專利名稱：：稀土添加高碳含量凸輪材料及粉末冶金組合式中空凸輪軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明為汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸新的生產(chǎn)工藝，特別涉及稀土添加高碳含量粉末冶金組合式中空凸輪軸凸輪材料的配方及凸輪、芯軸、軸頸的裝配連接及制造方法。
背景技術(shù)：
：凸輪軸是汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的重要零件，凸輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工質(zhì)量好壞，直接影響發(fā)動機(jī)的性能.近年來,因環(huán)境保護(hù)的需要,很多國家都在開發(fā)低油耗、無污染的汽車發(fā)動機(jī).隨著發(fā)動機(jī)功率及轉(zhuǎn)速的不斷提髙，對凸輪軸運動的平穩(wěn)性、射磨性能及抗扭強(qiáng)度提出了更高的要求.同時在保證凸輪軸高強(qiáng)度與可靠性的前提下，凸輪軸的設(shè)計制造應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、加工流程簡化的特點，以達(dá)到輕量化、低成本、高效率的目的。目前，大部分發(fā)動機(jī)制造企業(yè)都采用鑄造整體式凸輪軸，其材料有的采用中碳低合金鋼(經(jīng)髙頻淬火)，有的采用球墨鑄鐵.整體式凸輪軸加工工藝包括粗加工、半精加工和精加工。生產(chǎn)中采用自動線多工位機(jī)床，設(shè)備投資較大，生產(chǎn)線占地面積多，生產(chǎn)成本較髙。汽車工業(yè)先進(jìn)國家在汽車上大量使用粉末冶金零件，平均每輛車達(dá)12kg以上。l訴O年代初期以來，美國和日本汽車公司開始研發(fā)粉末冶金組合式凸輪軸，如美國RoverMG-F汽車的可變閥控制(WC)發(fā)動機(jī),凸輪軸芯軸由冷拉鋼管制成，鋼管上的凸輪用AstaloyE鋼粉(含O.5%C5免Cr,1%Mo，2%Cu，0.5%P及l(fā)免Si)燒結(jié)而成，驅(qū)動輪的燒結(jié)元件用Fe—Cu—C燒結(jié)而成，然后再釬焊在鋼管上，這樣的復(fù)合凸輪軸在重量上節(jié)材40免左右，使加工大大簡化、降低成本，并使發(fā)動機(jī)功率得到提高.日本活塞環(huán)株式會社從80年代中期開始生產(chǎn)燒結(jié)連接式凸輪軸，1992年開始生產(chǎn)專門用于低能耗發(fā)動機(jī)的凸輪軸,凸輪采用燒結(jié)合金,具有非常好的耐磨損及耐點蝕性能，目前已生產(chǎn)了近10OO萬根。我國汽車工業(yè)使用粉末冶金材料較少，平均每車3kg左右，且多為導(dǎo)管、軸套之類，髙強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件幾乎空白。2006年2月《粉末冶金技術(shù)》報道了北京亞新科集團(tuán)所屬江蘇儀征廠向美國GrandHqveii工廠提供粉末冶金組合式凸輪軸的半成品。另據(jù)報道，上海通用公司生產(chǎn)的別克轎車使用了裝配式空心凸輪軸，但其凸輪是用鍛造工藝成型的鋼件.國內(nèi)有人申請了一項關(guān)于凸輪制品的生產(chǎn)工藝,其采用的是復(fù)壓、復(fù)燒和碳氮共滲工藝，凸輪材料的成分為CO.5*,Cul.5%,Crl.5%,MnO.4%,MoO.59i,SO.15%，余量為Fe。但是這種工藝比較復(fù)雜，設(shè)備要求比較髙，不適合大批量生產(chǎn)。國內(nèi)還有人申請了一項關(guān)于P/M中空凸輪軸凸輪制備及熱處理方法的專利，其凸輪成分為CO.4-0.6%,Crl.0-1.5%,Nil.5-2.0%,Mo0.6-1.0%,Cu2-2.5%,其余為Fe,凸輪制備采用粉末鍛造法，之后采用油淬+低溫回火的熱處理工藝，凸輪與芯軸采用機(jī)械法連接。但是，這項技術(shù)也存在一定的不足，由于凸輪材料碳含量較低，不利用凸輪硬度及射磨性的提高，Cr含量太低，保證不了足夠的耐腐蝕性能。另外，凸輪和芯軸采用機(jī)械法連接，穩(wěn)定性不高。而且粉末鍛造工藝復(fù)雜，設(shè)備投資較大。近年來，我國的粉末冶金技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，如合金粉末的制備、高密度粉末冶金材料的壓制和燒結(jié)技術(shù)都有發(fā)展，為粉末冶金中空凸輪軸的研制和生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。粉末冶金中空凸輪軸在汽車工業(yè)先進(jìn)國家如美、德、日得到較為廣泛的應(yīng)用，2006年粉末冶金空心凸輪軸已占領(lǐng)美國凸輪軸市場的30%。目前國內(nèi)許多發(fā)動機(jī)制造廠家及凸輪軸專業(yè)生產(chǎn)廠對凸輪軸制造新技術(shù)給予高度重視，迫切需要國內(nèi)自行研制的組合式凸輪軸，以求替代進(jìn)口、節(jié)省資金、帶來更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，此項技術(shù)具有十分廣闊的市場和良好的應(yīng)用前景。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)鑄造凸輪軸以及粉末鍛造裝配式凸輪軸的缺點，改進(jìn)其他粉末冶金凸輪材料以及優(yōu)化凸輪、芯軸、軸頸的裝配方法，提高組合式中空凸輪軸的使用穩(wěn)定性。提供一種高效的汽車用組合式中空凸輪軸的生產(chǎn)方法。本發(fā)明的凸輪材料成分為C1.5-2%,Cr7.5-10%,Ni1.5-2%，Mo0.75-1%，P0.45-0.6%,氟化稀土1.75-2%，余量為Fe。其中Cr、Mo、P以預(yù)合金粉末的形式加入。本發(fā)明涉及的組合式中空凸輪軸的具體生產(chǎn)方法是將各種粉末按一定比率混合，混料的同時加入0.8%的硬脂酸鋅作為壓制潤滑劑，加入0.6免的PEG作為粘接抓壓機(jī)采用60T油壓機(jī)，壓制壓力600-700MP,保壓時間10-20秒；壓制后，凸輪壓坯先在950'C下預(yù)結(jié)30niin，然后與芯軸、軸頸裝配燒結(jié)114(TC,保溫60min，其中芯軸為中空的碳素鋼管，軸頸材料為灰鑄鐵。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)粉末冶金是一種近凈形的制造工藝，與傳統(tǒng)機(jī)械加工生產(chǎn)方法相比，具有成本低、效率高、前期投資少、環(huán)境污染小等優(yōu)點，而且能夠制造復(fù)雜形狀的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件，具有節(jié)材、省能、省工時等優(yōu)勢，非常適合于大批量生產(chǎn)。(2)本發(fā)明中的粉末冶金成型工藝簡單，且凸輪預(yù)燒后與芯軸裝配燒結(jié)，一次性實現(xiàn)冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，性能可靠。(3)本發(fā)明涉及的凸輪材料含碳量達(dá)1.5-2%，燒結(jié)之后的凸輪材料硬度HRC》55,且含有大量彌散分布的游離態(tài)石墨，可以起到很好的潤滑作用，大大降低了凸輪的磨損，提高了使用壽命。(4)稀土元素的加入，可起到活化燒結(jié)、細(xì)化晶粒的目的，而且可以降低燒結(jié)溫度，減少裝配燒結(jié)時的尺寸變形量。另外，裝配燒結(jié)完成后，無需進(jìn)行熱處理及后續(xù)機(jī)加工，這又在一定程度上節(jié)省了工時，降低了生產(chǎn)成本。圖l(a)、(b)凸輪材料燒結(jié)后的顯微組織圖2(a)粉末冶金組合式中空凸輪軸示意圖圖2(b)粉末冶金組合式中空凸輪軸實物圖,附表說明表l組合式凸輪軸連結(jié)方法性能比較具體實施例方式下面結(jié)合附圖及附表進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容。凸輪材料成分如前所述，其經(jīng)壓制燒結(jié)后顯微組織如圖l所示，組織為珠光體+滲碳體，且有適量彌散分布的游離態(tài)石墨存在，能夠起到良好的潤滑作用，這種組織在保證凸輪材料高硬度的同時，大大降低其摩擦系數(shù)，提高耐磨性能。稀土元素的加入，可起到活化燒結(jié)、細(xì)化晶粒的目的，而且可以降低燒結(jié)溫度，減少裝配燒結(jié)時的尺寸變形量。凸輪材料HRC硬度》55,抗拉強(qiáng)度^550MP。圖2(a)、(b)分別是粉末冶金組合式中空凸輪軸裝配示意圖及實物圖。凸輪預(yù)燒后與芯軸、軸頸裝配燒結(jié)，一次性實現(xiàn)冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，性能可靠。表l所示為組合式凸輪軸冶金結(jié)合方法與其他連接方式的性能比較，對比可以看出，冶金結(jié)合方式綜合性能大大優(yōu)于其他連接方式。另外，裝配燒結(jié)完成后，無需進(jìn)行熱處理及后續(xù)機(jī)加工，這又在一定程度上節(jié)省了工時，降低了生產(chǎn)成本。表一<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>權(quán)利要求1.一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料，其特征是合金成分含量為C1.5-2％，Cr7.5-10％，Ni1.5-2％，Mo0.75-1％，P0.45-0.6％，氟化稀土1.75-2％，余量為Fe，并加入0.8％的硬脂酸鋅粉末作為壓制潤滑劑和0.6％的PEG作為粘接劑。2、一種組合式粉末冶金中空凸輪軸壓制燒結(jié)工藝，其特征是壓機(jī)采用60T油壓機(jī)，壓制壓力600-700MP，保壓時間10-20秒；壓制后，凸輪壓坯先在950'C下預(yù)結(jié)30min,然后與芯軸、軸頸裝配燒結(jié)1140'C，保溫60min,其中芯軸為中空的碳素鋼管，軸頸材料為灰鑄鐵。3、一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪和芯軸連接方式，其特征是凸輪預(yù)燒后與芯軸裝配燒結(jié)，一次性實現(xiàn)冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，性能可靠。4、一種含有適量彌散分布的游離態(tài)石墨的凸輪材料，其特征是較高的碳含量在保證高硬度的同時，可以起到很好的潤滑作用，大大降低凸輪的磨損，.提高了使用壽命。全文摘要本發(fā)明公開了一種粉末冶金裝配式凸輪軸凸輪材料的配方及其制備方法。稀土添加高碳含量凸輪材料的成分為C1.5-2％，Cr7.5-10％，Ni1.5-2％，Mo0.75-1％，P0.45-0.6％，氟化稀土1.75-2％，余量為Fe，其中Cr、Mo、P以預(yù)合金粉末的形式加入。將各種粉末按一定比率混合，混料的同時加入0.8％的硬脂酸鋅作為壓制潤滑劑，加入0.6％的PEG作為粘接劑。壓制后，壓坯先在950℃下預(yù)結(jié)30min，然后與凸輪、軸頸裝配燒結(jié)1140℃，保溫60min。用該種方法生產(chǎn)的裝配式中空凸輪軸在保證了高強(qiáng)度與可靠性的前提下，同時具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、加工流程簡化的特點，達(dá)到了輕量化、低成本、高效率的目的，克服了傳統(tǒng)鑄造凸輪軸難以解決的技術(shù)難題。文檔編號B22F3/16GK101368250SQ200810045999公開日2009年2月18日申請日期2008年9月8日優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日發(fā)明者寧李,衛(wèi)楊,計熊,邱代榮申請人:四川大學(xué)