第1教学单元粉末冶金零件的制造工艺.doc

冶金与建筑工程系 教 案
第 1 教学单元
课 题：粉末冶金零件的制造工艺
教学目标
知识目标
掌握粉末冶金工艺的基础知识
掌握粉末冶金零件的制造工艺过程
能力目标
能够通过对典型零件制造工艺的学习研究，了解传统粉末冶金零件制造工艺过程。
职业素质目标
爱岗敬业 诚实守信 技能过硬 自主创新
教学重点
粉末冶金工艺知识，粉末冶金零件生产工艺
教学难点
粉末冶金零件生产工艺
辅助教学手段
采用实物、标本、模型、图表、幻灯和录像等手段
教学准备
准备教学目标、准备学生情况、准备教学材料、准备教学心理、准备教学过程、准备教学评价
授课班级

授课日期
月 日
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教 学 进 程
教学方法及时间分配
复习提问：

以一种典型粉末冶金零件为载体，采用任务教学法、案例教学法、引导文教学法、现场教学法，通过教师讲解、示范，引导学生学习。

2学时
导 言：粉末冶金是一门制造金属粉末和以金属粉末为原料，用成形-烧结法制造材料和制品的技术。
新课内容:
任务一：粉末冶金凸轮轴的制造工艺
基础知识：

1、粉末冶金既是制取金属材料的一种冶金方法，又是制造机械零件的一种加工方法；
2、作为特殊的冶金工艺，可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料；
3、作为少无切削工艺之一，可以制造各种精密的机械零件。

传统粉末冶金工艺流程：

1、任务引入
凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作，需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位。
2、任务准备
（1）凸轮轴的主体
是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体，上面并排有若干个凸轮，用于驱动气门。凸轮轴的一端是轴承支撑点，另一端与驱动轮相连接，凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证汽缸充分的进气和排气，具体来说就是在尽可能短的时间内完成气门的开、闭动作。

（2）粉末冶金凸轮轴材料
凸轮轴材料体系的不同对凸轮工作寿命及工作效果影响较大，这也是显示出粉末冶金材料特长的重要方面。大部分发动机制造企业(包括汽油机和柴油机)都采用整体式凸轮轴，其材料有的采用中碳低合金锻钢，经过高频淬火;有的采用球磨铸铁。
粉末冶金凸轮轴主要采用焊接、烧结、机械连接等方式将凸轮和轴组合到一起。不同的装配方式对材料的要求也不完全相同，所选的材料也不相同。焊接方式一般选择冷拔无缝钢管作为芯轴，凸轮材料料选择碳钢和铬钼合金，并采用高频淬火或者渗碳处理，这样既确保了发动机对凸轮轴强度和刚度的要求，也考虑了可焊性成本。但是焊接时容易发生热变形，使凸轮轴的尺寸精度降低，也容易使焊接部位发生裂纹，质量难以保证。由于存在焊裂的问题，因此只能选择钢制材料。烧结方式一般采用无缝冷拔碳钢管作为芯轴，凸轮材料一般采用Fe-C-P-Ni-Cr-Mo合金，已具有较强的耐磨损、耐胶着、耐点蚀的能力。选择合适的材料和合适的连接方式，才能保证凸轮轴的安全性和较长的使用寿命。
（3）制造工艺
粉料的混合---成形---烧结---后处理
3、任务实施与指导

（1）轴的结构与要求
应考虑到，轴部通过高温烧结炉后，其机械性能的变化。可根据要求的强度、刚性来决定外径、壁厚尺寸及材料。
钢管外圆的V型槽是在钢管冷拉时形成的，要求加工合理。对凸轮相位定位方法，进行了各种研究。V型槽法生产率高，且质量稳定，故决定采用这种方法。
（2）凸轮的特点
凸轮桃形用烧结合金制成，表面高压下要求有良好的耐磨性、耐腐蚀性。为此，日本活塞环公司在过去开发的耐磨烧结材料批量生产的经验基础上，进行了种种化学成分、制造工艺的试验，选定了表1、2的不同用途的材料。这些材料都是Fe-C-P-Ni-Cr-Mo系烧结合金。
总之，这种材料是由硬质基体和粒状碳化物构成的有良好滑动特性的材料。基体组织主要是贝氏体、马氏体，也有若干的珠光体、奥氏体。碳化物为含有Fe, Cr,Mo，P的复合碳化物，硬度为Hv ( 0,05)1000。含有碳化物的基体宏观硬度为HRC52～63，在600℃高温下，也能保持Hv （20 ）400的高硬度，对滑动表面反复的高瞬时温度具有良好的耐磨性能。

为获得凸轮桃形本身理想的耐磨性能以及它与凸轮轴的接合性，对化学成分中的各元素的添加量进行各种试验。
首先，同时进行三项试验，
(a)Fe一P一C系三元共晶的致密化;
(b)对钢管的扩散接合;
(c)钎焊牢固性。
从试验结果可知，磷的添加量不到0.3时，产生的液相少，致密、扩散接合不良。超过0.8时，烧结温度和钎焊温度的匹配性差，因此，磷的添加量应定为0.30～0.80。

铬添加量的增加，使碳化物析出量增大，而且使金属组织趋向微细化，提高了剪切强度。铬添加量少时，碳化物比较粗大，碳量也减少。从这种特点与成本进行综合考虑后确定使用成分不同的材料。
镍、钼有助于马氏体、贝氏体的析出，因此，添加镍、钼，以提高剪切强度及硬度。添加量与烧结炉冷却速度的关系很密切，要考虑与成本等因素来确定添加量(凸轮材料见表1)。

(3)轴颈部的特点
配合材料是轴瓦合金或铝合金，凸轮桃形的使用条件不能过于苛刻，要充分考虑其耐磨性。根据发动机的结构、润滑条件等进行材料的开发、选定。表3为轴颈材料一览表
要考虑烧结材料与凸轮材料烧结温度的匹配和降低成本，作为轴颈材料应尽量减少合金元素。磷的添加量要适当，而且，由于碳的添加量不同，碳化物析出量也有变化。因此，对碳的添加量也要进行种种试验后才能确定。
对钢材要选择通过烧结炉之后，轴颈仍具有耐磨性的材料。
（4）接合部分
接合部分是这种组合式凸轮轴特性之中最重要部分。日本活塞环公司的P/M凸轮轴采用液相烧结接合法是可靠性最好的金属学的接合方法。Fe一P一C系的合金粉末用辊压压缩成型，将压粉体插入钢管内，通过烧结炉同时进行烧结，引起烧结材料向钢管扩散，而且由于斯氏体的结晶，在比较低的温度下，一部分烧结材料产生熔融状态的所谓液相。由于产生这种液相，烧结材料收缩致密的同时与钢管结合，液相同钢管的界面合金化，相互进行牢固的接合。合金元素是相互扩故、且呈合金化。
钢制部件同钢管的接合方法是通过烧结工序的同时进行钎焊接合。
总之，扩散接合及钎焊都要受接合表面的影响，受接合部位间隙的影响，要充分考虑生产率和成本，选定最佳值。
4、任务总结
粉末冶金凸轮轴具有的特点：
减轻重量；
可根据各部分的要求选择材料；
质量稳定；
制造工艺合理。

布置任务：1、传统粉末冶金零件制造工艺的特点？
注：各栏大小可根据需要进行调整。