CN101827673A - 可变表面渗碳深度的粉末金属齿轮及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种齿轮和一种制造锻造粉末金属齿轮的方法，该齿轮具有多个齿和在多个齿中锻造出来的可变表面渗碳深度分布型。多个齿中的每个齿具有第一表面和齿根。可变表面渗碳深度分布型形成在多个齿中的每个齿中，由此该可变表面渗碳深度分布型在第一表面上呈现出更好的齿耐磨性并在齿根中呈现出更好的抗冲击性。
Description
技术领域
本发明涉及一种锻造的粉末金属部件，更具体地说，涉及一种可变表面渗碳深度的粉末金属部件及其制造方法。
背景技术
人们一直需要可减少生产部件中的成本、时间和步骤的制造工艺。通常，首先是客户开发和改进产品以使其具有优良的尺寸、机械和/或性能特性的要求会使得与改进制造工艺最终相关的益处成为必需。例如，典型的差速机侧齿轮可能具有下列性能要求中的任何或所有性能要求，诸如：要求尺寸精度、高剪切强度和布氏阻力的键槽区域；要求尺寸精度、表面光洁度和表面渗碳层兼容性的毂面和推力面；要求尺寸精度、表面光洁度和最佳型面的齿轮几何形状；以及可能要求抗冲击性、耐磨性、抗剥落性和不同的表面和芯部冶金性能的齿强度和芯部强度。有利的是或换而言之，不同的非兼容性制造工艺，即铸造、钢的锻造或粉末金属的锻造，对于相同的部件可获得不同的性能要求。
参见图1，为了满足这些性能要求中的一些性能要求，齿轮10通过对粉末金属14进行锻造来形成，然后对该齿轮进行表面渗碳以实现接近恒定的有效表面渗碳深度16。图1的局部剖视图中示出了对于每个齿轮齿12的恒定的有效表面渗碳深度16。为了实现具有特定硬度、表面渗碳深度和含碳梯度的全致密部件的接近恒定渗碳而要控制的参数是通常已知的。然而，接近恒定的表面渗碳深度并不一定会实现所想要的诸如改进齿耐磨性和疲劳强度之类的机械特性。有利的是，要在最终产品中实现这些性能要求的更好控制的平衡，不受制造工艺影响，从而节省时间、加工或成本。
一种用来在现今称作“烧结渗碳”的工艺中改进粉末金属部件的性能要求的制造工艺披露于名称为“Method of Making Powdered Metal Parts”的美国专利3,992,763中。该工艺指出了，在烧结之时或之后并在锻造之前进行渗碳，以改进最终锻造产品的临界壁处的表面渗碳深度，从而无需用来实现表面渗碳硬度的后续热处理工艺。名称为“Method of Making a Through-HardenedScale-Free Forged Powdered Metal Article Without Heat Treatment After Forging”的美国专利4,002,471披露了一种制造高Rc硬度的锻造粉末铁基金属物品的方式，其无需在淬火之后进行进一步机加工、表面处理或热处理。
然而，上述专利没有指出或暗示以下任何工艺：可在最终锻造产品中获得可变的表面渗碳深度，从而改进性能特征，诸如提高齿轮的齿腹上的承载力同时提供齿根上的抗冲击性和抗弯曲疲劳强度。
因此，需要一种可变表面渗碳深度的粉末金属齿轮，其在齿腹面上呈现出改进的齿耐磨性，并在齿根上呈现出改进的抗冲击性和弯曲疲劳强度。还需要一种制造可变表面渗碳深度的粉末金属齿轮的方法。
发明内容
根据上述需要，披露了一种齿轮和一种制造锻造粉末金属齿轮的方法，该齿轮具有多个齿和在多个齿中锻造出来的可变表面渗碳深度分布型。多个齿中的每个齿具有第一表面和齿根。可变表面渗碳深度分布型形成在多个齿中的每个齿中，由此该可变表面渗碳深度分布型在第一表面上呈现出改进的齿耐磨性或承载力，并在齿根或齿芯中呈现出改进的抗冲击性和弯曲疲劳强度。
附图说明
为了更完整地理解本发明，现在将参照在附图中详细示出并在下文描述的各发明方面。
图1示出了表面渗碳齿轮的局部剖视图。
图2示出了根据本发明一实施例的、创造性地具有可变表面渗碳深度分布型的第一差速机侧齿轮的局部剖视图。
图3示出了图2所示的本发明齿轮的有效表面渗碳深度下方的微观结构。
图4示出了图2所示的本发明齿轮的有效表面渗碳深度内的微观结构。
图5示出了在锻造后获得本发明产品所需的、代表本发明各方面的、烧结之后的预制坯的立体图。
图6示出了图5的代表性预制坯在渗碳工艺之后的局部剖视图。
图7示出了根据本发明一实施例的、由图6的预制坯制成的图2的第一差速机侧齿轮的立体图。
图8示出了根据本发明的、用来获得可变表面渗碳深度的粉末金属齿轮的工艺实施例的示意图。
具体实施方式
在所有的图中，相同的附图标记用来标示各图中相同的部件。因此，可适当地同时参照各图。在一些情况下，为了清楚起见，不同图中的等同部件可能具有不同的附图标记。
图2示出了根据本发明一实施例的、具有可变表面渗碳深度分布型58的第一差速机侧齿轮50的局部剖视图。图7示出了根据本发明一实施例的、由图6的预制坯85制成的、图2的第一差速机侧齿轮50的立体图。
第一差速机侧齿轮50包括多个齿52和可变表面渗碳深度分布型58。多个齿52中的每个齿具有第一表面54和齿芯部或根部56。第一差速机侧齿轮50具有转动轴线60，其中，齿52沿着与齿轮转动轴线相同的总体方向径向地延伸，但相对于该转动轴线倾斜。第一差速机侧齿轮50还包括与转动轴线60轴向对准的轴向带键槽的内部62。
可变表面渗碳深度分布型58形成在多个齿52中。可变表面渗碳深度分布型58有利地提供一种齿轮，该齿轮在第一表面54上具有较好的齿耐磨性并在齿根部56中具有较好的抗冲击性。可变表面渗碳深度分布型58是指通过在锻造齿轮之前进行碳扩散而在锻造之后实现的有效表面渗碳深度分布型。这里讨论了可由锻造工艺最终实现的可变表面渗碳深度分布型58。
尽管对于差速机侧齿轮50描述了该工艺，但是应能预料到，可变表面渗碳深度分布型58可在其它部件或齿轮上实现而不受限制，这些其它齿轮包括锥齿轮、差速齿轮或小齿轮。
差速机侧齿轮50可以由低合金、全压实、铁类粉末金属材料形成。然而，应能预料到，齿轮可以由各种不同类型的锻造粉末金属钢来制成。
转到图2，差速机侧齿轮50的每个齿的第一表面54包括齿顶面64、齿距线面66、齿根圆角面68、以及齿根圆直径面或齿根台面70。可变表面渗碳深度分布型58基本由如下有效表面渗碳深度来表示：齿顶面64处为2.4mm齿距线面66处为1.9mm；齿根圆角面68处为0.4mm；以及齿根台面处70为0.8mm。这是由对于预制坯的碳扩散和后续锻造来实现的。尽管在该实施例中指出具体数量，但是应能认识到，可变表面渗碳深度可以在特定的表面横截面上具有任何非恒定的有效表面渗碳深度分布型，而不局限于这里所示的特定分布型。
可变表面渗碳深度分布型58还可由表面渗碳深度比来表示。通过对测出的表面渗碳深度进行比较来给出有效表面渗碳深度比，即齿顶面64处与齿根圆角面68处的有效表面渗碳深度比，齿距线面处66与齿根圆角面处68的有效表面渗碳深度比，或者齿根台面70与齿根圆角面68的有效表面渗碳深度比。例如，齿顶面64与齿根圆角面68的可变表面渗碳深度比是6∶1，齿距线面66与齿根圆角面68的可变表面渗碳深度比是19∶4，而齿根台面70与齿根圆角面68的可变表面渗碳深度比是2∶1。接近1∶1的表面渗碳深度比被认为是在图1所示的齿轮10的恒定表面渗碳深度16的有效范围内。
有利的是，表面渗碳深度比在整个可变表面渗碳深度分布型58上从有效表面渗碳硬度的最大深度处到最小深度可以是6∶1，由此实现更好的诸如齿耐磨性和抗冲击性之类的机械性能。
齿轮50的齿根56可包括中齿部74、根部76和芯部78，中齿部74的硬度约为43HRC，根部76的硬度约为31HRC，芯部78的硬度约为32HRC。尽管这些硬度数值仅仅代表具有改进机械性能的齿轮，但是在中齿部74与根部或芯部76、78之间获得的芯部硬度比接近4∶3。较高的芯部硬度比代表具有较好的齿抗冲击性、即延展性的齿轮。如同图1所示齿轮那样的齿轮具有接近1∶1的芯部硬度比，因此延展性较差。
图3示出了图2所示本发明齿轮的有效表面渗碳深度下方的微观结构，而图4示出了图2所示本发明齿轮的有效表面渗碳深度内的微观结构。深度边界是材料的有效含碳量变得接近恒定的位置且可由可变表面渗碳深度分布型58来有效地表示。
转到制造本发明的带有可变表面渗碳深度的粉末金属齿轮的方法，图8示出了一种工艺。该工艺开始于混合步骤20，接着进行一些可能的步骤：充填22、压实24、烧结26、渗碳28、预热30、可变锻造32、以及冷却34。锻造后操作36还可用来进一步增强齿轮。为了简要起见，且因为这些工艺步骤中的一些工艺步骤对于锻造粉末金属领域的技术人员是众所周知的，所以下文只讨论本发明工艺的一些方面。在这点上，材料选择、温度处理和压实压力仅被简要讨论。
混合步骤20通过将材料混合到实现接近均匀的混合物来准备好各种金属粉末，包括任何所需的粘合剂或润滑剂，从而准备好在充填步骤22过程中充填入压实模型。压实步骤24包括将金属粉末压实成预制坯，该预制坯具有在整个预制坯中接近均匀的初始含碳量。通过将金属粉末与石墨组分还有必要的粘结剂或润滑剂进行混合以形成预制坯，可实现该初始含碳量。该预制坯包括至少一个横截面，其中，如同这里所讨论的那样，最终锻造部件最后可获得可变表面渗碳深度分布型。
烧结步骤26和渗碳步骤28可同时完成，或者渗碳步骤可在对预制坯进行烧结之后完成。烧结预制坯可将金属粉末结合起来。对预制坯的渗碳基本上可增大初始含碳量，从而发展出从预制坯表面到芯部的含碳梯度。通过提供受控的碳氛围并将预制坯保持在该受控氛围中持续一预定时间段，就可形成含碳梯度。必须在预制坯中获得基本上恒定的表面渗碳深度，从而改进锻造过程中的金属临界流动，以在锻造后的部件中实现所想要的可变表面渗碳深度。当然，密度梯度、部件几何形状和渗碳条件决定了渗碳工艺的均匀性。预制坯中的必要表面渗碳深度由预制坯几何形状和锻造过程中临界金属流动的理想区域来决定。为了实现由所具有的比例来测得的上述齿轮50中的可变表面渗碳深度分布型，对预制坯渗碳成表面渗碳深度为齿高的1/4，但也可通过对预制坯渗碳成表面渗碳深度为齿高的1/20或齿高的7/8来满足。应能预料到，预制坯中的太小表面渗碳深度可以导致未渗碳区域。还能预料到，预制坯中的太大表面渗碳深度可以导致接近恒定的表面渗碳深度分布型。图6示出了图5的代表性预制坯84在渗碳工艺之后的渗碳预制坯85的局部剖视图。预制坯85具有在对预制坯进行烧结和渗碳之后实现的、基本上恒定的表面渗碳深度86。
可变锻造步骤32包括在一锻造温度和一锻造压力下锻造已渗碳的预制坯从而获得基本致密的、净形状的部件。由于锻造模具的对称性质和已渗碳预制坯的对称性质，用于齿轮的可变表面渗碳深度分布型导致每个齿有接近对称的分布型。然而应能认识到，还可使用不同的渗碳方案和锻造步骤以获得多个可变表面渗碳深度分布型。
通过在锻造工艺过程中采用锻造模具组来可变地改进已渗碳金属部分的临界流动，就可实现可变表面渗碳深度分布型。实际上，将已渗碳粉末金属预制坯的恒定表面渗碳深度策略性地压入模具部分中，其中，在锻造过程中，预制坯的一些部分被拉伸和减薄，而预制坯的其它部分用已渗碳的粉末金属来被加厚和加深。再次，在锻造之前已渗碳粉末金属预制坯中太浅或太深的表面渗碳深度不会在最终产品中产生可变的表面渗碳深度分布型。
冷却步骤34允许锻造部件获得特定的冶金性能，从而导致齿轮具有所想要的可变表面渗碳深度分布型。锻造部件可通过油淬、水淬、空淬或其它适于粉末金属锻造工艺的方法来进行冷却。
在冷却之前包括使锻造部件停留一段停留时间的停留步骤，可通过使部件材料的温度稳定化来改进性能。
在锻造之前将预制坯预热到一预锻造温度的可选预热步骤可以改进锻造工艺过程中的所想要金属流动。
可供选择的锻造后操作36可以包括根据最终规格要求对产品进行车削、刮削、表面研磨、刻键槽和拉削，由此准备好洗涤、包装或装运。
由于对粉末金属、压实模具、加工时间、加工温度、加工压力、锻造模具和冷却方法的合适选择和组合，可以获得一种具有可变表面渗碳深度分布型的、接近净形状的、全致密产品，由此可使需要的机加工操作(假如有的话)最小化，从而有利于节省成本并改进性能。
尽管已经提出了各种工艺步骤，但是只想将它们限制在如本发明的权利要求书所述的范围或次序中。此外，尽管联系若干实施例对本发明进行了描述，但应能理解，本发明并不限于这些实施例。因此，本发明覆盖可包含在所附权利要求书的精神和范围内的所有替代、修改和等同结构。
Claims (22)
1.一种齿轮，包括：
多个齿，每个齿具有第一表面和齿根；以及
形成在所述多个齿中的可变表面渗碳深度分布型，由此所述可变表面渗碳深度分布型在所述第一表面上呈现出改进的齿承载力并在所述齿根中呈现出改进的弯曲疲劳强度。
2.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述齿轮是锥齿轮，所述锥齿轮具有转动轴线，所述齿沿着与所述锥齿轮的所述转动轴线相同的总体方向径向地延伸，但是相对于所述锥齿轮的所述转动轴线倾斜。
3.如权利要求2所述的齿轮，其特征在于，所述锥齿轮是差速机侧齿轮，所述差速机侧齿轮具有轴向带键槽的内部。
4.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述齿轮是低合金铁类金属齿轮。
5.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，每个齿的所述第一表面包括齿顶面、齿距线面、齿根圆角面、以及齿根台面。
6.如权利要求5所述的齿轮，其特征在于，所述可变表面渗碳深度分布型基本由如下有效表面渗碳深度来表示：所述齿顶面处约为2.4mm；所述齿距线面处约为1.9mm；所述齿根圆角面处约为0.4mm；以及所述齿根台面处约为0.8mm。
7.如权利要求5所述的齿轮，其特征在于，所述可变表面渗碳深度分布型由约为2∶1的所述齿根台面与所述齿根圆角面的表面渗碳深度比来表示。
8.如权利要求5所述的齿轮，其特征在于，所述可变表面渗碳深度分布型由约为6∶1的所述齿顶面与所述齿根圆角面的有效表面渗碳深度比来表示。
9.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述齿根包括中齿部、根部和芯部，所述中齿部的硬度约为43HRC，所述根部的硬度约为31HRC，所述芯部的硬度约为32HRC。
10.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述齿根包括中齿部、根部和芯部，所述中齿部与所述根部或芯部之间的芯部硬度比约为4∶3。
11.一种用于由粉末金属制得的齿轮的方法，所述齿轮具有形成在多个齿中的可变表面渗碳深度，所述方法包括下列依次步骤：
将金属粉末压实成预制坯，所述预制坯具有在整个所述预制坯中接近均匀的初始含碳量，所述预制坯具有至少一个想要有可变表面渗碳深度分布型的横截面；
在所想要的温度下依次地或同时地进行烧结和渗碳，所述渗碳显著增大初始含碳量以提供受控的碳氛围，以及将所述预制坯保持在所述受控的氛围中持续一预定时间段以获得基本上恒定的表面渗碳深度；
在一锻造温度和一锻造压力下锻造所述预制坯，从而获得具有关于所述多个齿对称的所述可变表面渗碳深度分布型的、基本上致密的、净形状的锻造部件，其中通过采用锻造模具组来在锻造过程中形成所述锻造部件的所述多个齿的同时可变地改进金属的临界流动，从而实现所述可变表面渗碳深度分布型；以及
对所述锻造部件进行冷却。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：在锻造之前将所述预制坯预热到锻造前温度，以及通过淬火来冷却所述锻造部件。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：在锻造之后和淬火之前使所述锻造部件停留一停留时间段以允许温度稳定化。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在冷却之后对所述齿轮刻键槽。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：在冷却之后进行除锈、表面处理、车削或喷丸处理。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述金属粉末是低合金铁类金属粉末。
17.一种根据权利要求11所述的方法制成的锥齿轮，所述锥齿轮具有转动轴线，所述多个齿包括多个径向齿，所述径向齿沿着与所述锥齿轮的所述转动轴线相同的总体方向延伸，但是相对于所述锥齿轮的所述转动轴线倾斜。
18.如权利要求17所述的锥齿轮，其特征在于，所述锥齿轮是带键槽的差速机侧齿轮。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述齿轮在锻造和冷却之后接近净形状。
20.一种根据用于获得粉末金属部件的工艺制成的齿轮，所述粉末金属部件具有关于多个齿基本上对称的可变表面渗碳深度分布型，所述工艺包括下列依次步骤：
将金属粉末压实成预制坯，所述预制坯具有在整个所述预制坯中接近均匀的初始含碳量，所述预制坯具有至少一个想要有可变表面渗碳深度分布型的横截面；
在所想要的温度下依次地或同时地进行烧结和渗碳，所述渗碳显著增大初始含碳量以提供受控的碳氛围，以及将所述预制坯保持在所述受控的氛围中持续一预定时间段以获得基本上恒定的表面渗碳深度；
在一所想要的锻造温度下将所述预制坯锻造到所想要的密度，从而获得具有关于所述多个齿对称的所述可变表面渗碳深度分布型的所述锻造部件，其中通过采用经设计的锻造模具组以在锻造过程中形成所述锻造部件的所述多个齿的同时可变地改进金属的临界流动，从而实现所述可变表面渗碳深度分布型；以及
对所述锻造部件进行冷却。
21.如权利要求20所述的齿轮，其特征在于，所述可变表面渗碳深度分布型由满足以下至少一项的表面渗碳深度比来表示：齿根台面与齿根圆角面的表面渗碳深度比约为2∶1，齿顶面与所述齿根圆角面的表面渗碳深度比约为6∶1，或齿距线面与所述齿根圆角面的表面渗碳深度比约为19∶4。
22.一种粉末锻造齿轮，包括：
多个齿，每个齿具有第一表面，所述第一表面包括齿顶面和齿根面；以及
形成在所述多个齿的所述第一表面中的可变表面渗碳深度分布型，由此每个第一表面的所述可变表面渗碳深度分布型在所述齿顶面的深度比在所述齿根面的深度深，在锻造之前对所述齿轮的粉末金属预制坯的、要在锻造之后变成所述齿轮的所述第一表面的表面渗碳到基本上恒定的深度，并且对已渗碳的预制坯进行锻造以使所述齿顶面与所述齿根面之间的渗碳表面的表面渗碳深度减小，来形成所述表面渗碳深度分布型，从而在所述齿顶面与所述齿根面之间施加不同的耐磨性、疲劳强度和抗冲击性。
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