CN100338373C - 无声链用烧结链轮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是能够确保高的全体密度、有优良的耐面压性的烧结链轮。由下述(1)～(3)中的任一种烧结合金构成，通过滚轧成形使齿部的表层部致密化到相对密度大于或等于95%，表面硬度达到大于或等于700HV；(1)含有Mo：1.0～2.0质量%、C：0.5～0.6质量%的Fe-Mo-C系烧结合金，(2)含有Mo：超过1.0质量%、小于或等于2.0质量%，Ni：超过1.0质量%、小于或等于2.5质量%的Fe-Mo-Ni-C系烧结合金，(3)含有Mo：0.3～1.0质量%、Ni：大于或等于1.5质量%、不到3.0质量%、Cu：1.0～2.5质量%的Fe-Mo-Ni-Cu-C系烧结合金。

Description

无声链用烧结链轮及其制造方法
技术领域
本发明是关于在汽车的凸轮轴正时链用链轮等中使用的烧结链轮及其制造方法。
背景技术
关于这样的链轮已经知道，利用锻造钢材将链轮坯料锻造成形，通过机械加工进行最后加工，再进行渗碳淬火回火的链轮。
作为利用造形容易的粉末冶金技术制造的烧结链轮，提出了由混合粉末进行温成形而达到7.3Mg/m3程度的较高密度的含有Ni、Mo、Cu和C的铁系材料构成的、在温度高于或等于1180℃进行烧结的烧结体，实施渗碳淬火或者高频淬火后进行回火的技术(参照特开2001-295915号公报(第2页)，以下将上述公报称为专利文献1)。另外也提出了，由含同样的元素、低碳量的铁系材料构成，用通常的粉末成形达到7.05Mg/m3密度的烧结体的齿部进行滚轧成形而致密化后，进行渗碳淬火回火的技术(参照特开2002-129295号公报(第2页)，以下将上述公报称为专利文献2)。
无声链用链轮和齿轮的啮合同样地是用齿形相互的啮合进行转动传送的结构，因而与通常的滚子链用链轮相比，啮合面压高。因此，无声链用链轮与滚子链用链轮相比，必须是齿部的密度更高，通过淬火而硬化。
上述的专利文献1或者2记载的烧结链轮，各个是优良的，但是，如专利文献1所述，在用温成形进行粉末成形，使全体密度达到较高的7.3Mg/m3程度，在高于或等于1180℃的高温进行烧结时，因为烧结温度高，所以有制造成本变高的缺点，通过温成形全体密度变高。但是，齿面的密度和其他部分的密度是相同的，因而有进一步提高齿面的耐面压性的余地。
另外，如专利文献2所述，在密度比较低，以和专利文献1记载的类似的合金组成，铁素体组织达到大于或等于40面积％而具有塑性加工性良好的合金组织的烧结体的齿部进行滚轧成形而致密化时，为了使表面达到更高密度，需要滚轧成形余量变大，因此有能够改善制作效率的余地。
发明内容
本发明就是鉴于上述事实而完成的，其目的是提供，用淬透性良好的烧结合金能够确保更高的全体密度，通过滚轧成形齿面形成高密度而具有优良的耐面压性的无声链用烧结链轮及其制造方法为目的。
本发明的无声链用烧结链轮，如权利要求1所记载，其特征在于，烧结合金组成由(1)含有Mo：1.0～2.0质量％的Fe-Mo-C系烧结合金，(2)含有Mo：超过1.0质量％、且小于或等于2.0质量％、Ni：超过1.0质量％、小于或等于2.5质量％的Fe-Mo-Ni-C系烧结合金，(3)含有Mo：0.3～1.0质量％、Ni：大于或等于1.5质量％、且不到3.0质量％、Cu：1.0～2.5质量％的Fe-Mo-Ni-Cu-C系烧结合金的任一种构成，齿部的表面层通过滚轧成形使相对密度致密化至大于或等于95％，表面硬度是大于或等于700HV。
另外，该无声链用烧结链轮的制造方法，如权利要求2所记载，其特征在于，使用按质量比，粉末的组成是(1)Mo：1.0～2.0％、余量为Fe和不可避免的杂质，(2)1.0％＜Mo≤2％、1.0％＜Ni≤2.5％、余量为Fe和不可避免的杂质，或者(3)Mo：0.3～1.0％、1.5％≤Ni＜3.0％、Cu：1.0～2.5％、余量为Fe和不可避免的杂质的任一种合金铁粉，将上述合金铁粉和石墨粉混合粉末进行成形或者烧结的坯料进行滚轧成形使表面致密化后，进行渗碳淬火，使表面硬度达到大于或等于700HV。
在这样的无声链用烧结链轮的制造方法中，如权利要求3所记载，优选成形是温成形；如权利要求4所记载，优选渗碳淬火处理是在烧结合金的奥氏体化温度区域，在2级不同的温度保持后，进行急冷的方式；如权利要求5所记载，优选滚轧成形是使齿部表面的相对密度达到大于或等于95％的方式。
具体实施方式
以下，说明构成本发明的各必要条件和实施方式。
(1)烧结合金的成分
成为本发明的对象的烧结合金是Fe-Mo-C系、Fe-Mo-Ni-C系和Fe-Mo-Ni-Cu-C系的3种，这些合金是合金添加元素数少的构成方式，通过调整各元素的含量，各自塑性加工性良好且强韧，而且是作为淬透性良好的材料选择的。如果将上述各组成的3者进行比较，从前往后依次是强度越来越高，塑性加工性和淬透性分别优良。
再者，为了确保强度韧性和塑性加工性，烧结体的碳量为0.5～0.6质量％是最合适的。另外，通过渗碳淬火，表层部的碳量再变多0.1～0.2质量％左右，但最好通过淬火，使表层部成为马氏体组织。
所含元素的效果如下。
Mo强化铁合金的基体，在提高强度的同时，淬透性也提高。但是，如果含量过高，就发生脆化，利用滚轧成形进行致密化就变得困难。
Ni提高烧结密度和韧性。但是，如果含量过高，由于脆化，就难以利用滚轧成进行致密化。
Cu强化铁合金的基体，而谋求高强度化，同时也提高淬透性。但是，如果含量过高，烧结时的尺寸膨胀增大，因此带来尺寸变化的变动，变得容易产生滚轧成形误差。
(2)烧结合金的组成范围和混合粉
第1合金Fe-Mo-C系是含有元素最少的。Mo含量是1.0～2.0质量％。如果含量不到1.0质量％，就得不到上述效果，在多于2.0质量％时，有上述的缺点，是不可取的。
在制造中使用的粉末，如果以Mo粉末的形态添加，在烧结时的合金化不完全，就难以确保足够的强度，因此希望用Fe-Mo合金铁粉的形态。即使是合金铁粉，如果采用后述的温粉末成形，也不能充分地得到粉末的压缩性。和后述的其他合金系的情况相同，碳以石墨粉的形态添加，为了得到烧结体的结合碳量是0.5～0.6质量％左右，混合0.6～1.0质量％石墨粉。另外，像通常那样混合用于在100～150℃加热混合粉进行压缩成形，即用于温成形的成形润滑剂。
第2合金Fe-Mo-Ni-C系是除上述第1烧结合金组成外，含有用于提高韧性的Ni。在成分组合中，Mo含量是多于1.0质量％、且小于或等于2.0质量％，Ni的含量是多于1.0质量％、小于或等于2.5质量％。
在此情况下，Mo和Ni的含量如果分别设定得多，塑性加工性就稍微恶化，因此进行上述的各自范围中间的含量的组合，或者最好将其中一个的含量设定得少，将另一个的含量设定得多。
在制造中使用的粉末，优选使用在Fe和Mo的合金粉末的周围扩散结合了Ni金属粒子的铁粉。与混合各个金属粉的粉末相比，不易引起成分偏析，与使用在Fe和Ni的合金粉末周围扩散结合了Mo的金属粒子的铁粉相比，在烧结时Ni在Fe-Mo合金粒子的表面进行扩散，因此有由烧结产生的密度提高的优点，以及伴随此的强度和韧性提高的优点。
第3合金Fe-Mo-Ni-Cu-C系是相对于上述第2合金组成，为了提高强度，使Mo含量稍微变少、含有Cu的合金。在该成分组合中，Mo含量是0.3～1.0质量％，Ni含量是大于或等于1.5质量％、且小于3.0质量％，Cu含量是1.0～2.5质量％。各个含量如果少，塑性加工性就良好，但强度或淬透性的提高少，含量如果过高，滚轧成形就变得困难。
在制造中使用的粉末，优选使用在铁粉粒子的周围扩散结合Ni、Mo、Cu的金属粒子的铁粉。与混合各个金属粉的粉末相比，不易引起成分偏析，与合金铁粉相比，有压缩性良好这样的优点。
(3)温成形
在合金铁粉中混合了具备温度稳定性的润滑剂和石墨粉的粉末在高于或等于100℃进行加热，使用加热至高于或等于120℃的压制模具进行压缩成形。如采用该温粉末成形，粉末的压缩性就变得良好。例如，以成形压力490MPa(5000kgf/cm2)得到的成形密度比常温成形时高约0.1Mg/m3程度，因此能够比使用以往的压制成形得到更高的密度。换言之，能够使用低压力使通常密度的成形体进行成形。另外，与用常温粉末制成的烧结体相比，粗大的气孔少，也看到粒子间的冶金的结合为良好这样的优点。
(4)烧结
采用通常的方法进行烧结。烧结温度规定为1120～1150℃左右。该温度是比上述的现有技术的烧结温度低的通常铁系烧结合金的烧结温度。
(5)烧结体的齿轮滚轧成形
链轮烧结体固定在转动自由的轴上，可以使用将二个齿轮压紧在烧结体的齿部并进行转动的通常的滚轧成形机进行烧结体的齿轮滚轧成形。由此，烧结链轮的齿部表面发生塑性变形而致密化。已致密化的表面层，如果是更高密度，耐面压疲劳变得更优良，但已致密化的表层部的相对密度如果是大于或等于95％，热处理品的耐磨性也变得充分。
在滚轧成形余量变多时，在被滚轧成形的链轮坯料的端部往往产生飞边的突出，考虑该飞边的突出，希望预先使压粉成形体的齿部边缘形成倒棱的形状。另外，例如像特开平11-347674号公报中所记载，也优选采用使附设在滚轧成形装置上的切削车刀接触被滚轧成形的烧结链轮，使在齿部端面突出的飞边在锻造成形中被切削除去的方法。
(6)热处理
经滚轧成形的链轮坯料，根据需要将端面等进行切削加工，实施淬火和回火。进行烧结和滚轧成形后原封不动，得不到足够的耐磨性，因此为了确保耐面压、耐点蚀性，至少齿部表面形成是马氏体组织的硬质是必要的。在此所谓硬质是表面硬度相当于大于或等于700HV。
可以利用通常的渗碳淬火进行淬火，但优选是在烧结合金的奥氏体化温度区域(A3相变点以上的区域)，以2级不同的温度保持后，进行急冷的方法。即，在渗碳淬火处理中，在使第1级的加热达到较高温度而致密化的表面部进行渗碳后，第2级加热是通常的淬火温度。如果保持在比前者低的温度后进行淬火，效率良好、均匀地进行渗碳，淬火硬度高，不发生铁的残留奥氏体，得到热处理变形少的尺寸精度良好的烧结合金。在此情况下，第1级加热的前半段，作为渗碳性气体气氛进行渗碳，后半段形成不脱碳程度的保护气体，主要能够谋求扩散。加热时间规定为晶粒不发生粗化的范围。第1级加热是900～950℃(A3相变点+约100℃)左右，第2级的加热是830～870℃(A3相变点+约50℃)左右。
回火和在钢铁材料上实施的回火相同，将温度规定为180℃左右，可以在空气中进行。
以下，参照实施例更具体的说明本发明。实施例和对比例的烧结链轮是齿数44、齿顶径89mm、内径20mm，平均厚度8.5mm，在齿部附近和内径附近形成有台阶的形状。另外，烧结合金的物理性能值是利用和烧结链轮相同的方法制成的试样进行测定的值。
以下，合金组成是质量％，但为了简化，以％表示。
实施例1的试样
实施例的链轮，在其制作时，首先在含1.5％的Fe-Mo合金铁粉中含有0.8％的石墨粉和润滑剂的混合粉在温度130℃进行加热，使用加热至150℃的压制模具进行压缩成形后，在温度1140℃进行烧结。接着，已烧结的链轮坯料的齿部进行滚轧成形。然后，对已滚轧成形的链轮坯料实施热处理。渗碳淬火，最初在930℃进行加热并保持，接着使温度下降在850℃保持后，在油中急冷。淬火品在180℃进行60分钟回火。
实施例2的试样
实施例2的链轮也以和实施例1的链轮相同的顺序进行制作。实施例2的链轮和实施例的链轮的不同之处是，以在Fe和Mo的合金粉末的周围扩散结合了Ni的金属粒子的合金铁粉中，含有0.8％的石墨粉和润滑剂的粉末作为使用的混合粉末。上述的合金铁粉的组成，Ni为2％，Mo为1.5％。
实施例3的试样
实施例3的链轮也以和实施例1的链轮相同的顺序进行制作。混合粉末是在铁粉粒子的周围扩散结合了Ni、Mo、Cu的金属粒子的铁粉中含有0.8％的石墨粉和润滑剂的粉末。上述的合金铁粉的组成，Ni为2％，Mo为0.5％，Cu为2％。
实施例4的试样
实施例4的链轮以和实施例2的链轮相同的顺序进行制作。实施例4的链轮以和实施例2的链轮的不同之处是以1190℃作为烧结温度。
对比例1～3分别是相当于特开2001-295915号公报(上述专利文献1)中记载的实施例1、实施例4、实施例3的试样。再者，硬度换算成HRA。
对比例1的试样
是相当于上述的公开公报中的实施例1的试样，使用在铁粉粒子周围扩散结合了Ni、Mo、Cu的金属粒子的铁粉中，含有1％的石墨粉和润滑剂的混合粉。上述合金铁粉的组成，Ni为4％，Mo为0.5％，Cu规定为2％。和各实施例相同地进行温粉末成形，在温度1195℃进行烧结，得到烧结体。
对比例2的试样
是相当于上述的公开公报中的实施例4的试样。是在1200℃将使用和对比例1相同的方法得到的压坯烧结而制成的烧结体的齿部实施高频淬火回火的试样。
对比例3的试样
是相当于上述的公开公报中的实施例3的试样。是使用在Fe-Mo合金粉末的周围扩散结合Ni粉末粒子，在1.5％Mo、2％Ni的铁合金粉末中含有1％的石墨粉和润滑剂的混合粉，在温度1260℃烧结已进行温成形的成形体后，实施通常的渗碳淬火、回火的试样。
实施例试样的断面显微镜组织
各实施例的链轮的齿部的断面显微镜组织是各烧结体的结合碳量是0.6％左右的珠光体组织，已滚轧成形的表层部的气孔量是1～3面积％左右。另外，已淬火的链轮的齿部附近是马氏体组织。
评价方法
将各烧结链轮搭载在市售的汽车用汽油发动机上，使用形状测定机，在下述的(1)～(5)的条件下测定实际运转时的链轮齿部的磨损量。
(1)试验时的无声链张力(单面张力)：1500N
(2)发动机转数：6000rpm
(3)试验时间：100小时
(4)试验用油：5W-30SG
(5)试验温度：110℃
评价结果
在表1中表示烧结合金中的Cu、Ni、Mo的含量、烧结温度、有无滚轧成形、淬火方法、以和链轮相同的方法制成的试样的物理性能和链轮的磨损量。链轮的磨损量以对比例1的磨损量作为100的指数表示。
表1
区分     链轮的制造条件 相同制造条件的试样的物理性能   磨损量指数
成分(质量％) 烧结温度℃ 淬火   滚轧成形   密度Mg/m3   硬度HRA   抗拉强度MPa
   Cu     Ni     Mo
    比较例     123     220     442     0.50.51.5     119512001260   无高频渗碳    无无无     7.37.37.3     656970     80012501300     1006857
实施例     1234     0020     0222     1.51.50.51.5     1140114011401190   渗碳渗碳渗碳渗碳    有有有有     7.07.07.07.0     69697070     9209609801090     76586054
如从表1所清楚，各实施例与对比例相比，密度低，烧结体的抗拉强度稍微降低。但是，各实施例，齿部由于滚轧成形而致密化，而且进行渗碳淬火，因而关于磨损量，在烧结温度是和各对比例同等高温的实施例4显示最小的优良结果。另外，关于烧结温度是1140℃(实施例1～3)的磨损量，实施例1比对比例2、3的热处理品多，但比对比例1少，关于实施例2和实施例3大致显示优良的结果。
如从这些结果所清楚，如果利用温成形的优点而提高密度，当然能够更减少磨损量。

Claims (6)

1.用于内燃机的曲轴、凸轮轴、平衡器轴或者水泵轴中任一种轴的无声链用烧结链轮，其特征在于：由含有Mo：1.0～2.0质量％、C：0.5-0.6质量％的Fe-Mo-C系烧结合金构成，齿部的表层部通过滚轧成形使相对密度致密化到大于或等于95％、表面硬度大于或等于700HV。
2.无声链用烧结链轮的制造方法，其特征在于：使用粉末组成按质量比为Mo：1.0～2.0％、余量为Fe和不可避免的杂质的合金铁粉，将上述合金铁粉和0.6-1.0质量％石墨粉的混合粉末进行成形以及1120-1150℃的烧结，对所得坯料实施滚轧成形，使齿部表面的相对密度等于或大于95％后，进行渗碳淬火和回火，使表面硬度大于或等于700HV。
3.根据权利要求2所述的无声链用烧结链轮的制造方法，其特征在于：混合粉末的压粉成形是温成形。
4.根据权利要求2所述的无声链用烧结链轮的制造方法，其特征在于：渗碳淬火处理是在烧结合金的奥氏体化温度区域，在两阶段不同的温度下保持后，进行急冷的方式。
5.根据权利要求2所述的无声链用烧结链轮的制造方法，其特征在于：预先考虑由滚轧成形产生的突出飞边，将滚轧成形的链轮坯料的齿部进行倒棱。
6.根据权利要求2所述的无声链用烧结链轮的制造方法，其特征在于：在正进行滚轧成形的过程中，使用附设在滚轧成形机上的去除工具，去除由滚轧成形导致的在工件的齿部端面突出的飞边。
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