(jī)噴嘴180-200℃，溫區(qū)一175-195℃，溫區(qū)二165-185℃，溫區(qū)三155-175℃，溫區(qū)四145-165℃;注射時(shí)間為1-5s，注射壓力為85-100MPa，保壓時(shí)間為1-5s，保壓壓力為80-100MPa，冷卻時(shí)間為5-15s;催化脫脂，采用的酸性氣氛為≥95%濃硝酸，保護(hù)氣氛為氮?dú)?將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1200-1500rad/min，以≥95%濃硝酸進(jìn)行脫脂，脫脂溫度80-120℃，向脫脂爐中通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，氮?dú)饬髁繛?.5-3.0m3/h，脫脂爐中的含氧量<6%，≥95%濃硝酸的供給量為300-400mL/h，脫脂時(shí)間為3.5-4.5h，脫脂速率為由外向內(nèi)1-3mm/h，脫脂率≥7%時(shí)完成脫脂;燒結(jié)成形，采用和微模數(shù)齒輪基體材料相同的高強(qiáng)度不銹鋼承燒板進(jìn)行承燒，承燒板和微模數(shù)齒輪基體材料相同，向燒結(jié)爐中充入氬氣作為保護(hù)氣體，燒結(jié)溫度為1300-1500℃，燒結(jié)時(shí)間為180-360min;固溶時(shí)效和整形，在燒結(jié)完成后，將微模數(shù)齒輪燒結(jié)制品放入真空燒結(jié)爐中，以固溶溫度950-1150℃，固溶時(shí)間1-2h為參數(shù)進(jìn)行固溶，形成過(guò)飽和固溶體;以時(shí)效溫度450-650℃，時(shí)效時(shí)間2-4h為參數(shù)進(jìn)行時(shí)效，將合金從過(guò)飽和固溶體中析出，形成尺寸細(xì)小、分布均勻的強(qiáng)化相，同時(shí)消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶，再使用整形機(jī)進(jìn)行整形;所述燒結(jié)成形時(shí)的溫度設(shè)置如下：一階段：以5-15℃/min的升溫速率，從室溫升溫至250-300℃，保溫40-80min;二階段：以1-10℃/min的升溫速率，升溫至550-750℃，保溫40-80min;三階段：以1-10℃/min的升溫速率，升溫至950-1150℃，保溫40-80min，氬氣壓力保持20-40KPa;四階段：以1-5°C/min的升溫速率，升溫至1280-1480℃，保溫120-240min，氬氣壓力保持20-40Kpa;五階段：以10-20℃/min的降溫速率，冷卻至室溫，氬氣壓力保持66-106Kpa;取出微模數(shù)齒輪制品;所述整形工藝采用自制的整形機(jī)，整形機(jī)包括上模與下模，整形時(shí)，微模數(shù)齒輪放入陰?？變?nèi)，通過(guò)上下沖模加壓對(duì)固溶時(shí)效后的微模數(shù)齒輪進(jìn)行再次壓制。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝，其特征是，所述微模數(shù)齒輪的參數(shù)為模數(shù)為0.05-0.1mm，齒數(shù)為10-20，齒寬為0.5-1.5mm，精度等級(jí)在GB2363-90標(biāo)準(zhǔn)下小于8級(jí)。

3.按照權(quán)利要求2所述的一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝，其特征是，所述高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉末采用水汽聯(lián)合霧化制備而成。

4.按照權(quán)利要求3所述的一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝，其特征是，所述高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉末的平均粒徑D50為4.5um;所述POM基粘結(jié)劑的組成成分的質(zhì)量百分比為聚甲醛(POM)80-90%，聚丙烯(PP)4.5-6.5%，高密度聚乙烯(HDPE)5.5-7.5%，硬脂酸1-3%。

5.按照權(quán)利要求4所述的一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝，其特征是，所述注射成形使用海天MA-900型注塑機(jī)，所述催化脫脂采用匯騰HT-220L型催化脫脂爐，所述燒結(jié)成形和固溶時(shí)效均采用恒普PVLG20/20真空燒結(jié)爐進(jìn)行。

說(shuō)明書(shū)

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明涉及粉末成形工藝，尤其涉及一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝。

背景技術(shù)

[0002]在齒輪制造技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，傳統(tǒng)機(jī)械加工方法，如銑削、車(chē)削和磨削等，一直是制造齒輪的主要手段，隨著精密機(jī)械和微型機(jī)械領(lǐng)域的需求日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)加工技術(shù)遭遇了挑戰(zhàn)，尤其是在處理極小模數(shù)(如小于0.08模數(shù))的齒輪制造時(shí)，由于尺寸過(guò)小，機(jī)械刀具的物理限制導(dǎo)致難以精確成型，切削過(guò)程中的穩(wěn)定性與精度控制也成為難題，使得傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)難以滿(mǎn)足這類(lèi)微小齒輪的制造要求，限制了其在精密儀器、微型馬達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用。在此背景下，粉末注射成型技術(shù)為微小齒輪的制造開(kāi)辟了新的路徑，該技術(shù)通過(guò)將金屬粉末與粘結(jié)劑混合后注入模具中，經(jīng)冷卻固化、脫脂、燒結(jié)等一系列工序，最終形成齒輪零件，這一工藝的優(yōu)勢(shì)在于，所制得的粉末注射齒輪在材料強(qiáng)度上能接近甚至達(dá)到與常規(guī)同材質(zhì)金屬齒輪相當(dāng)?shù)乃?，這意味著在微型裝置中，即便齒輪體積微小，也能承載必要的負(fù)載，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

[0003]然而，粉末注射成型技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)：由于粉末燒結(jié)過(guò)程中材料的收縮行為復(fù)雜且不易預(yù)測(cè)，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的尺寸一致性與精度難以保證，目前行業(yè)內(nèi)所能達(dá)到的最高精度等級(jí)普遍為GB/T236310級(jí)，這一級(jí)別的精度雖能滿(mǎn)足部分應(yīng)用需求，但對(duì)于高端精密裝備而言，還存在一定的差距，限制了粉末注射齒輪在更廣泛領(lǐng)域的深入應(yīng)用。因此，如何進(jìn)一步提升其尺寸精度，突破現(xiàn)有的精度瓶頸，成為當(dāng)前該領(lǐng)域研究與實(shí)踐的重點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)粉末注射齒輪在精密制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于極小模數(shù)的齒輪難以用機(jī)械加工方法加工來(lái)實(shí)現(xiàn)，且由于粉末注射成型技術(shù)在粉末燒結(jié)過(guò)程中材料的收縮行為復(fù)雜且不易預(yù)測(cè)，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的尺寸一致性與精度難以保證的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝。

[0005]本發(fā)明的技術(shù)實(shí)施方案為：一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝，包括以下步驟：喂料制備，將高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉末和POM基粘結(jié)劑按照質(zhì)量百分比60-70%：30-40%的比例混合，在溫度為160-200℃，攪拌時(shí)間為2-4h，轉(zhuǎn)速為20-40r/min的V型混料器中混合;隨后，將混合后的原料取出冷卻，然后在造粒機(jī)中造粒，得到注射成形所需的粒狀原料;

[0006]注射成形，使用注塑機(jī)并采用通用的MIM塑基體系進(jìn)行喂料注射，各溫區(qū)溫度設(shè)置為：注射機(jī)噴嘴180-200℃，溫區(qū)一175-195℃，溫區(qū)二165-185℃，溫區(qū)三155-175℃，溫區(qū)四145-165℃;注射時(shí)間為1-5s，注射壓力為85-100MPa，保壓時(shí)間為1-5s，保壓壓力為80-100MPa，冷卻時(shí)間為5-15s;

[0007]催化脫脂，采用的酸性氣氛為≥95%濃硝酸，保護(hù)氣氛為氮?dú)?將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1200-1500rad/min，以≥95%濃硝酸進(jìn)行脫脂，脫脂溫度80-120°C，向脫脂爐中通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，氮?dú)饬髁繛?.5-3.0m3/h，脫脂爐中的含氧量<6%，≥95%濃硝酸的供給量為300-400mL/h，脫脂時(shí)間為3.5-4.5h，脫脂速率為由外向內(nèi)1-3mm/h，脫脂率≥7%時(shí)完成脫脂;

[0008]燒結(jié)成形，采用和微模數(shù)齒輪基體材料相同的高強(qiáng)度不銹鋼承燒板進(jìn)行承燒，承燒板和微模數(shù)齒輪基體材料相同，向燒結(jié)爐中充入氬氣作為保護(hù)氣體，燒結(jié)溫度為1300-1500℃，燒結(jié)時(shí)間為180-360min;

[0009]固溶時(shí)效和整形，在燒結(jié)完成后，將微模數(shù)齒輪燒結(jié)制品放入真空燒結(jié)爐中，以固溶溫度950-1150℃，固溶時(shí)間1-2h為參數(shù)進(jìn)行固溶，形成過(guò)飽和固溶體;以時(shí)效溫度450-650℃，時(shí)效時(shí)間2-4h為參數(shù)進(jìn)行時(shí)效，將合金從過(guò)飽和固溶體中析出，形成尺寸細(xì)小、分布均勻的強(qiáng)化相，同時(shí)消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶，再使用整形機(jī)進(jìn)行整形。

[0010]更為優(yōu)選的，所述燒結(jié)成形時(shí)的溫度設(shè)置如下：一階段：以5-15°C/min的升溫速率，從室溫升溫至250-300°C，保溫40-80min;二階段：以1-10°C/min的升溫速率，升溫至550-750°C，保溫40-80min;三階段：以1-10°C/min的升溫速率，升溫至950-1150°C，保溫40-80min，氬氣壓力保持20-40KPa;四階段：以1-5°C/min的升溫速率，升溫至1280-1480°C，保溫120-240min，氬氣壓力保持20-40Kpa;五階段：以10-20°C/min的降溫速率，冷卻至室溫，氬氣壓力保持66-106Kpa;取出微模數(shù)齒輪制品。

[0011]更為優(yōu)選的，所述微模數(shù)齒輪的參數(shù)為模數(shù)為0.05-0.1mm，齒數(shù)為10-20，齒寬為0.5-1.5mm，精度等級(jí)在GB2363-90標(biāo)準(zhǔn)下小于8級(jí)。

[0012]更為優(yōu)選的，所述高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉末采用水汽聯(lián)合霧化制備而成。

[0013]更為優(yōu)選的，所述高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉末的平均粒徑D50為4.5um;所述POM基粘結(jié)劑的組成成分的質(zhì)量百分比為聚甲醛(POM)80-90%，聚丙烯(PP)4.5-6.5%，高密度聚乙烯(HDPE)5.5-7.5%，硬脂酸1-3%。

[0014]更為優(yōu)選的，所述注射成形使用海天MA-900型注塑機(jī)，所述催化脫脂采用匯騰HT-220L型催化脫脂爐，所述燒結(jié)成形和固溶時(shí)效均采用恒普PVLG20/20真空燒結(jié)爐進(jìn)行。

[0015]更為優(yōu)選的，所述整形工藝采用自制的整形機(jī)，整形機(jī)包括上模與下模，整形時(shí)，微模數(shù)齒輪放入陰?？變?nèi)，通過(guò)上下沖模加壓對(duì)固溶時(shí)效后的微模數(shù)齒輪進(jìn)行再次壓制。

[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明通過(guò)在燒結(jié)過(guò)程中，采用和微模數(shù)齒輪基體材料相同的高強(qiáng)度不銹鋼承燒板進(jìn)行承燒，承燒板和微模數(shù)齒輪基體材料相同，能夠降低承燒板和微模數(shù)齒輪的接觸界面的熱膨脹系數(shù)差異，從而降低微模數(shù)齒輪的內(nèi)部熱應(yīng)力，減少微模數(shù)齒輪出現(xiàn)燒結(jié)開(kāi)裂現(xiàn)象的頻率，由于承燒板和微模數(shù)齒輪共同收縮，優(yōu)化了燒結(jié)過(guò)程中微模數(shù)齒輪的作用力分布，將收縮率控制在預(yù)定的13.5%左右，改善了微模數(shù)齒輪的尺寸，提高了微模數(shù)齒輪的尺寸精度，燒結(jié)成形和固溶時(shí)效均采用恒普PVLG20/20真空燒結(jié)爐進(jìn)行，能夠降低制備成本，提高高性能微模數(shù)齒輪的產(chǎn)量。

附圖說(shuō)明

[0017]圖1為本發(fā)明一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝流程圖;

[0018]圖2為本發(fā)明微模數(shù)齒輪脫脂坯和承燒板在燒結(jié)過(guò)程中的排布示意圖。

具體實(shí)施方式

[0019]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合具體實(shí)施方式并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說(shuō)明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。

[0020]一種高精度高強(qiáng)度微模數(shù)齒輪金屬粉末成形工藝，如圖1所示，包括以下步驟：喂料制備、注射成形、催化脫脂、燒結(jié)成形、固溶時(shí)效和整形。

[0021]具體地，以制備模數(shù)為0.075mm，齒數(shù)為15，齒寬為1mm，精度等級(jí)在GB2363-90標(biāo)準(zhǔn)下小于8級(jí)的微模數(shù)齒輪為例。在一種實(shí)施例中，喂料制備具體包括以下步驟：

[0022]采用高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉末和POM基粘結(jié)劑制備喂料;將高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉末和POM基粘結(jié)劑按照質(zhì)量百分比64%：36%的比例混合，在溫度為180℃，攪拌時(shí)間為3h，轉(zhuǎn)速為30r/min的V型混料器中混合。隨后，將混合后的原料取出冷卻，然后在造粒機(jī)中造粒，得到注射成形所需的粒狀原料。所述高強(qiáng)度不銹鋼金屬粉末采用水汽聯(lián)合霧化制備而成，既降低了制備成本，又提高了粉末的圓度，提升了粉末的流動(dòng)性能，其中粉末的平均粒徑D50為4.5m，球形度好，無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。POM基粘結(jié)劑的組成成分的質(zhì)量百分比為聚甲醛(POM)為86%，聚丙烯(PP)為5.5%，高密度聚乙烯(HDPE)為6.5%，硬脂酸為2%。POM作為主要的粘結(jié)劑，對(duì)酸性氣氛敏感，在酸性氣氛下能快速催化分解為甲醛，在脫膠過(guò)程中可快速脫除。選擇HDPE作為高分子量組分，以在脫脂過(guò)程中為注射坯提供足夠的支撐強(qiáng)度。PP能保持坯體形狀，與POM有一定的相容性，保證了進(jìn)料的均勻性。

[0023]在一種實(shí)施例中，注射成形具體操作為：采用通用的MIM塑基體系喂料注射工藝，使用海天MA-900型注塑機(jī)，各溫區(qū)溫度設(shè)置為：注射機(jī)噴嘴190℃，溫區(qū)一185℃，溫區(qū)二175℃，溫區(qū)三165℃，溫區(qū)四155℃;注射時(shí)間為2s，注射壓力為93MPa，保壓時(shí)間為1.5s，保壓壓力為90MPa，冷卻時(shí)間為9s。

[0024]在一種實(shí)施例中，催化脫脂工藝為：在匯騰HT-220L型催化脫脂爐中，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1200rad/min，以≥95%濃硝酸進(jìn)行脫脂，脫脂溫度80°C，向脫脂爐中通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，氮?dú)饬髁繛?.5m3/h，脫脂爐中的含氧量<6%，≥95%濃硝酸的供給量為350mL/h，脫脂時(shí)間為3.5h，脫脂速率為由外向內(nèi)1mm/h，脫脂率≥7%時(shí)完成脫脂。

[0025]另一種實(shí)施例中，催化脫脂工藝為：在匯騰HT-220L型催化脫脂爐中，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1500rad/min，以≥95%濃硝酸進(jìn)行脫脂，脫脂溫度80-120°C，向脫脂爐中通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，氮?dú)饬髁繛?.0m3/h，脫脂爐中的含氧量<6%，≥95%濃硝酸的供給量為350mL/h，脫脂時(shí)間為4.5h，脫脂速率為由外向內(nèi)1mm/h，脫脂率≥7%時(shí)完成脫脂。

[0026]在一種實(shí)施例中，燒結(jié)成形具體步驟是：采用恒普PVLG20/20真空燒結(jié)爐，向燒結(jié)爐中充入氬氣作為保護(hù)氣體，燒結(jié)溫度為1380℃，燒結(jié)時(shí)間為180min，具體燒結(jié)燒溫度如下：一階段：以10°C/min的升溫速率，從室溫升溫至300°C，保溫60min;二階段：以5°C/min的升溫速率，從300°C升溫至650°C，保溫60min;三階段：以4.5°C/min的升溫速率，從650°C升溫至1050°C，保溫60min，氬氣壓力保持30KPa;四階段：以2°C/min的升溫速率，從1050°C升溫至1380°C，保溫180min，氬氣壓力保持30Kpa;五階段：以15°C/min的降溫速率，從1380°C冷卻至室溫，氬氣壓力保持86Kpa;取出微模數(shù)齒輪制品。

[0027]一種優(yōu)選實(shí)施例中，參考圖2所示的本發(fā)明微模數(shù)齒輪脫脂坯和承燒板在燒結(jié)過(guò)程中的排布示意圖;在燒結(jié)過(guò)程中，采用和微模數(shù)齒輪基體材料相同的高強(qiáng)度不銹鋼承燒板進(jìn)行承燒，承燒板和微模數(shù)齒輪基體材料相同;采用和微模數(shù)齒輪基體材料相同的高強(qiáng)度不銹鋼承燒板進(jìn)行承燒，能夠降低承燒板和微模數(shù)齒輪的接觸界面的熱膨脹系數(shù)差異，從而降低微模數(shù)齒輪的內(nèi)部熱應(yīng)力，減少微模數(shù)齒輪出現(xiàn)燒結(jié)開(kāi)裂現(xiàn)象的頻率，由于承燒板和微模數(shù)齒輪共同收縮，進(jìn)而能夠優(yōu)化燒結(jié)過(guò)程中微模數(shù)齒輪的作用力分布，將收縮率控制在預(yù)定的13.5%左右，改善微模數(shù)齒輪的尺寸，以提高微模數(shù)齒輪的尺寸精度。

[0028]在一種實(shí)施例中，固溶時(shí)效采用恒普PVLG20/20真空燒結(jié)爐，以降低制備成本，提高高性能微模數(shù)齒輪的產(chǎn)量;固溶時(shí)效工藝包括固溶工藝和時(shí)效工藝，在燒結(jié)完成后，將微模數(shù)齒輪燒結(jié)制品放入真空燒結(jié)爐中，以固溶溫度1050℃，固溶時(shí)間1.5h為參數(shù)進(jìn)行固溶，確保合金溶入基體，形成過(guò)飽和固溶體;以時(shí)效溫度550℃，時(shí)效時(shí)間3h為參數(shù)進(jìn)行時(shí)效，將合金從過(guò)飽和固溶體中析出，形成尺寸細(xì)小、分布均勻的強(qiáng)化相，同時(shí)消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶，提高了微模數(shù)齒輪的組織均勻分布性和力學(xué)性能。以拉伸樣條為例進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)固溶溫度1050℃，固溶時(shí)間1.5h、時(shí)效溫度550℃，時(shí)效時(shí)間3h的固溶時(shí)效工藝后，拉伸樣條的平均拉伸強(qiáng)度由900MPa提升至1650MPa，平均硬度由300Hv提升至530Hv，平均密度由7.74g/cm3提升至7.78g/cm3，力學(xué)性能大幅改善。

[0029]最后，整形工藝采用自制的整形機(jī)，整形機(jī)包括上模與下模，對(duì)固溶時(shí)效后的微模數(shù)齒輪進(jìn)行再次壓制，以改變其形狀及提高其精度，整形時(shí)，將微模數(shù)齒輪放入陰?？變?nèi)，通過(guò)上下沖模加壓一次成型，使成型齒輪達(dá)到高密度的要求，其密度了提高5%-12%。

[0030]以上結(jié)合具體實(shí)施例描述了本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明實(shí)施例的原理，而不能以任何方式解釋為對(duì)本發(fā)明實(shí)施例保護(hù)范圍的限制?；诖颂幍慕忉?zhuān)绢I(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)即可聯(lián)想到本發(fā)明實(shí)施例的其它具體實(shí)施方式，這些方式都將落入本發(fā)明實(shí)施例的保護(hù)范圍之內(nèi)。

說(shuō)明書(shū)附圖(2)