权利要求
1.一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺，其特征是，包括以下步骤：
喂料制备，将高强度不锈钢金属粉末和POM基粘结剂按照质量百分比60-70%：30-40%的比例混合，在温度为160-200℃，搅拌时间为2-4h，转速为20-40r/min的V型混料器中混合;随后，将混合后的原料取出冷却，然后在造粒机中造粒，得到注射成形所需的粒状原料;注射成形，使用注塑机并采用通用的MIM塑基体系进行喂料注射，各温区温度设置为：注射机喷嘴180-200℃，温区一175-195℃，温区二165-185℃，温区三155-175℃，温区四145-165℃;注射时间为1-5s，注射压力为85-100MPa，保压时间为1-5s，保压压力为80-100MPa，冷却时间为5-15s;催化脱脂，采用的酸性气氛为≥95%浓硝酸，保护气氛为氮气;将风机转速设定为1200-1500rad/min，以≥95%浓硝酸进行脱脂，脱脂温度80-120℃，向脱脂炉中通入氮气作为保护气体，氮气流量为1.5-3.0m3/h，脱脂炉中的含氧量<6%，≥95%浓硝酸的供给量为300-400mL/h，脱脂时间为3.5-4.5h，脱脂速率为由外向内1-3mm/h，脱脂率≥7%时完成脱脂;烧结成形，采用和微模数齿轮基体材料相同的高强度不锈钢承烧板进行承烧，承烧板和微模数齿轮基体材料相同，向烧结炉中充入氩气作为保护气体，烧结温度为1300-1500℃，烧结时间为180-360min;固溶时效和整形，在烧结完成后，将微模数齿轮烧结制品放入真空烧结炉中，以固溶温度950-1150℃，固溶时间1-2h为参数进行固溶，形成过饱和固溶体;以时效温度450-650℃，时效时间2-4h为参数进行时效，将合金从过饱和固溶体中析出，形成尺寸细小、分布均匀的强化相，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶，再使用整形机进行整形;所述烧结成形时的温度设置如下：一阶段：以5-15℃/min的升温速率，从室温升温至250-300℃，保温40-80min;二阶段：以1-10℃/min的升温速率，升温至550-750℃，保温40-80min;三阶段：以1-10℃/min的升温速率，升温至950-1150℃，保温40-80min，氩气压力保持20-40KPa;四阶段：以1-5°C/min的升温速率，升温至1280-1480℃，保温120-240min，氩气压力保持20-40Kpa;五阶段：以10-20℃/min的降温速率，冷却至室温，氩气压力保持66-106Kpa;取出微模数齿轮制品;所述整形工艺采用自制的整形机，整形机包括上模与下模，整形时，微模数齿轮放入阴模孔内，通过上下冲模加压对固溶时效后的微模数齿轮进行再次压制。
2.按照权利要求1所述的一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺，其特征是，所述微模数齿轮的参数为模数为0.05-0.1mm，齿数为10-20，齿宽为0.5-1.5mm，精度等级在GB2363-90标准下小于8级。
3.按照权利要求2所述的一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺，其特征是，所述高强度不锈钢金属粉末采用水汽联合雾化制备而成。
4.按照权利要求3所述的一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺，其特征是，所述高强度不锈钢金属粉末的平均粒径D50为4.5um;所述POM基粘结剂的组成成分的质量百分比为聚甲醛(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.按照权利要求4所述的一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺，其特征是，所述注射成形使用海天MA-900型注塑机，所述催化脱脂采用汇腾HT-220L型催化脱脂炉，所述烧结成形和固溶时效均采用恒普PVLG20/20真空烧结炉进行。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及粉末成形工艺，尤其涉及一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺。
背景技术
[0002]在齿轮制造技术的发展过程中，传统机械加工方法，如铣削、车削和磨削等，一直是制造齿轮的主要手段，随着精密机械和微型机械领域的需求日益增长，传统加工技术遭遇了挑战，尤其是在处理极小模数(如小于0.08模数)的齿轮制造时，由于尺寸过小，机械刀具的物理限制导致难以精确成型，切削过程中的稳定性与精度控制也成为难题，使得传统机械加工技术难以满足这类微小齿轮的制造要求，限制了其在精密仪器、微型马达等领域的应用。在此背景下，粉末注射成型技术为微小齿轮的制造开辟了新的路径，该技术通过将金属粉末与粘结剂混合后注入模具中，经冷却固化、脱脂、烧结等一系列工序，最终形成齿轮零件，这一工艺的优势在于，所制得的粉末注射齿轮在材料强度上能接近甚至达到与常规同材质金属齿轮相当的水平，这意味着在微型装置中，即便齿轮体积微小，也能承载必要的负载，保证了系统的可靠运行。
[0003]然而，粉末注射成型技术也面临一些挑战：由于粉末烧结过程中材料的收缩行为复杂且不易预测，导致最终产品的尺寸一致性与精度难以保证，目前行业内所能达到的最高精度等级普遍为GB/T236310级，这一级别的精度虽能满足部分应用需求，但对于高端精密装备而言，还存在一定的差距，限制了粉末注射齿轮在更广泛领域的深入应用。因此，如何进一步提升其尺寸精度，突破现有的精度瓶颈，成为当前该领域研究与实践的重点，也是实现粉末注射齿轮在精密制造领域广泛应用的关键所在。
发明内容
[0004]为了克服现有技术中对于极小模数的齿轮难以用机械加工方法加工来实现，且由于粉末注射成型技术在粉末烧结过程中材料的收缩行为复杂且不易预测，导致最终产品的尺寸一致性与精度难以保证的缺点，本发明提供一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺。
[0005]本发明的技术实施方案为：一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺，包括以下步骤：喂料制备，将高强度不锈钢金属粉末和POM基粘结剂按照质量百分比60-70%：30-40%的比例混合，在温度为160-200℃，搅拌时间为2-4h，转速为20-40r/min的V型混料器中混合;随后，将混合后的原料取出冷却，然后在造粒机中造粒，得到注射成形所需的粒状原料;
[0006]注射成形，使用注塑机并采用通用的MIM塑基体系进行喂料注射，各温区温度设置为：注射机喷嘴180-200℃，温区一175-195℃，温区二165-185℃，温区三155-175℃，温区四145-165℃;注射时间为1-5s，注射压力为85-100MPa，保压时间为1-5s，保压压力为80-100MPa，冷却时间为5-15s;
[0007]催化脱脂，采用的酸性气氛为≥95%浓硝酸，保护气氛为氮气;将风机转速设定为1200-1500rad/min，以≥95%浓硝酸进行脱脂，脱脂温度80-120°C，向脱脂炉中通入氮气作为保护气体，氮气流量为1.5-3.0m3/h，脱脂炉中的含氧量<6%，≥95%浓硝酸的供给量为300-400mL/h，脱脂时间为3.5-4.5h，脱脂速率为由外向内1-3mm/h，脱脂率≥7%时完成脱脂;
[0008]烧结成形，采用和微模数齿轮基体材料相同的高强度不锈钢承烧板进行承烧，承烧板和微模数齿轮基体材料相同，向烧结炉中充入氩气作为保护气体，烧结温度为1300-1500℃，烧结时间为180-360min;
[0009]固溶时效和整形，在烧结完成后，将微模数齿轮烧结制品放入真空烧结炉中，以固溶温度950-1150℃，固溶时间1-2h为参数进行固溶，形成过饱和固溶体;以时效温度450-650℃，时效时间2-4h为参数进行时效，将合金从过饱和固溶体中析出，形成尺寸细小、分布均匀的强化相，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶，再使用整形机进行整形。
[0010]更为优选的，所述烧结成形时的温度设置如下：一阶段：以5-15°C/min的升温速率，从室温升温至250-300°C，保温40-80min;二阶段：以1-10°C/min的升温速率，升温至550-750°C，保温40-80min;三阶段：以1-10°C/min的升温速率，升温至950-1150°C，保温40-80min，氩气压力保持20-40KPa;四阶段：以1-5°C/min的升温速率，升温至1280-1480°C，保温120-240min，氩气压力保持20-40Kpa;五阶段：以10-20°C/min的降温速率，冷却至室温，氩气压力保持66-106Kpa;取出微模数齿轮制品。
[0011]更为优选的，所述微模数齿轮的参数为模数为0.05-0.1mm，齿数为10-20，齿宽为0.5-1.5mm，精度等级在GB2363-90标准下小于8级。
[0012]更为优选的，所述高强度不锈钢金属粉末采用水汽联合雾化制备而成。
[0013]更为优选的，所述高强度不锈钢金属粉末的平均粒径D50为4.5um;所述POM基粘结剂的组成成分的质量百分比为聚甲醛(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]更为优选的，所述注射成形使用海天MA-900型注塑机，所述催化脱脂采用汇腾HT-220L型催化脱脂炉，所述烧结成形和固溶时效均采用恒普PVLG20/20真空烧结炉进行。
[0015]更为优选的，所述整形工艺采用自制的整形机，整形机包括上模与下模，整形时，微模数齿轮放入阴模孔内，通过上下冲模加压对固溶时效后的微模数齿轮进行再次压制。
[0016]与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过在烧结过程中，采用和微模数齿轮基体材料相同的高强度不锈钢承烧板进行承烧，承烧板和微模数齿轮基体材料相同，能够降低承烧板和微模数齿轮的接触界面的热膨胀系数差异，从而降低微模数齿轮的内部热应力，减少微模数齿轮出现烧结开裂现象的频率，由于承烧板和微模数齿轮共同收缩，优化了烧结过程中微模数齿轮的作用力分布，将收缩率控制在预定的13.5%左右，改善了微模数齿轮的尺寸，提高了微模数齿轮的尺寸精度，烧结成形和固溶时效均采用恒普PVLG20/20真空烧结炉进行，能够降低制备成本，提高高性能微模数齿轮的产量。
附图说明
[0017]图1为本发明一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺流程图;
[0018]图2为本发明微模数齿轮脱脂坯和承烧板在烧结过程中的排布示意图。
具体实施方式
[0019]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0020]一种高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺，如图1所示，包括以下步骤：喂料制备、注射成形、催化脱脂、烧结成形、固溶时效和整形。
[0021]具体地，以制备模数为0.075mm，齿数为15，齿宽为1mm，精度等级在GB2363-90标准下小于8级的微模数齿轮为例。在一种实施例中，喂料制备具体包括以下步骤：
[0022]采用高强度不锈钢金属粉末和POM基粘结剂制备喂料;将高强度不锈钢金属粉末和POM基粘结剂按照质量百分比64%：36%的比例混合，在温度为180℃，搅拌时间为3h，转速为30r/min的V型混料器中混合。随后，将混合后的原料取出冷却，然后在造粒机中造粒，得到注射成形所需的粒状原料。所述高强度不锈钢金属粉末采用水汽联合雾化制备而成，既降低了制备成本，又提高了粉末的圆度，提升了粉末的流动性能，其中粉末的平均粒径D50为4.5m，球形度好，无明显团聚现象。POM基粘结剂的组成成分的质量百分比为聚甲醛(POM)为86%，聚丙烯(PP)为5.5%，高密度聚乙烯(HDPE)为6.5%，硬脂酸为2%。POM作为主要的粘结剂，对酸性气氛敏感，在酸性气氛下能快速催化分解为甲醛，在脱胶过程中可快速脱除。选择HDPE作为高分子量组分，以在脱脂过程中为注射坯提供足够的支撑强度。PP能保持坯体形状，与POM有一定的相容性，保证了进料的均匀性。
[0023]在一种实施例中，注射成形具体操作为：采用通用的MIM塑基体系喂料注射工艺，使用海天MA-900型注塑机，各温区温度设置为：注射机喷嘴190℃，温区一185℃，温区二175℃，温区三165℃，温区四155℃;注射时间为2s，注射压力为93MPa，保压时间为1.5s，保压压力为90MPa，冷却时间为9s。
[0024]在一种实施例中，催化脱脂工艺为：在汇腾HT-220L型催化脱脂炉中，将风机转速设定为1200rad/min，以≥95%浓硝酸进行脱脂，脱脂温度80°C，向脱脂炉中通入氮气作为保护气体，氮气流量为1.5m3/h，脱脂炉中的含氧量<6%，≥95%浓硝酸的供给量为350mL/h，脱脂时间为3.5h，脱脂速率为由外向内1mm/h，脱脂率≥7%时完成脱脂。
[0025]另一种实施例中，催化脱脂工艺为：在汇腾HT-220L型催化脱脂炉中，将风机转速设定为1500rad/min，以≥95%浓硝酸进行脱脂，脱脂温度80-120°C，向脱脂炉中通入氮气作为保护气体，氮气流量为3.0m3/h，脱脂炉中的含氧量<6%，≥95%浓硝酸的供给量为350mL/h，脱脂时间为4.5h，脱脂速率为由外向内1mm/h，脱脂率≥7%时完成脱脂。
[0026]在一种实施例中，烧结成形具体步骤是：采用恒普PVLG20/20真空烧结炉，向烧结炉中充入氩气作为保护气体，烧结温度为1380℃，烧结时间为180min，具体烧结烧温度如下：一阶段：以10°C/min的升温速率，从室温升温至300°C，保温60min;二阶段：以5°C/min的升温速率，从300°C升温至650°C，保温60min;三阶段：以4.5°C/min的升温速率，从650°C升温至1050°C，保温60min，氩气压力保持30KPa;四阶段：以2°C/min的升温速率，从1050°C升温至1380°C，保温180min，氩气压力保持30Kpa;五阶段：以15°C/min的降温速率，从1380°C冷却至室温，氩气压力保持86Kpa;取出微模数齿轮制品。
[0027]一种优选实施例中，参考图2所示的本发明微模数齿轮脱脂坯和承烧板在烧结过程中的排布示意图;在烧结过程中，采用和微模数齿轮基体材料相同的高强度不锈钢承烧板进行承烧，承烧板和微模数齿轮基体材料相同;采用和微模数齿轮基体材料相同的高强度不锈钢承烧板进行承烧，能够降低承烧板和微模数齿轮的接触界面的热膨胀系数差异，从而降低微模数齿轮的内部热应力，减少微模数齿轮出现烧结开裂现象的频率，由于承烧板和微模数齿轮共同收缩，进而能够优化烧结过程中微模数齿轮的作用力分布，将收缩率控制在预定的13.5%左右，改善微模数齿轮的尺寸，以提高微模数齿轮的尺寸精度。
[0028]在一种实施例中，固溶时效采用恒普PVLG20/20真空烧结炉，以降低制备成本，提高高性能微模数齿轮的产量;固溶时效工艺包括固溶工艺和时效工艺，在烧结完成后，将微模数齿轮烧结制品放入真空烧结炉中，以固溶温度1050℃，固溶时间1.5h为参数进行固溶，确保合金溶入基体，形成过饱和固溶体;以时效温度550℃，时效时间3h为参数进行时效，将合金从过饱和固溶体中析出，形成尺寸细小、分布均匀的强化相，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶，提高了微模数齿轮的组织均匀分布性和力学性能。以拉伸样条为例进行验证，经固溶温度1050℃，固溶时间1.5h、时效温度550℃，时效时间3h的固溶时效工艺后，拉伸样条的平均拉伸强度由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，力学性能大幅改善。
[0029]最后，整形工艺采用自制的整形机，整形机包括上模与下模，对固溶时效后的微模数齿轮进行再次压制，以改变其形状及提高其精度，整形时，将微模数齿轮放入阴模孔内，通过上下冲模加压一次成型，使成型齿轮达到高密度的要求，其密度了提高5%-12%。
[0030]以上结合具体实施例描述了本发明实施例的技术原理。这些描述只是为了解释本发明实施例的原理，而不能以任何方式解释为对本发明实施例保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明实施例的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明实施例的保护范围之内。
说明书附图(2)
声明：
“高精度高强度微模数齿轮金属粉末成形工艺” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：赣南科技学院, 江苏精研科技股份有限公司
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2025年03月20日 ~ 22日 
