專利名稱：燒結(jié)齒輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過對金屬粉末進行加壓成形并燒結(jié)而制造出的燒結(jié)齒輪，除凸齒之間嚙合的普通齒輪外，還包括鏈條卷掛輪等動力傳導(dǎo)輪。特別涉及包括靜音鏈條用鏈輪等的需要強度和靜音性的燒結(jié)齒輪。
背景技術(shù)：
通常，把金屬粉末填充到模具中，使用沖壓的手段在上下方向上進行壓縮成形，得到所需要的齒輪形狀的粉壓體，然后對其進行燒結(jié)而得到燒結(jié)齒輪。這樣的燒結(jié)齒輪，可以廉價地大量生產(chǎn)，因此能夠向各種用途提供多種多樣的制品。在燒結(jié)齒輪的金屬基體中殘存著其制造方法帶來的氣孔。因此，形成齒輪的材料的密度比真密度要低，與一般擁有真密度的熔煉鋼齒輪相比存在強度低的問題。針對這個問題，以往采用比熔煉鋼齒輪的材料更高級的材料來彌補強度不足的缺陷，或者在制造工序中，采用兩次成形和燒結(jié)(成形、預(yù)燒結(jié)、二次成形及燒結(jié))的2P-2S法，或者采用在溫熱條件下成形的溫熱成形技術(shù)等使粉末高密度化來解決。
但是，近年來，針對降低價格的要求不斷提高，使用高級別的材料或復(fù)雜的制造工序等，極不利于對應(yīng)這種要求，難以解決問題。因此，要求一種能夠使用廉價材料、制造方法簡單、且強度高的燒結(jié)齒輪。
關(guān)于這個問題，提出了一種對擠壓并燒結(jié)粉末金屬材料而形成的齒輪的齒、齒根和齒根面區(qū)域進行表面固化，以至少在達380μm的深度確立90～100％范圍的致密的齒輪(如特表平6-501988號公報，第2～3頁，參照圖1)。
另外，齒輪是通過與相應(yīng)部件的齒或鏈條等嚙合旋轉(zhuǎn)來傳送動力的部件，在齒輪的嚙合部位發(fā)生的接觸、摩擦會產(chǎn)生噪音。對于抑制這種噪音，提高靜音性的齒輪的要求也在不斷增加。
本發(fā)明就是應(yīng)如上述的需求，目的在于提供能夠以低成本容易地制造、且靜音性高的燒結(jié)齒輪。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的燒結(jié)齒輪是由具有金屬基體和氣孔的燒結(jié)合金構(gòu)成的燒結(jié)齒輪，其特征在于，具有在齒的齒面以300～1000μm的厚度形成且氣孔率降低到10％或其以下的第一致密層、及在齒底面以10～300μm的厚度形成且氣孔率降低到10％或其以下的第二致密層，所述第一致密層的界面與所述第二致密層的界面連接為實質(zhì)上沒有段差。


圖1是表示本發(fā)明的燒結(jié)齒輪的一個實施方式的部分截面圖。
圖2是表示本發(fā)明的燒結(jié)齒輪的制造工藝中成形工序的說明圖。
圖3是表示燒結(jié)齒輪的制造工藝中成形工序的說明圖。
具體實施例方式
齒輪之間的嚙合或根據(jù)齒輪的向鏈條的動力傳送中，齒在轉(zhuǎn)動接觸時會產(chǎn)生應(yīng)力。由轉(zhuǎn)動接觸產(chǎn)生的應(yīng)力最大的位置(稱為應(yīng)力集中部位)，并不是齒面即轉(zhuǎn)動接觸面(齒根面～齒端面)的面上，而是從表面稍微里邊的內(nèi)部。因此，對于由金屬粉末成形及燒結(jié)而得到的燒結(jié)齒輪，通過對齒面的表層部分進行致密化為氣孔率比內(nèi)部(芯)低，設(shè)置厚度適當?shù)闹旅軐樱瑒t能夠提高轉(zhuǎn)動接觸引起的齒的疲勞強度。燒結(jié)齒輪，一般是由氣孔率(容積比)在85～90％程度的燒結(jié)體構(gòu)成。經(jīng)過本發(fā)明的致密化加工，可以把氣孔率降低到10％或其以下，形成為致密層的厚度(致密層與齒輪的芯部分的界面從表面的深度)為300～1000μm。在氣孔率超過10％的狀態(tài)無法得到充分的疲勞強度。即在本發(fā)明中，致密層就是指氣孔率減少到10％或其以下的部分。致密層從表面向內(nèi)部存在氣孔率升高的傾向，致密層的氣孔率用從致密層的表面到內(nèi)部的平均值表示。致密層的厚度小于300μm時，應(yīng)力集中部位成為比致密層還要深的位置，無法改善疲勞強度。另外，厚度超過1000μm也得不到其以上的效果，因此沒有意義。
如上所述的致密層的形成也能用于齒輪的靜音化。以下說明根據(jù)致密層的靜音化。
當齒輪的氣孔率整體上均勻時，因齒輪咬合而在齒面上發(fā)生的振動，通過燒結(jié)合金的基體傳遞到貫穿齒輪的軸。與此相比，如果如上所述在齒的表層部設(shè)置致密層，則表層部與內(nèi)部之間的氣孔率產(chǎn)生差異，振動容易選擇密度高的方向傳導(dǎo)，因此向軸方向傳導(dǎo)的振動減少，容易衰減。從振動發(fā)生位置通過致密層傳播的振動沿著齒輪表面擴散，隨著傳播漸漸衰減。振動傳播的選擇性對提高靜音性來說是重要的，致密層的最表面與內(nèi)部的芯部分之間的氣孔率之差越大，選擇性也越能夠提高，該氣孔率之差優(yōu)選為約7％或其以上?？紤]到這一點，構(gòu)成燒結(jié)齒輪芯部分的燒結(jié)體的氣孔率在10～15％程度、致密層的氣孔率在1～9％程度時，從易于加工及整體性強度平衡方面來看是優(yōu)選的。
致密層如果設(shè)置成不僅在齒嚙合時接觸的齒面部分、還延長到不發(fā)生接觸的齒底面和齒頂面，則根據(jù)振動傳播提高靜音性的效果增加，因此是有用的。此時，齒面的致密層與齒底面及齒頂面的致密層之間的連續(xù)性高時振動傳播良好，提高靜音性。因此，希望這些致密層間的氣孔率之差小，沒有急劇的變化。
齒底面和齒頂面不與配對齒輪直接接觸，因此沒有必要為了賦予對轉(zhuǎn)動接觸的疲勞強度而設(shè)置深的致密層。但是，齒底面是齒面與配對側(cè)齒輪的齒接觸時受到應(yīng)力而拉伸應(yīng)力集中的部分，因此，對于齒底面的表層部進行致密化可以有效提高拉伸強度。從這種角度考慮，也可以對齒底面以大于等于10μm的厚度設(shè)置氣孔率小于等于10％的致密層。如果厚度不足10μm，振動的選擇傳播效果及提高拉伸強度的效果不充分。但是，即使厚度超過300μm，也得不到更好的靜音化效果，所以，有效性最高的致密層的厚度范圍為10μm～300μm。
對于齒頂面，沒有必要為了提高強度而使之致密化。但是，如果轉(zhuǎn)動接觸的齒面的致密層延長到位于其背面的齒面而把振動的傳送路徑與背面的致密層連接，則對靜音化有效。因此，對于齒頂?shù)闹旅芑矁?yōu)選致密層的氣孔率小于等于10％、且厚度從表面為10μm～300μm。
齒輪的芯部分(沒有進行致密化的部分)與致密層的界面的形狀，對應(yīng)力作用和振動傳播行為有重要影響。具體而言，如果界面不連續(xù)(也就是有棱角)地曲折或者凸凹劇烈，這些部分易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易發(fā)生材料的疲勞。所以，對齒輪的芯部分與致密層的界面的形狀的要求是連續(xù)的(也就是說平滑的、沒有棱角的)、實質(zhì)上不存在斷差或凸凹、致密層的厚度不會局部性地急劇變化。
致密層可以通過對由燒結(jié)工序得到的齒輪形燒結(jié)體實施精壓、滾軋、擠壓加工等壓表面的加壓加工來壓縮表面而形成，可以將加壓加工分成多個工序階段性實施或者將多種加工組合實施。燒結(jié)體的形狀，根據(jù)最終的齒輪形狀估計隨著加壓加工而減少的加工余量來決定。由一次加壓加工可壓縮的加工余量因加工條件即實施加工的材料、加工壓力和加工溫度而異，例如采用滾軋的情況，可以對應(yīng)于形成的致密層的厚度和氣孔率，通過調(diào)節(jié)滾軋余量、滾軋壓力及溫度，以一次工序設(shè)置所希望的致密層。
如上所述在表面具有致密層的齒輪，作為結(jié)構(gòu)用燒結(jié)合金可以適用至今使用的等級較低的燒結(jié)合金。其具體例可以舉出Fe-Cu-C系合金、Fe-Ni-Mo-C系合金等鐵系燒結(jié)合金，整體密度為6.7～7.1g/cm3程度、氣孔率為10～15％程度的燒結(jié)體適合作為齒輪材料。把上述組成的合金粉末按照常規(guī)方法加壓壓縮以成形為齒輪形后進行燒結(jié)，把齒輪形燒結(jié)體作為齒輪材料，實施前面所述的加壓加工，形成致密層。之后，根據(jù)需要也可以實施熱處理。通過這樣制造具有致密層的燒結(jié)齒輪，能夠得到強度和靜音性比以往的燒結(jié)合金齒輪都有提高的齒輪。
圖1是表示本發(fā)明的燒結(jié)齒輪的一個實施方式的齒輪的一部分的徑向方向截面圖。齒輪1的齒的表面形成有致密層11，形成有分開致密層11和齒輪內(nèi)部13的界面12。齒面2即齒端面3和齒根面4中，致密層11的厚度21為300～1000μm，在此例中被加工成500μm。另一方面，齒底面5中，致密層11的厚度22為10～300μm，在此例中為150μm。齒輪的內(nèi)部13的氣孔率為11～13％，致密層11的氣孔率為0～10％。致密層11形成為厚度不發(fā)生急劇的變化，界面12從齒端面3到齒底面5側(cè)平滑地連續(xù)。即齒面3及齒底面5的致密層的界面是連續(xù)的，實質(zhì)上沒有段差。
圖2(a)、(b)是用于說明制造如圖1的燒結(jié)齒輪的加工工序的一例的截面圖。圖2(a)表示滾軋前的齒輪材料M的齒形輪廓31，圖2(b)表示滾軋后的齒輪1a的齒形輪廓32。在圖2(a)中，將滾軋后的齒形輪廓32用虛線一同表示，滾軋前后的齒形輪廓之差就是滾軋余量。滾軋加工前的齒輪材料，氣孔率超過10％，但經(jīng)過滾軋加工，圖2(b)中的致密層11a的氣孔率小于等于10％。在齒面的致密層與齒底面的致密層的連接部分A，致密層11a的厚度從21a向22a漸漸變化，致密層11a的界面12a保持連續(xù)(也就是平滑、沒有棱角)。從而，界面12a上不存在致密層的厚度急劇變化而產(chǎn)生的段差。
圖3(a)、(b)是表示由不同的齒形輪廓31a’的齒輪材料M’滾軋加工制造出相同的齒形輪廓32的齒輪時的截面圖。圖3(a)表示滾軋加工前的齒輪材料M’的輪廓31’，圖3(b)表示滾軋后的齒輪1b。圖3(a)中記載的滾軋后的齒形輪廓32與滾軋前的齒形輪廓31’之差就是滾軋余量，在滾軋余量的厚度急劇變化的部分，滾軋后的齒輪1b中，致密層11b的厚度也從22b向22b急劇變化，在齒面的致密層21b與齒底面的致密層22b的連接部分B，界面12b產(chǎn)生段差。施加到致密層的轉(zhuǎn)動接觸時的應(yīng)力集中到連接部分B的段差部分，易于在段差部分的界面及其稍微內(nèi)部產(chǎn)生損傷。關(guān)于在齒面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動接觸的振動，在致密層11b中傳播時，在接觸部B段差部分的界面12b發(fā)生反射，由于段差附近的急劇狹窄而減少向齒底面的致密層傳播的比例。由于反射振動波引起的干涉，振動波的能量集中在段差附近。
通過如上所述形成致密層，可以得到強度和靜音性能優(yōu)異的燒結(jié)齒輪，發(fā)揮燒結(jié)合金的輕量化的優(yōu)點，有效利用整體密度為6.7～7.1g/cm3程度的燒結(jié)齒輪。
實施例1在組成以質(zhì)量比計為Fe-0.5％Ni-0.5％Mo的鐵合金粉末(粒度80目)中加入石墨粉末，調(diào)制石墨粉末比例為0.3質(zhì)量％的混合粉末(組成Fe-0.5％Ni-0.5％Mo-0.3％C)，將其作為原料粉末進行如下的操作。
<樣品1A>
將原料粉末加壓壓縮而成形為鏈輪形狀，在1195℃燒結(jié)，得到齒輪材料。對該齒輪材料實施滾軋加工后在900℃實施熱處理，得到表面具有如圖1所示致密層的燒結(jié)齒輪。滾軋加工的滾軋余量，在齒面為0.09mm，在齒底面及刃頂面為0.02mm，滾軋壓力為3ton。
樣品1A的燒結(jié)齒輪，根據(jù)JIS Z2501中規(guī)定的測量方法測量整體密度的結(jié)果為7.0g/cm3。并且，對燒結(jié)齒輪的齒部的金屬組織截面在200倍的放大倍數(shù)下進行拍照，并使用圖像分析軟件分析其圖象，確定密度分布來計算出氣孔率，其結(jié)果，致密層的氣孔率(容積比)在最表面為2.5％，平均為5.0％，其內(nèi)側(cè)的芯部分的氣孔率為13％。致密層的厚度，在齒面為1000μm，在齒底面及刃頂面為300μm，致密層與芯部分的界面沒有段差而平滑。
另外，將樣品1A的燒結(jié)齒輪固定到軸上，在齒輪的鏈輪齒上卷掛鏈條。在齒輪的旋轉(zhuǎn)速度為8000rpm、鏈條負荷為29.4N·m的條件下旋轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動鏈條100小時。這期間，在距離齒輪100mm的位置固定麥克風進行噪音測定。并且，鏈條驅(qū)動結(jié)束后，測定齒輪的磨損量。噪音和磨損量的測定結(jié)果如表1所示。
<樣品1B>
采用溫熱成形將原料粉末成形為與樣品1A相同的鏈輪形狀，在1195℃燒結(jié)，得到齒輪材料。對該齒輪材料在900℃進行熱處理，得到樣品1B的燒結(jié)齒輪。
對樣品1B的燒結(jié)齒輪，采用與樣品1A相同的測定方法測定整體密度的結(jié)果為7.2g/cm3。并且，采用與樣品1A同樣的分析方法檢測燒結(jié)齒輪的齒部的金屬組織截面的密度分布的結(jié)果，氣孔率平均為12％。
另外，把樣品1B的燒結(jié)齒輪固定到軸上，在與樣品1A相同的條件下驅(qū)動鏈條100小時，這期間，在距離齒輪100mm的位置進行與樣品1A相同的噪音測定。并且，在鏈條驅(qū)動結(jié)束后，測定齒輪的磨損量。噪音和磨損量的測定結(jié)果如表1所示。
表1

從表1可知，樣品1A的燒結(jié)齒輪，與樣品1B的燒結(jié)齒輪相比，盡管材料密度低，但耐磨損性能優(yōu)異，同時靜音性能也優(yōu)異。而且，樣品1A的齒輪的制造成本低。
實施例2
使用與實施例1相同的原料粉末，除了把滾軋加工中的滾軋余量在0.02～0.12mm范圍適宜變更以外，按照與樣品1A相同的方法進行成形、燒結(jié)、滾軋加工及熱處理，分別制造在齒面、齒底面和齒頂面具有如表2所示厚度致密層的燒結(jié)齒輪(樣品2A～2F)。
還有，除了成形體的鏈輪齒形狀為如圖3所示在齒根具有凹部以外，按照與樣品2B相同的制造方法進行成形、燒結(jié)、滾軋加工及熱處理，制造樣品2B’的燒結(jié)齒輪。
樣品2A～2F的燒結(jié)齒輪，使用與樣品1A相同的測定方法測定整體密度的結(jié)果各自為7.0g/cm3。并且，使用與樣品1A相同的分析方法從燒結(jié)齒輪的齒部的金屬組織截面檢測密度分布和氣孔率的結(jié)果，所有樣品的致密層的氣孔率在最表面為2.5％，平均為5％，其內(nèi)側(cè)的芯部分的氣孔率為13％。致密層與芯部分的界面沒有斷佐賀而平滑。還有，對樣品2B’的燒結(jié)齒輪的金屬組織截面進行分析，發(fā)現(xiàn)致密層的界面在齒面的致密層與齒底面的致密層的接觸部分形成斷差。
對樣品2A～2F及2B’的燒結(jié)齒輪，分別進行三球式縱搖試驗(three-balltype pitching test)，測定齒面的承載疲勞強度。并且，在齒輪的齒端面安裝夾具，在齒輪的圓周方向以30Hz反復(fù)施加負荷，測定齒根破壞時的反復(fù)次數(shù)。根據(jù)負荷與破壞時的反復(fù)次數(shù)的關(guān)系，求出在107次時還沒有破壞的最大負荷來測定齒根彎曲疲勞強度。測定的結(jié)果如表2所示。
表2

從表2可知，承載疲勞強度隨著致密層厚度的增加而提高，特別是300μm以上的厚度時疲勞強度明顯提高。但是厚度超過1000μm以后疲勞強度提高欠缺。從以上的結(jié)果可以看出，當齒面的致密層厚度在300～1000μm范圍時，能夠有效獲得疲勞強度的提高效果。并且，可以確認如果致密層的界面成為斷差狀，則這一部分的疲勞強度就下降。
實施例3使用與實施例1相同的原料粉末，除了把滾軋加工中的齒底的滾軋余量在0～0.06mm的范圍適宜變更以外，按照與樣品1A相同的方法進行成形、燒結(jié)、滾軋加工及熱處理，分別制造齒底面具有的致密層厚度如表3所示不同的燒結(jié)齒輪(樣品3A～3F)。
對樣品3A～3F的燒結(jié)齒輪，使用與樣品1A相同的測定方法測定整體密度的結(jié)果分別是7.0g/cm3。并且，使用與樣品1A相同的分析方法檢測燒結(jié)齒輪的齒部的金屬組織截面的密度分布的結(jié)果，致密層的氣孔率均為在最表面是2.5％，平均是6％，其內(nèi)側(cè)的芯部分的氣孔率為13％。致密層與芯部分的界面沒有段差而平滑。
把樣品3A～3F的燒結(jié)齒輪各自固定在軸上，在與樣品1A相同的條件下驅(qū)動鏈條100小時，這期間，在距離齒輪100mm的位置進行與樣品1A相同的噪音測定。測定結(jié)果如表3所示。
表3

由表3可知，隨著齒底的致密層的厚度增加，噪音水平下降，特別是大于等于10μm的厚度時，靜音效果顯著。并且，可以知道如果致密層的界面存在段差，則靜音效果將減少。
產(chǎn)業(yè)利用的可能性根據(jù)本發(fā)明，可以使用廉價的Fe-Cu-C系合金或Fe-Ni-Mo-C系合金等粉末得到強度及工作時的靜音性優(yōu)異的燒結(jié)齒輪。由于不必使用品質(zhì)級別特別高的原料粉末，所以燒結(jié)齒輪的適用范圍廣闊，可以作為實現(xiàn)具備齒輪的裝置的輕量化、制造成本的降低及靜音化的方法而被利用。
權(quán)利要求
1.一種燒結(jié)齒輪，其為由具有金屬基體和氣孔的燒結(jié)合金構(gòu)成的燒結(jié)齒輪，其特征在于，具有在齒的齒面以300～1000μm的厚度形成且將氣孔率降低到10％或其以下的第一致密層、和在齒底面以10～300μm的厚度形成且將氣孔率降低到10％或其以下的第二致密層，所述第一致密層的界面與所述第二致密層的界面連續(xù)為實質(zhì)上沒有段差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒結(jié)齒輪，其特征在于，進一步具有在所述齒的齒頂面以10～300μm的厚度形成且由所述燒結(jié)合金將氣孔率降低到10％或其以下的第三致密層，所述第一致密層的界面與所述第三致密層的界面連續(xù)為實質(zhì)上沒有段差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒結(jié)齒輪，其特征在于，所述燒結(jié)合金為Fe-Cu-C合金或者Fe-Ni-Mo-C合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒結(jié)齒輪，其特征在于，所述燒結(jié)合金的組成以質(zhì)量比計為Fe-0.5％Ni-0.5％Mo-0.3％C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒結(jié)齒輪，其特征在于整體密度為6.7～7.1g/cm3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒結(jié)齒輪，其特征在于，用于根據(jù)凸齒之間嚙合的動力傳送。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒結(jié)齒輪，其特征在于，用作向鏈條進行動力傳送的鏈輪。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒結(jié)齒輪，其特征在于，所述燒結(jié)合金與所述第一及第二致密層的最表面的氣孔率之差大于等于7％。
全文摘要
本發(fā)明涉及由具有金屬基體和氣孔的燒結(jié)合金構(gòu)成的燒結(jié)齒輪，在齒的齒面(2、3、4)及齒底面(5)具有由燒結(jié)合金將氣孔率降低到10％或其以下的致密層(11)，齒面的致密層以300～1000μm的厚度形成，齒底面的致密層以10～300μm的厚度形成，致密層的界面從齒面?zhèn)认螨X底面?zhèn)冗B續(xù)為實質(zhì)性沒有段差。
文檔編號F16H55/06GK1703292SQ20038010088
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月4日
發(fā)明者山西佑司, 佐藤良治, 石井啟, 荒川友明, 山田淳一, 筒井唯之, 藤原昭 申請人:日立粉末冶金株式會社, 本田技研工業(yè)株式會社