CN101827674B - 复合粉末金属可变边界的齿轮及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种锻造的复合齿轮和一种制造锻造复合粉末金属齿轮的方法。锻造的复合齿轮包括多个从芯部延伸的齿、由第一粉末金属材料制成的第一部分、由第二粉末金属材料制成的第二部分、以及可变边界型面。在第一部分和第二部分之间形成该可变边界型面，由此所述可变边界型面在齿上呈现出较大的齿耐磨性并在齿轮芯部呈现出较大的抗冲击性。
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，涉及一种复合粉末金属可变边界部件及其制造方法。
背景技术
越来越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，与改进制造工艺最终相关的益处必然首先与客户要求有关，从而将产品开发和改进成具有优良的尺寸、机械和/或性能特性。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的表面渗碳深度16。然而，假如部件由复合材料制成的话，表面渗碳的齿轮不一定会在齿轮体内提供可能有利的有益性能特性的同时实现诸如改进的齿耐磨强度和疲劳强度之类的所想要机械性质。有利的是，要在最终产品中实现这些性能要求的改进平衡，不受制造工艺影响，从而节省时间、加工或成本。
一种用来改进粉末金属部件的性能要求的制造工艺披露于名称为“Composite Powdered Metal Component”的美国专利5,903,815中。该工艺指出了，部件由两种或更多种细小粉末金属制造，然后对部件进行紧实和烧结。还有，名称为“Duplex Sprocket/Gear Construction and Method of Making Same”的美国专利6,148,685披露了一种用两种或更多种细小粉末金属制造齿轮、然后对齿轮进行紧实和烧结以获得最终部件的方法。这些专利仅仅大体指出了通过烧结来获得复合粉末金属部件。没有已知的工艺提出：应用复合粉末工艺而在齿根提供抗冲击性和抗弯曲疲劳性的同时在齿轮的齿腹上改进诸如承载力之类的性能特性；提供符合可变边界层；或者通过紧实锻造来制造基本全密实的部件。
因此，需要一种复合粉末金属可变边界部件，该部件在齿根处呈现出改进的抗冲击性和抗弯曲疲劳性。还为有利的是，通过紧实锻造来提供一种复合可变边界层或基本全密实部件。还需要一种在复合粉末金属部件中产生可变边界的方法。
发明内容
根据上述要求，披露了一种可变边界复合粉末金属齿轮，所述齿轮在其表面上呈现出较大的齿耐磨性并在其芯部呈现出较大的抗冲击性。锻造的复合齿轮包括多个从芯部延伸的齿、由第一粉末金属材料制成的第一部分、由第二粉末金属材料制成的第二部分、以及可变边界型面。在第一部分和第二部分之间形成该可变边界型面，由此该可变边界型面在齿上提供较大的齿耐磨性并在齿轮芯部提供较大的抗冲击性。
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示出了根据现有技术的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、紧实和烧结之后形成的复合预制坯，该复合预制坯用来在锻造之后获得本发明的产品。
图3示出了图2的复合预制坯的局部剖视图，该复合预制坯具有复合材料。
图4示出了根据本发明一实施例的、由图2的复合预制坯制成的差速机侧齿轮的立体图。
图5示出了图4所示的差速机侧齿轮的局部剖视图。
图6示出了图5所示的差速机侧齿轮的局部剖视图。
图7示出了根据本发明的、用来获得复合粉末金属可变边界部件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，不同图中的相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、紧实和烧结之后形成的复合预制坯84，该复合预制坯84用来在锻造之后获得本发明的产品。
图3示出了图2的复合预制坯84的局部剖视图，该复合预制坯84具有复合材料。预制坯84包括由材料边界59隔开的第一粉末金属材料55和第二粉末金属材料57。材料边界59是指在将粉末金属策略性地充填或放置入紧实模具内进行紧实工艺之后、在至少两种材料之间获得的边界。尽管材料边界59显示成不同材料55、57之间的精确划分，但是实际的材料边界线将根据用来形成复合预制坯的充填工艺而作出大致的材料分隔。用不同的粉末金属充填入紧实模具以获得紧实预制坯的技术对于熟悉本领域的技术人员来说是已知的，但是为了理解本发明，这里仅仅简要引入。
图4示出了根据本发明一实施例的、由图2的复合预制坯84制成的差速机侧齿轮50的立体图。差速机侧齿轮50包括多个齿52，这些齿52具有如图6所示和在此描述的可变边界型面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。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的大体相同方向径向向外延伸，但相对于该转动轴线倾斜。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内部62。差速机侧齿轮50通过对复合预制坯84进行紧实锻造来制成。
图5示出了图4所示的差速机侧齿轮50的局部剖视图。锻造之后的差速机侧齿轮50形成第一部分51和第二部分53，第一部分51由第一粉末金属材料55制成，而第二部分53由第二粉末金属材料57制成。还有，齿轮50包括如图6所示的可变边界型面58。可变边界型面58呈现出如上所述的性能特性，其不一定由渗碳区域形成，而是由通过对复合材料55、57进行锻造产生的材料边界59来形成。齿轮中的可变边界型面58在多个齿52上呈现出改进的齿耐磨性或承载力，而在齿轮芯部56呈现出改进的抗冲击性或抗弯曲性。还有，可以有利地选择第二粉末金属材料57以使齿轮50的键槽62获得较佳的性能特性，同时有利地保持齿52处所想要的性能特性。
可供选择的是，可以对于每个材料部分策略地采用复合材料。还有，可以在预制坯中采用附加的或多个材料部分，从而在最终锻造部件或齿轮的选定部分上获得多个复合可变边界型面，由此获得选定的性能特性。
图6示出了图5所示的差速机侧齿轮50的局部剖视图。差速机侧齿轮50包括复合可变边界型面58。在一特定的剖视图中，可变边界型面58可以与如图5所示的材料边界59相一致，但是材料边界59并不决定如图6所示的可变边界型面58。
齿轮50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。可变边界型面58基本由如下有效边界来表示：齿顶面为2.4mm；齿距线面为1.9mm；齿根圆角面为0.4mm；以及齿根台面为0.8mm。尽管在该实施例中没有指出具体数量，但是应能认识到，可变边界型面可以在特定的表面横截面上具有任何非恒定的有效边界型面，并且不局限于这里所示的特定型面，也不想要用这里给出的例子来进行限制。
可变边界型面58还可由边界比来表示。通过对测出的边界深度进行比较来给出有效边界比，诸如齿顶面64与齿根圆角面68的有效边界比，齿距线面66与齿根圆角面68的有效边界比，或者齿根台面70与齿根圆角面68的有效边界比。例如，齿顶面64与齿根圆角面68的可变边界比是6∶1，齿距线面66与齿根圆角面68的可变边界比是19∶4，而齿根台面70与齿根圆角面68的可变边界比是2∶1。
有利的是，边界比在整个可变边界型面58上最深处与最浅处之间可以是6∶1，由此根据需要实现更好的诸如齿耐磨性和抗冲击性之类的机械性质。
而且，希望为齿52的第一表面54选择第一粉末金属材料55，从而在锻造后的齿轮中实现至少58HRC的表面硬度。可能还希望的是，齿轮芯部56中的第二粉末金属材料57具有不超过43HRC的硬度。在这点上，第二粉末金属材料选自实际上诸如具有小于2％碳的低铁基合金钢之类的非硬化材料，第一粉末金属材料是由具有较高碳含量的不同铁基钢制成的硬化材料。
可变边界型面58有利地在齿根56中提供抗冲击性或在键槽62中提供改进剪切强度的同时在第一表面54上提供具有较高齿耐磨性的齿轮。可变边界型面58是指由预制坯的策略紧实锻造所实现的有效边界型面。这里讨论了由锻造工艺最终实现的可变边界型面58。
尽管对于差速机侧齿轮50描述了该工艺，但是应能预测到，可变边界型面58可在其它部件或齿轮上实现而不受限制，这些齿轮包括锥齿轮、差速齿轮或小齿轮。
差速机侧齿轮50可以由低合金、全密实、铁基粉末金属材料形成为诸材料部分中的一个部分。然而，应能预测到，齿轮可以由各种不同类型的锻造粉末金属钢来制成。
转到制造本发明的可变边界粉末金属齿轮50的方法，图7示出了根据本发明的用来获得复合粉末金属可变边界部件的工艺实施例的示意图。该工艺开始于混合步骤219、220，其中，制备各种材料以用于充填入紧实模型。然后，该工艺继续到充填步骤221、222，其中，将各种材料策略性地放置到紧实模型中。然后，在完成充填步骤之后，该工艺继续到紧实步骤224、烧结步骤226、锻造步骤232、以及冷却步骤234。锻造后操作(未示出)还可用来进一步增强齿轮。为了简要起见，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已知的，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、温度处理和紧实压力仅被简要讨论。
混合步骤219、220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221、222过程中充填入紧实模型。在充填步骤221、222中可以包括可供选择的分隔步骤223，由此有利于将材料定位在紧实模型中。尽管示出了两个混合步骤219和220、以及两个充填步骤221和222，但是应能认识到，对于每种附加的所需材料都一定要有附加的混合或充填。充填步骤221、222可以依次的，从而例如将用于第一表面54的材料55策略性地放置在预制坯中，然后将用于第二表面56的材料57策略性地放置在预制坯中。然而在一些情况下，充填步骤221、222可以是同时的或接近同时的。
紧实步骤224包括在紧实模型中对至少两种不同的粉末金属材料进行紧实，从而获得预制坯。在紧实之前，用第一粉末金属材料充填紧实模型的第一部分，可选择地使用分隔件223，用第二粉末金属材料充填紧实模型的第二部分。在模具型腔内完成充填步骤之后，在模具型腔内紧实复合金属粉末以形成预制坯。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，最终锻造部件获得可变边界型面。然后通过烧结、锻造和冷却步骤来完成该工艺，从而实现一种齿轮，该齿轮具有第一粉末金属材料制成的第一部分和第二粉末金属材料制成的第二部分。应能注意到，充填阶段在预制坯中形成的第一部分和第二部分并不一定与最终产品的第一部分和第二部分实现相同的边界。
烧结步骤226可像熟悉本领域的技术人员已知的那样实现。可供选择的是，假如复合材料中的一种材料如同本领域中已知的那样有益于渗碳或“烧结渗碳”，则该材料可包括渗碳步骤以在锻造工艺之前实现进一步的有益结果。
可变锻造步骤或锻造步骤232包括在一锻造温度和一锻造压力下锻造预制坯从而获得基本密实的、净形状的部件。由于锻造工艺的对称性质和预制坯的对称性质，用于齿轮的可变边界型面导致每个齿有接近对称的型面。然而应能认识到，还可使用可供选择的渗碳步骤或附加的锻造步骤以获得多个可变边界型面。通过在锻造工艺过程中采用锻造模组来可变地改进不同金属部分的临界流动，就可实现可变边界型面。实际上，将复合粉末金属预制坯的确定边界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被加厚和加深，从而由复合预制坯形成不同的粉末金属区域。
在一个方面，通过策略性地在预制坯中形成材料边界层，可进一步改进用来获得复合可变边界型面的锻造步骤，从而在锻造工艺过程中增强复合粉末金属的临界流动。
冷却步骤234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边界型面。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，可以包括可供选择的停留步骤，从而允许锻造后的部件停留一段时间，以便通过在部件中稳定材料温度来改进性质。
可供选择的是，可以包括预热步骤，其中，在锻造之前将预制坯加热至预锻造温度从而改进锻造工艺过程中的所想要金属流动。
此外，可供选择的锻造后操作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、刻键槽和扩孔，由此准备好洗涤、包装或装运。由于多材料的工件，可改进这些步骤的最终等级。例如，由于非硬化的第二材料57，图4的键槽62可以实现较高的键槽等级。这通过改进键槽等级来改进整个机加工系统，而且减少工具磨损。
由于对粉末金属、紧实模型、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边界型面的、接近净形状的、全密实产品，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和改进性能。
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 (5)
1.一种由至少两种不同的粉末金属材料形成齿轮的方法，包括下列依次的步骤：
将至少两种不同的粉末金属材料预成形为预制坯，其包括下列步骤：
用第一粉末金属材料充填紧实模型的第一部分，所述紧实模型的形状对应于所述预制坯的形状；
用第二粉末金属材料充填所述紧实模型的第二部分；以及
在所述紧实模型中紧实所述粉末以形成所述预制坯，所述预制坯具有位于所述第一粉末金属材料与所述第二粉末金属材料之间的初始边界型面；
对所述预制坯进行烧结；
在一锻造温度和一锻造压力下锻造所述预制坯，从而获得基本密实的、净形状的锻造部件，所述锻造部件具有由所述第一粉末金属材料制成的第一部分和由所述第二粉末金属材料制成的第二部分，可变边界型面形成于所述第一部分和第二部分之间，其中所述可变边界型面是通过在锻造过程中使所述预制坯的初始边界型面再成形所形成的；以及
对所述锻造部件进行冷却。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预成形还包括：通过将分隔件插入所述紧实模型中来在充填过程中进行分隔以用于充填所述粉末金属材料中的一种粉末金属材料，以及在紧实之前从所述紧实模型中去除所述分隔件。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一粉末金属材料和第二粉末金属材料是不同的低合金铁基材料。
4.一种锥齿轮，所述锥齿轮具有齿轮芯部、转动轴线、多个径向齿芯部、以及多个径向齿，所述多个径向齿沿着与所述锥齿轮的所述转动轴线大体相同的方向延伸，但是相对于所述锥齿轮的所述转动轴线倾斜，所述锥齿轮用如权利要求1所述的方法形成，其中，所述第一部分基本上形成所述多个径向齿的外表面，所述第二部分形成所述齿轮芯部和所述多个径向齿的芯部。
5.如权利要求4所述的锥齿轮，其特征在于，所述多个齿中的每个齿包括第一表面，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，其中，所述可变边界型面基本上由满足以下至少一项的边界比来表示：齿根台面与齿根圆角面的边界比约为2∶1，齿顶面与所述齿根圆角面的边界比约为6∶1，或齿距线面与所述齿根圆角面的边界比约为19∶4。
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