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1、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 日月 日月 日月 日月 日教 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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HRC5263，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
7、。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0.300.80。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
8、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。
