CN101514744A - 粉末冶金齿轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有轮齿(2)的粉末冶金齿轮(1)，轮齿之间分别有齿底(5)形成。齿底(5)具有一个经过热机精加工的表面，该表面具有依据DIN EN ISO 4287测量的算术平均值Ra的表面粗糙度，该值取自下限值0.2μm与上限值2.0μm之间。

Description

粉末冶金齿轮
技术领域
本发明涉及一种粉末冶金齿轮以及提高其机械强度的制造方法。该粉末冶金齿轮的轮齿之间分别有齿底形成。
背景技术
采用传统的冶金方式制造的构件越来越多地被采用粉末冶金技术制造的构件所代替，特别是因为可以简单地制造几何形状复杂的后者。然而受制造条件所限，未进行附加处理的烧结构件，由于有残余气孔率，所以机械强度较低。一方面，残余气孔率是希望的，例如针对用于润滑系统中的烧结构件。在此情况下，气孔可以充当润滑剂的储存容器。为了提高机械强度，在现有技术中也存在各种方法，用以减小残余气孔率。例如通过径向压制或滚压使齿轮表面压实。直到现在通过对齿侧进行表面淬火或表面压实处理，以提高机械强度的方法仍占据着重要地位，更确切地说，即有意降低齿根部位的硬度以改善机械性能。
DE 10 03 779 A1介绍了一种高强度、承受表面加压和弯曲应力的表面硬化齿轮。与承受弯曲疲劳应力相比，该齿轮具有最佳的强度特性。为此，与齿侧相比，承受弯曲应力的区域，也就是说齿根部分，其表面硬度相对较低，或者表面硬化层深度较小。其中齿根部分的表面硬度大约在48～58HRc之间。为了制造此类齿轮，首先采用一种熟知方法将其进行表面硬化，硬化之后再去除齿根处的一部分硬化层，即在尽可能地维持自齿根至有效齿廓的硬度值均匀过渡的条件下，采用诸如磨削的方法进行去除。
DE 25 56 170 A1公开了一种提高至少关于齿侧进行了硬化及/或高调质处理的齿轮的齿根强度的方法。其中，在各相邻齿底上齿侧的过渡区域进行倒圆。同时，通过与轮齿纵向伸长方向垂直取向的表面处理形成倒圆过渡区的精细外形，例如通过研磨及/或抛光方法。由此应该做到，加工纹路沿着与轮齿纵向垂直的方向分布，使得其在轮齿受力方向的平面内，而不再与轮齿垂直。因此，降低了齿根部分的划道敏感性，同时也提高了齿轮的承载能力。
DE 11 790 81 A1公开了一种方法，即为了避免在齿轮的齿根处产生研磨裂纹，对齿底及其相连的内角倒圆和齿侧进行研磨，必要时进行抛光。
最后，DE 29 34 413 A1公开了一种研靡加工齿底同时部分滚动磨削齿侧的方法。
对于粉末冶金齿轮，迄今末对齿根实施此类的精加工，一方面为了不使表面硬度降低，如以上DE 10 03 779 A1所述，而且也能在齿根部位形成充当“润滑剂袋”的气孔。
发明内容
本发明的任务在于，提高粉末冶金齿轮的机械强度。
针对依据本发明的粉末冶金齿轮，该任务通过具有经热机精加工的表面的齿底得以实现，其中该表面具有依据DIN EN ISO 4287测量的算术平均值Ra的表面粗糙度，该值取自下限值0.2μm与上限值2.0μm之间，以及通过一种制造粉末冶金齿轮的方法得以实现，根据该方法，对齿轮的齿底进行热机精加工，直至齿底具有上述表面粗糙度。出人意料的是，对齿底的热机精加工不仅能够通过避免了研磨裂纹而使断齿强度得到提高，而且尤其当加工面冷却不足时，通过对齿底表面的热机精加工诱导应力，使该区域的内应力梯度提高，因此粉末冶金齿轮的机械强度也得到提高。与未经精加工的粉末冶金齿轮相比，机械强度可提高达20％。在诱导的内部压缩应力基础上，强度可以几乎接近于整体材料，尤其可以使全钢齿轮与用烧结材料制成的齿轮之间其时相差20％的机械强度缩小至10％。依据本发明的粉末冶金齿轮也可以达到与全钢齿轮相媲美的强度，由此扩大此类粉末冶金齿轮的使用广度。当冷却不足时，通过热机精加工可得到一个塑性机械表面强化层，由此也可降低该表层的气孔率。亦即因此也可获得一个附加的表面压实作用或实施一般的表面压实过程，倘若在热机精加工之前没有进行这类处理的话。除此之外，通过精加工可使轮齿几何形状的精确度提高，从而减小相互啮合的齿轮间隙，使此类传动的声学性能得到改善，也就是说噪声级降低。通过有益的“冷作硬化”工艺，该表面上的温度负荷相对较小，这样就不会发生重结晶现象，更不会产生应力降低现象。另外，采用该方法有可能使此类粉末冶金齿轮的制造方法的实施成本更低，其原因是可以放弃至今为止表面常用的射束。同时，采用精加工可以降低因齿侧的辊轧过程发生的闪烁。同时可以去除表面上可能的脆性硬化层。
表面粗糙度特别也具有依据DIN EN ISO 4287测量的算术平均值Ra，该值取自下限值0.6μm与上限值1.2μm之间。
为提高机械强度并且进一步改善声学值，当粉末冶金齿轮的齿底表面具有依据DBN 31007测量的最大粗糙度轮廓高度R3z，该值取自下限值0.5μm与上限值8μm之间，是有利的。
特别是齿底表面具有依据DBN 31007测量的最大粗糙度轮廓高度R3z，该值取自下限值1μm与上限值5μm之间。
如果齿底表面具有至少几乎与与其相接的齿侧的、或向齿侧过渡的与其相接的倒圆区域的表面相同的硬度，则对于负荷能力和提高粉末冶金齿轮的使用寿命也有好处。
另外，根据粉末冶金齿轮的一种制造实施方案，齿底表面具有最大为12％的残余气孔率。而令人惊异的是，这种小的残余气孔率足以支持由本发明所述粉末冶金齿轮所构成的齿轮传动得到润滑，从而结合由此实现的提高的机械负荷能力，也就是说粉末冶金齿轮的强度，能够进一步延长其使用寿命。
本发明所述制造方法中的一个实施方案是采用一种研磨剂进行热机精加工。研磨剂的粒度选自下限值50和上限值150之间。特别是采用选自该粒度范围的研磨剂可以进一步提高诱导的内应力。
如果采用具有选自下限值70和上限值110之间的粒度，确切为90的粒度的研磨剂实施精加工，也具有优点。
附图说明
为了增强对本发明的理解，将通过以下图示详细说明。
图1为粉末冶金齿轮啮合区域的断面示意图。
具体实施方式
首先需要理解的是，在所述不同的实施方式之中，同样的零件具有相同的附图标记或相同的构件名称，其中，可以把在全部说明中包含的公开按照意义转移到具有相同附图标记或相同的构件名称的零件上。说明中所选择的位置参数，例如：上、下、侧面等等，与直接描绘及描述的图相关，并且当位置发生改变时，也按照意义转移到新的位置上。另外，展示的及描述的各种实施范例的单项特征或组合特征也可以为自身表示独立的、想象的或者本发明的解决方案。
对具体描述中的数值范围的全部数据应这样理解，它包含其中任意一个分范围及全部分范围，例如数据1～10应理解为，包含从下限值1到上限值10的全部分范围，也就是说从下限值1或大于1开始，在上限值10或小于10结束，例如：1～1.7或3.2～8.1或5.5～10的全部分范围。
图1展示了一个取自粉末冶金齿轮1的断面。粉末冶金齿轮1具有轮齿2，轮齿分布排列在粉末冶金齿轮1的外圆上。
以本发明的观点，粉末冶金齿轮应被理解为是一种由烧结材料制成的齿轮。作为使用的材料可以考虑铝、铁、铜、镁、钛及其合金。此类烧结金属合金的例子可在DIN V 30910-4第3页中查取。尤其可采用烧结钢，该烧结钢至少含有铜、镍、锰、铬、硅、钼、钒元素之中的一种元素。另外，此类烧结钢含存低于0.65％重量比的碳元素。例如可采用以下成分的烧结钢：碳0.2％重量比、镁＜0.1％重量比、钼0.85％重量比，其余是含有受制造条件所限的杂质的铁，或碳0.3％重量比、铬1.5％重量比、钼0.25％重量比，其余是含有受制造条件所限的杂质的铁。
烧结构件所用辅助材料，例如硫化锰，可添加到这种粉末中。
成分的全部数据与完成的合金有关。
为了制备这种合金粉末，可将各种金属相互混合，同样也可以使用制备好的合金粉末。
由于专业人员熟知制造烧结构件的原理，所以仅在此指出有关的文献。烧结构件制造主要包括的工艺步骤有：粉末混合，如有必要可混入添加物及辅助材料，例如润滑剂；粉末压缩成生坯；烧结生坯，必要时可进行整形及/或烧结后的构件再压缩。同样，制造过程可以包括这种构件的表面硬化或回火。
正如我们所知，轮齿2各具有一个左齿侧和一个右齿侧3、4及一个与之相连的齿底5。两个齿侧3、4优选被研磨。
依据本发明现在得知，齿底5应进行热机精加工，尤其是通过研磨及/或珩磨。研磨或珩磨应沿粉末冶金齿轮1的轴向实施。由此齿底5的区域达到上述实施的粉末冶金齿轮的算术平均粗糙度Ra。齿底5区域的最大粗糙度轮廓R3z首选从上述范围选取。
两个齿侧3、4也可具有该平均值以及需要时该粗糙度轮廓高度。
如从图1中所见，在粉末冶金齿轮1的径向表面上在齿侧3、4以及齿底5的范围内轮齿表面的过渡区域的边棱可以被磨削，由此同样可以提高粉末冶金齿轮1的强度，尤其可使与另外啮合的粉末冶金齿轮1的啮合更为流畅。
以下试验曾在验证发明的过程中实施。
实施范例1
对于依据本发明的粉末冶金齿轮1的制造，采用以下成分的合金粉末：碳0.2％重量比，镁＜0.1％重量比，钼0.85％重量比，其余是含制造条件所限的杂质的铁。
采用700MPa的压力将该合金粉末压合成一个生坯，然后在1100℃和1350℃之间的一个温度下烧结。之后通过型模对粉末冶金齿轮1进行整形，其中的操作方式是将烧结的生坯压制穿过型模。
对于压穿过程另外可选择的是，可以将坯件在进入型模的方向推出。
这样制成的粉末冶金齿轮1具有约6.9g/cm3的核密度和大于7.4g/cm3的表面密度。
应该指出，如果加工的不是压实的材料，整个粉末冶金齿轮1可以具有至少接近该核密度的密度。
紧接着表面压实，即整形，如有必要进行热机处理或淬硬处理，齿侧3、4和齿底5用粒度为90的研磨剂进行研磨。
借助于在此粉末冶金齿轮1上实施的脉动疲劳试验可以测定齿根强度为870MPa。
与此相比，用除齿底5研磨步骤之外包括全部工艺步骤制造一种粉末冶金齿轮。此方法制造的齿轮在脉动疲劳试验中表示出700Pa～750MPa的齿根强度。
与此相比，一种采用全钢材料，亦即采用冶金金属制造的齿轮，具有920MPa的齿根强度。
实施范例2
采用与实施范例1类似的方式制造粉末冶金齿轮1，其中需注意的是，齿侧3、4和齿底5的表面具有大约相同的硬度。该硬度在650HV0.1和870HV01之间。采用脉动疲劳试验获得的结果与实施范例1所述相同。
无论是依据实施范例1还是实施范例2制造的粉末冶金齿轮1，其齿侧3、4和齿底5的表面均具有最大12％的残余气孔率。尤其是实施范例1，其残余气孔率为5.1％，而实施范例2则为4.5％。
实施范例3
基本是实施范例1的重复，其中采用粒度为90的研磨剂，使齿底5的表面具有4.2μm的依据DBN 31007的最大粗糙度轮廓高度R3z。采用脉动疲劳试验获得的结果与实施范例1所述相同。
其他实施范例
多次重复实施范例1，其中表面粗糙度在0.2μm～3.0μm之间、最大粗糙度轮廓高度在0.3μm～15μm之间变动。此时确定，Ra在0.2μm～2.0μm之间、R3z在0.5μm～8μm之间产生特别好的机械强度。
除了机械强度得到提高之外，依据本发明的制造方法还具有副效应，就是可使由制造误差导致的啮合误差至少大部分得到补偿。
通过热机精加工表面发生温度负荷，该温度在下限值10℃与上限值250℃之间进行选取。特别是，采用加工面即齿底5和/或齿侧3、4不充分冷却或干脆不冷却的方式执行该制造方法。
该实施范例表明了粉末冶金齿轮1的一种可能的实施方案。在此应注意，本发明并不局限于特别表示的实施方案，而也可以适用于其他实施方案，例如可以是斜齿轮、伞齿轮、行星齿轮等等。这些变化的可能性根据通过具体发明的技术处理的教导均在从事该技术领域工作的专业人员的能力范围内。也就是说，通过组合所述实施方案中的单个细节而可能的全部可以想见的实施方案，都被包括在保护范围内。
按照规定最后指出，为了更好地理解粉末冶金齿轮1的构造，这些粉末冶金齿轮1部分未按比例及/或扩大及/或缩小的方式进行描述。

Claims (6)

1.带有轮齿(2)的粉末冶金齿轮(1)，轮齿之间分别有齿底(5)形成，其特征在于，齿底(5)具有一个经过热机精加工的表面，该表面具有依据DINENISO 4287测量的算术平均值Ra的表面粗糙度，该值取自下限值0.2μm与上限值2.0μm之间。
2.按照权利要求1所述的粉末冶金齿轮(1)，其特征在于，齿底(5)的表面具有依据DBN 31007测量的最大粗糙度轮廓高度R3z，该值取自下限值0.5μm与上限值8μm之间。
3.按照权利要求1或权利要求2所述的粉末冶金齿轮(1)，其特征在于，齿底(5)表面具有至少与齿侧表面几乎相同的硬度。
4.按照权利要求1至3中任意一项权利要求所述的粉末冶金齿轮(1)，其特征在于，齿底(5)的表面具有最大为12％的残余气孔率。
5.制造具有增强的机械强度的粉末冶金齿轮(1)的方法，其中粉末冶金齿轮(1)具有轮齿(2)，轮齿之间分别有齿底(5)形成，其特征在于，对齿底(5)进行热机精加工，直至其表面具有依据DIN EN ISO 4287测量的算术平均值Ra的表面粗糙度，该值取自下限值0.2μm与上限值2.0μm之间。
6.按照权利要求5所述的制造方法，其特征在于，热机精加工采用一种研磨剂实施，研磨剂的粒度选自下限值50与上限值150之间。
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