CN100338374C - 无声链用烧结链轮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

无声链用烧结链轮的制造方法，将总组成按质量比由1～2%的铜粉、0.6～1.0%的石墨粉和小于或等于1%的成形润滑剂粉构成，而余量为雾化铁粉的混合粉压缩成形成链轮形状，至少齿部和齿部附近的密度达到大于或等于7.1Mg/m3，在非氧化性气氛中于1100-1150℃烧结成形体，至少对烧结体的齿部实施淬火回火，上述雾化铁粉混合0.75%硬脂酸锌粉，在压力490.3MPa进行压缩成形时，压坯的密度是大于或等于7.05Mg/m3，并且其组成中，不可避免的杂质中的Mn是小于或等于0.10质量%，O小于或等于0.10质量%。

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
在这样的链轮中，有用锻造在链轮坯料上进行锻造成形，通过机械加工进行最后加工，再进行渗碳淬火回火的链轮。另外，作为利用造形容易的粉末冶金技术制作的烧结链轮提出了，由含有Ni、Mo、Cu和C的铁系材料构成的混合粉末进行温成形而形成较高的密度，对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，通过由同样组成的铁系材料构成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，必须是齿部的密度高，通过淬火等硬度也是高的。上述的专利文献1或者2记载的烧结链轮是通过含有Ni、Mo、Cu而提高材料强度和淬透性，通过温成形或滚轧成形而提高密度，通过提高耐磨性和疲劳强度的手段而得到的。因此，在制造成本或工序精简化这点上，希望开发，使用添加元素少的材料、通过简便的致密化手段能够制造的技术。
发明内容
本发明就是鉴于上述事实而完成的，以提供使用添加元素少的材料、通过简便的致密化手段而得到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是在使用压缩性良好的雾化铁粉的同时，作为添加Cu和C的简单组成，通过通常的粉末成形、烧结使主要部分达到高密度，通过对主要部分实施淬火回火，而不采用温成形或滚轧成形，实现要求特性的无声链用烧结链轮。即，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，按质量比，全体组成由Cu：1～2％、C：0.5～0.8％、不可避免的杂质中的Mn：小于或等于0.10％，余量为Fe和不可避免的杂质构成，密度是大于或等于7.1Mg/m3，齿尖部的硬度是大于或等于HRA65，至少齿部和齿部附近的断面显微镜组织呈现马氏体、索氏体、贝氏体的任一种或者其混合组织。
在这样的无声链用烧结链轮中，如权利要求2所记载，优选齿部和齿部附近的密度是大于或等于7.1Mg/m3；其他部分的密度比齿部和齿部附近的密度低，而且是大于或等于6.6Mg/m3。
另外，本发明的无声链用烧结链轮的制造方法，如权利要求3所记载，其特征在于，将雾化铁粉、按全体组成是1～2质量％的铜粉和0.6～1.0质量％的石墨粉以及小于或等于1质量％的成形润滑剂粉的混合粉压缩成形成链轮形状，使至少齿部和齿部附近的密度达到大于或等于7.1Mg/m3，在非氧化气氛中烧结成形体，对烧结体的至少齿部实施淬火、回火。
在这样的无声链用烧结链轮的制造方法中，如权利要求4所记载，优选上述雾化铁粉是：混合0.75％的硬脂酸锌粉，在用压力490.3MPa进行压缩成形时压坯的密度成为大于或等于7.05Mg/m3。另外，如权利要求5所记载，在上述雾化铁粉的组成中，优选在不可避免的杂质中，Mn小于或等于0.10质量％，O(氧)是小于或等于0.10质量％。
具体实施方式
以下，说明本发明的实施方式。
(1)烧结合金的组成
烧结合金一般使用Fe-Cu-C系。如考虑烧结体的强度和烧结尺寸变化的变动，优先选择的是，Cu：1～2质量％、C：0.5～0.8质量％；但最优先选择的是，Cu：1.5质量％、C(结合碳)：0.7质量％。
(2)所使用的铁粉
在烧结链轮的制造中使用的铁粉是雾化铁粉，在市售的各种雾化铁粉中，使用混合0.75％硬脂酸锌粉、在用压力490.3MPa进行压缩成形时的密度显示大于或等于7.05Mg/m3的高压缩性的铁粉。一般的雾化铁粉，在上述压缩成形时的密度是小于或等于7.0Mg/m3，因此是不可取的。
这样的雾化铁粉，在铁粉中含有的不可避免的杂质中，Mn的含量是小于或等于0.10质量％，O(氧)的含量是小于或等于0.10质量％。在一般的雾化铁粉中，Mn的含量是大约0.14～0.20质量％，O(氧)的含量是0.12～0.25质量％。
关于其他的不可避免的杂质，在实施本发明时使用的雾化铁粉和一般的雾化铁粉之间没有看到显著的差异，按质量比，该差异是C：0.001～0.005％，Si：0.01～0.02％，P：小于或等于0.02％，S：小于或等于0.01％，Cu：0.01％，Ni：0.01～0.03％，以及Cr：0.01％左右。
关于铁粉的断面硬度，实施本发明时使用的铁粉的平均值低，其最大值是110HV左右，因此和一般的雾化铁粉的断面硬度之间可以说没有大的差异。另外，从雾化铁粉的断面显微镜组织没有看到关于晶粒大小的差别。但是，在用硝酸乙醇(ナィタ一ル)腐蚀时，与通常的雾化铁粉晶粒面的腐蚀迅速相反，对于在实施本发明时使用的雾化铁粉来说具有不易发生腐蚀这样的性质。
(3)混合粉
被成形的混合粉是在上述雾化铁粉中，规定量添加铜粉、石墨粉和硬脂酸锌粉等通常的成形润滑剂，混合而成的混合粉。
铜粉和石墨粉，使用和迄今在铁系烧结合金中使用的相同种类的铜粉和石墨粉。铜粉的粒度是含有60～90质量％左右的350目筛下量的粒度。
混合粉中含有的成形润滑剂的含量是小于或等于1质量％。在铁粉中含有铜粉1.5质量％、石墨粉0.8质量％的混合粉的理论密度，在不含硬脂酸锌时，是7.72Mg/m3；在含有1质量％硬脂酸锌时，是7.30Mg/m3。因此，要得到更高密度时，只要成形润滑剂的含量设定得少就可以。但是，在成形润滑剂的含量过少时，压坯的拔出压力变高，因此希望达到大于或等于0.4质量％。
(4)粉末成形
使用通常的压制模具进行粉末成形。压坯的密度，齿部和齿部附近规定为大于或等于7.1Mg/m3。从希望齿部的机械强度和面压疲劳强度高出发，最后规定为7.3Mg/m3左右。
与此相对，齿部和齿部附近以外的部分，也可以成形成和齿部相同的密度，但如果具有通常的机械因素要求的强度，就能够达到其机能。因此，该部分的密度如果是大于或等于6.6Mg/m3，就足够。一般，如果密度降低，原料的使用量就少，还能够谋求制品的轻量化，但振动衰减能变高。并且仅必要部位的达到高密度，使压制模具寿命也变长，是经济的，而且也节能化、节省材料化，在环境方面也是有利的。例如，在接近实际的链轮形状的内径20mm、外经80mm、厚度8mm的部件的成形中，如果使从外周向中心的外周部的7.5mm的区域达到密度7.1Mg/m3，其他部分成形成6.8Mg/m3，与使全体达到密度7.1Mg/m3相比，压坯重量就变成少7.2g。
在提高包含齿部的外周部的密度、降低其他部分的密度时，通过操作压制模具的模冲来改变粉末填充量等手段是有效的。
本发明的混合粉比以往的混合粉压缩性良好。如上所述，这是因为雾化铁粉的品质不同。铁粉、1.5质量％的铜粉、0.8质量％的石墨粉和0.5质量％的硬脂酸锌粉的混合粉，用于得到成形密度7.1Mg/m3的成形压力是约500MPa。与此相对，使用以往的雾化铁粉的混合粉，上述成形压力是约600MPa，因此以低100MPa的压力得到同等的密度。再者，使用本发明的混合粉，如果以和以往相同的600MPa进行成形，则得到约成形密度7.2Mg/m3的密度。
(5)烧结
可以用通常的条件进行烧结。烧结气氛采用像氮气、氮气氢气混合气体、丁烷改性气体那样的通常的非氧化性气体气氛。烧结温度可以规定为1100～1150℃左右。烧结体成为1～2质量％Cu的大部分扩散到铁基体中的烧结体，其组织成为结合碳量是0.5～0.8质量％的珠光体组织。烧结体的物理性能值，在密度是7.1Mg/m3时，表面硬度是约82HRB，抗拉强度是约550MPa，延伸率是约3.5％。
(6)追加的前处理
对烧结体再实施修整工序，或者可以实施切削加工。但是，修整工序使制造成本比较高，因此希望尽可能不采用修整工序。为了得到优良的轴孔精度或端面精度，希望实施切削加工。
(7)淬火回火
可以通过加热全体进行淬火的方法或者高频加热外周的齿部及其附近进行淬火的任一种方法进行淬火。在链轮的轴孔上有键槽时，前者的淬火方法，由于尺寸变化有得不到合适的尺寸精度的危险，因此优先选择采用后者的淬火方法。关于前者的淬火方法，可以适用于通常的渗碳淬火。在此情况下，预先将烧结体的碳量设定得稍微少，因此通过淬火工序的渗碳，就能够使材料表面的碳量增加。可以在温度180℃左右进行回火。
另外，为了确保耐磨性，齿部的表面硬度规定为大于或等于65HRA。为此，在密度为7.1Mg/m3左右时，采用从齿部表面至少0.2mm的铁合金基体的断面微小硬度成为大于或等于650HV的热处理条件。热处理品的物理性能值，在密度为7.1Mg/m3时，抗拉强度是约1110MPa，延伸率是约0.8％程度。
(8)追加工序
热处理品，可以不经过追加工序使用。至少在齿部及其附近实施喷丸硬化，该表面的疲劳强度就提高，能够作为疲劳特性更优良的制品。
具体实施方式
以下，根据实施例更具体的说明本发明。
作为原料粉，准备好3种雾化铁粉、电解铜粉、石墨粉和硬脂酸锌粉。铁粉，作为迄今制造齿轮等铁系烧结制品时使用的一般铁粉使用神户制钢所制的雾化铁粉A(商品名：ァトメル300M)，作为在本发明中使用的铁粉使用ヘガネス公司制的雾化铁粉B(商品名：ABC100·30)和神户制钢所制的雾化铁粉C(商品名：ァトメル300NH)，铜粉使用福田金属箔粉制的电解铜粉(商品名：CE15)。
雾化铁粉的主要杂质、表观密度、粒度分布、压缩性如表1所示。
采用筛分析试验求出粒度分布。另外，以压力490.3MPa将在铁粉中混合0.75质量％硬脂酸锌的粉末进行压缩成形，密度以成形进行压缩性评价。
如从表1所清楚，关于铁粉B、铁粉C，化学成分中的Mn、O的含量少。另外，粒度分布比150μm粗的粉末量较多，压缩性高于7.05Mg/m3。
表1
    雾化铁粉     A     B     C
    铁粉的商品名     300M     ABC100·30     300NH
    化学成分(质量％)     CSiMnO     0.0010.020.180.110     0.0010.010.020.035     0.0010.020.090.050
表观密度(Mg/m3)     3.0     3.0     3.0
    粒度分布(％)   +180μm+150μm+106μm+75μm+45μm-45μm     极少216242830     2820222523     5819232718
    压缩性   (Mg/m3)     6.95     7.06     7.08
接着，在3种雾化铁粉中，接质量比分别添加混合1.5％铜粉、0.8％石墨粉、作为润滑剂的0.4％或者0.8％硬脂酸锌粉，制成混合粉。这些混合粉的压缩性(Mg/m3)示于表2中。压缩性是试样的直径规定为11.3mm时的压缩性。混合粉的种类，对应于表1的雾化铁粉的种类表示为A、B、C。如从表2所清楚，铁粉B、铁粉C密度高。另外，相同的铁粉，润滑剂的含量少的，密度高。但是，从压制模具中拔出成形体的压力是成形压力的约2.8％左右，润滑剂的含量少的，脱模时的拔出力变高。
表2
混合粉种类 润滑剂量(％)     成形压力(MPa)
    490     588     686     784
    ABC     0.40.40.4     7.007.077.13     7.107.177.21     7.207.257.28     7.267.307.32
    ABC     0.80.80.8     6.057.027.04     7.037.107.12     7.117.167.17     7.157.207.20
进一步使用混合0.4％的成形润滑剂的粉B制成链轮。链轮的齿数是44，齿顶径是89mm，内径是19mm，平均厚度是8.5mm。齿部附近和内径附近形成有台阶的形状，键槽从内径部以宽6mm向外周形成10mm的深度。成形压制模具使用用阴模、芯棒、以及被内外2分开的一对上下模冲组成的通常的压制模具装置。
链轮成形体的部分密度，使齿部和距直径约80mm的外周侧达到7.15Mg/m3，将距直径约80mm的内侧部设定成6.8Mg/m3。
成形体在氢氮混合气体中、在最高加热温度1120℃进行烧结。烧结体的齿部的密度是7.11Mg/m3，从断面的显微镜组织观察出结合碳量是约0.7％。
使用高频加热装置将烧结体加热规定的时间后进行油淬，在180℃进行回火。齿部的表面硬度是68～70HRA。断面的显微镜组织，齿部以马氏体为主，朝轴心方向屈氏体、珠光体从已微细变形的区域向烧结体状态的珠光体组织变化。
最后，将该热处理品的内径部切削加工成和轴嵌合的规定尺寸，就完成了烧结链轮。再者，在本实验中，齿部是以马氏体为主的组织，但有关回火温度、回火时间的条件不同时，往往成为索氏体、贝氏体的任一种或者含有它们中的任一种的混合组织。
对比用的烧结链轮是特开2001-295915号公报中记载的烧结链轮。具体地说，按全体组成，在4质量％Ni、0.5质量％Mo、1.5质量％Cu分别扩散结合的合金铁粉中添加混合石墨粉和成形润滑剂，在130℃加热的混合粉在150℃加热的压制模具内进行压缩成形(温成形)，制作成形密度7.1Mg/m3的链轮形状压坯，在温度1195℃进行烧结。此后对烧结体的内径进行切削加工而调整尺寸后，实施渗碳淬火回火。
上述实施例的烧结链轮和对比用的烧结链轮搭载在汽油发动机上，调查磨耗磨损状态。发动机的运转条件，无声链张力(拉力)规定为1500N、发动机转数规定为6000rpm、运转时间规定为100小时。其结果，在两者的磨损量上没有看到差异。

Claims (1)

1.无声链用烧结链轮的制造方法，其特征在于，将总组成按质量比由1～2％的铜粉、0.6～1.0％的石墨粉和小于或等于1％的成形润滑剂粉构成，而余量为雾化铁粉的混合粉压缩成形成链轮形状，至少齿部和齿部附近的密度达到大于或等于7.1Mg/m3，在非氧化性气氛中于1100-1150℃烧结成形体，至少对烧结体的齿部实施淬火回火，上述雾化铁粉混合0.75％硬脂酸锌粉，在压力490.3MPa进行压缩成形时，压坯的密度是大于或等于7.05Mg/m3，并且其组成中，不可避免的杂质中的Mn是小于或等于0.10质量％，O小于或等于0.10质量％。
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