CN102563006B

CN102563006B - 齿轮

Info

Publication number: CN102563006B
Application number: CN201110421208.7A
Authority: CN
Inventors: 宫清; 张法亮; 李运春
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: CN102563006A

Abstract

本发明公开了一种齿轮，包括齿面部分和非齿面部分，其中至少所述齿面部分由非晶合金制成，并且非晶合金的维氏硬度值大于4.5GPa，弹性应变极限大于0.5％。由此，本申请的发明人通过将齿轮分成不同的部分，利用特定的非晶合金来制备至少齿轮的齿面部分(即主要承受摩擦和应力载荷的部分)，提高了齿轮的使用寿命，并且降低齿轮的制造成本。

Description

齿轮

技术领域

本发明涉及非晶技术领域，尤其是涉及一种齿轮。

背景技术

在近代机器中，齿轮传动是最常见的一种机械传动，它是传递机器动力和运动的一种形式，在机械产品中齿轮已成为不可或缺的传动部件，是机械产品重要基础零部件。在汽车行业中，齿轮作为汽车主要的基础传动元件，齿轮的质量直接影响汽车的噪声、平稳性及使用寿命。

常规齿轮由于通常采用钢材制备而成，制备过程中需要对钢材软态进行加工成型，成型后需要对齿面进行硬化处理以提高耐磨特性延长使用寿命，通常采用调质热处理及渗氮渗碳等表面硬化处理，而该类处理是以牺牲齿面的精度为代价。

常规齿轮生产设备投入量大，生产工艺复杂，生产周期长，成本较高。以结构较简单的碳钢正齿轮生产为例，首先需要锻造碳钢以提高碳钢的塑性和力学性能，然后进行裁断、调质、正火等增韧处理、再按顺序加工齿轮坯(车削、钻孔等)、粗加工齿形(插齿、滚齿等)、机加工其他特征，热处理、精加工齿形，修整等。若完成较大产能需要多机同时生产，工序较长，一旦出现偏差，最终误差累积，须返工，则工时会很长，生产效率低，加工成本高(成本构成约为：1/5材料费、4/5加工费及热处理等)。从中可以看出传统齿轮的生产工艺较复杂，大部分工作量集中在锻造、机加工、检验、返工(修)和热处理等部分，为了提高齿轮的质量必须投入大量的精密齿轮加工设备，齿轮生产设备投入量大，生产工艺复杂，齿轮生产周期长，成本较高。

因此人们需要一种新型的材料能够更好的满足齿轮的成型和使用要求。非晶合金材料是20世纪后期迅速发展起来的新型材料，与晶态材料相比具有许多优异的性能，如高强度、高弹性、高硬度、高耐磨性、高耐蚀性以及优异的成形性能，因此如果非晶材料应用于齿轮零件，则在硬度、耐磨、耐腐蚀等方面会具有明显的优势。

虽然，张志豪和程明等人【机械工程学报，Vol41，NO3，P151；航天制造技术，2006年8月第4期，P4】采用非晶合金的超塑性成型的特点解决了精密齿轮的近终成型的问题，但所用非晶合金的使用寿命短，非晶合金使用成本高，而且齿轮体积有限，从而限制了非晶合金在齿轮中的应用。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实的认识：传统的齿轮加工工艺复杂，成本较高，由于通常需要进行热处理提高材料硬度而导致齿形的变形或尺寸公差的增大。

本申请的发明人意识到，非晶合金是一种新型材料，与晶态材料相比具有许多优异的性能，例如高强度、高弹性、高硬度、高耐磨性、高耐蚀性以及优异的成形性能，因此采用非晶合金制造齿轮零件，则在硬度、耐磨、耐腐蚀等方面会具有明显的优势，但通常非晶合金材料成本高。

为此，本发明的一个目的在于提出一种齿轮，该齿轮的精度高、寿命长且制造成本低。

根据本发明实施例的齿轮，包括齿面部分和非齿面部分，其中至少所述齿面部分由非晶合金制成，所述非晶合金的维氏硬度值大于4.5GPa且弹性应变极限大于0.5％。由此，本申请的发明人通过将齿轮分成不同的部分，利用非晶合金来制备至少齿面部分(即主要承受摩擦和应力载荷的部分)的非晶齿轮，并且采用了维氏硬度值大于4.5GPa，弹性应变极限大于0.5％的非晶合金，从而显著提高了常规齿轮的硬度、耐磨、耐腐蚀特性及齿形的精度，而避免了传统齿轮中的大量机加工、热处理和渗碳渗氮部分，形成了低成本高性能非晶齿轮技术。

根据本发明的另一些实施例，所述非齿面部分的材质为非晶合金、黑色金属、有色金属、塑料、橡胶及木质中的一种或多种材质的组合。

根据本发明的一些实施例，所述非晶合金中优选含有体积含量小于50％的晶体相。

进一步，所述非晶合金的临界尺寸优选大于0.5mm。

根据本发明的一些实施例，所述非晶合金为锆基、铁基、钴基、镍基、铜基、钛基非晶合金中的至少一种。

在本发明的一些示例中，所述锆基非晶合金的化学组成为：Zr_aCu_bAl_cNi_dM_e，其中M表示选自Fe、Co、Mn、Cr、Ti、Hf、Ta、Nb、C及稀土元素中的一种或多种组合，a、b、c、d和e为原子百分数，40≤a≤70，15≤b≤35，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤5，且a+b+c+d+e＝100。

在本发明的另一些示例中，所述铁基非晶合金的的化学组成为：Fe_f(Cr，Mn)_g(Mo，Co)_h(C，B)_i(Er，Y)_jN_k，其中N表示选自除Er和Y之外的稀土元素、Si、P、Ni、Zr、Hf、W、Nb、以及Ga中的一种元素或多种元素组合，f、g、h、i、j、k为原子百分数，40≤f≤70，5≤g≤30，5≤h≤25，5≤i≤25，0≤j≤3，0≤k≤2，且f+g+h+i+j+k＝100。

进一步地，所述非晶合金中可以含有杂质元素，其中以原子百分数计，所述杂质元素的含量不高于2％。

根据本发明的一些实施例，所述齿轮通过近终成型铸造制成。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的齿轮的示意图，其中：图1a表示该齿轮的主视示意图，图1b表示该齿轮的立体图，图1c表示该齿轮的剖视图；和

图2是用于制造根据本发明一个实施例的齿轮的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图描述根据本发明实施例的齿轮。

需要说明的是，在本发明中，为了便于说明，如图1所示，将齿轮分为“齿面部分”和“非齿面部分”，术语“齿面部分”是指齿轮与齿轮间啮合面，指从轮齿的表面至内部预定厚度部分，它是承受摩擦和应力载荷的主要部分；术语“非齿面部分”是相对于齿面部分不承受摩擦和应力载荷的部分，但主要承受扭矩的输出。关于齿面部分的具体厚度没有特殊的限定，例如可以根据所应用的环境、齿轮的大小等来适当的设计。

如图1a～图1c所示，根据本发明实施例的齿轮，包括齿面部分11和非齿面部分12，其中至少齿面部分11由非晶合金制成，所述非晶合金的维氏硬度值大于4.5GPa且弹性应变极限大于0.5％。

众所周知，齿轮在相互啮合传动过程中传动力和力矩，该运动是周期性重复运动，主要工作面为齿面部分11，齿面部分11的啮合精度直接影响到传动效率，一旦齿面部分11承受过大载荷(超过屈服强度)引起的变形超过材质的弹性应变极限就会出现永久性塑性变形，即变形不可恢复。此外，齿面部分11在反复周期性运动啮合过程中除了承受应力载荷外，还会经受齿面与齿面的摩擦，齿轮在载荷和摩擦的工作环境中通常会出现轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损和齿面的塑性变形等失效模式，从而降低了齿面部分11的配合精度，导致齿轮传递力和力矩的效率大大降低甚至导致功能失效。此外，常规的齿轮基材通常采用各种牌号的钢材，而钢的硬度是比较低的，但为了提高钢质齿轮的使用寿命，通常对齿面部分11进行渗碳处理或碳氮共渗以便对表面层进行加硬处理，加硬层的厚度通常在1mm左右，齿轮在使用啮合的过程中，加硬层一旦受到破坏，则使用寿命会迅速恶化，而且渗碳层硬度太高还会产生脆性，同样影响齿轮的使用寿命。在齿轮工作过程中齿面需要承受足够大的应力引起的应变，而通常采用的碳钢齿轮，其碳钢基材的极限应变量一般小于0.2％，因此在工作过程中经常出现轮齿变形甚至折断。根据本发明的上述实施例，通过将齿轮分成不同的部分，利用非晶合金来制备齿面部分11(即主要承受摩擦和应力载荷的部分)，可以显著提高齿轮的硬度、耐磨、耐腐蚀和加工精度，使得齿轮具有大的弹性变形能力和大的屈服强度，有利于克服齿轮的失效。

此外，发明人等经研究发现，选择维氏硬度在4.5GPa以上及弹性应变极限大于0.5％的非晶合金作为齿轮的齿面部分，具有耐摩擦磨损性能优异而且不易产生塑性变形的特点，可使得齿轮的使用寿命大幅提高。另外，相对于通常所使用的材料碳钢而言，非晶合金弹性应变可具有高达2％的弹性应变量，应变值越大对于非晶合金在齿轮上的应用越有利，但是同时也会大幅提升生产制造成本，本发明研究发现优选大于0.5％的极限应变量则就可以大大较少齿轮的失效，从而大大提高使用寿命。

根据本发明的一些实施例，非齿面部分12可采用黑色金属、有色金属、塑料、橡胶及木质材质的一种或多种材质的组合。根据本发明的另一些实施例，齿面部分11和非齿面部分12均由所述非晶合金制成。

作为非齿面部分12，主要承受扭矩的输出，因此可以根据输出扭矩的大小灵活选用不同机械强度和不同成本的材料。例如，在强调承受较大的输出扭矩时则可以选择具有高强度和高韧性钢材、铁合金、非晶合金等材质；而在承受小的输出扭矩时则可以选择具有低强度价格低廉的有色金属、生铁、铸铁、塑料、橡胶甚至木材即可。通常非晶合金具有较高的材料成本，在本发明中由于采用了成本低廉的其他金属，则可以大幅降低非晶合金的使用成本，从而可以使非晶齿轮不仅可以经济的应用在微型、小型齿轮上，而且还可以应用在大型齿轮上。

在采用不同的材料制备齿面部分11与非齿面部分12的情况下，齿面部分11与非齿面部分12的连接，可以为简单的机械连接也可以为化学连接，如焊接、粘接等，可以根据产片设计或生产的需要灵活选择。

根据本发明的一些实施例，所述齿轮通过近终成型铸造(如压力铸造、失蜡铸造、离心铸造等)制成。非晶合金由于特殊的亚稳态结构，使得合金不仅在熔点以上具有很好的流动性，而且在熔点以下也具有流动性，其流变性能甚至可以低至玻璃转化温度。鉴于非晶合金的特殊的物理属性，本发明优选选择具有近终成型特点的铸造成型方法进行非晶齿轮的制造。另一方面，铸造成型可以避免超塑性成型过程中狭窄的成型温度窗口，可以实现在熔点以上铸造，如在过冷液相区(介于玻璃转化温度与熔点之间的区域)成型的工艺模式，因此可以采用常规的铸造方法，如压力铸造、失蜡铸造、离心铸造。常规铸造技术的采用可以实现低成本工艺技术实现高精度的齿轮结构，可以大大减少齿轮的加工切削量，从而有利于非晶齿轮的工业化生产和推广。

根据本发明的一些示例，所述非晶合金中可含有体积含量小于50％的晶体相。在本发明的优选实施方式中，非晶合金主要存在于齿面部分，且采用铸造成型。由于冷却速率的影响，通常非晶合金在金属模铸造成型过程中外壁最先冷却，而且由外及里逐渐冷却，如果非晶合金的临界尺寸不够大，则很容易形成晶态相。发明人等经研究发现，在非晶合金成型过程中的形成的晶态相为细晶结构，对非晶合金的硬度基本不产生影响甚至还会高于非晶合金的硬度值，但晶态相的含量过大，尤其通常超过50％(体积分数)的晶体相，则会显著恶化非晶合金的机械强度和韧性，从而大幅降低齿轮的使用寿命。因此，本发明中的非晶合金中优选含有体积含量小于50％的晶体相。

根据本发明的进一步示例，所述非晶合金的临界尺寸大于0.5mm。由于允许晶体相的存在，大大降低了对临界尺寸的要求或者大大降低了对非晶合金成分纯度的要求及制备环境的要求，从而可大幅降低生产成本。本发明人等经研究发现，非晶合金的临界尺寸优选大于0.5mm。

根据本发明的一些实施例，所述非晶合金优选为锆基、铁基、钴基、镍基、铜基、钛基非晶合金中的至少一种。

非晶合金是合金材料的非晶态，涉及到的合金体系有很多。如以主体元素作为非晶合金体系来划分，则可以达到数十种，但具有非晶合金齿轮使用特征并具有廉价制造成本的则为数不多，本发明综合各种非晶合金的力学性能、材料成本、化学特性尤其耐腐蚀特性，其中的非晶合金材料优选锆基、铁基、钴基、镍基、铜基、钛基非晶合金中的一种或多种。

此外，由于处于摩擦磨损的使用环境难以对其进行防腐处理，因此对合金本身的防腐性能要求也非常高，优选耐酸耐碱耐高温的非晶合金为宜。

为此，根据本发明的一些示例，所述锆基非晶合金的化学组成为：Zr_aCu_bAl_cNi_dM_e，其中M表示选自Fe、Co、Mn、Cr、Ti、Hf、Ta、Nb、C及稀土元素中的一种或多种，a、b、c、d和e为原子百分数，40≤a≤70，15≤b≤35，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤5，且a+b+c+d+e＝100。

根据本发明的另一些示例，所述铁基非晶合金的的化学组成为：Fe_f(Cr，Mn)_g(Mo，Co)_h(C，B)_i(Er，Y)_jN_k，其中N表示选自除Er和Y之外的稀土元素、Si、P、Ni、Zr、Hf、W、Nb、以及Ga中的一种或几种组合，f、g、h、i、j、k为原子百分数，40≤f≤70，5≤g≤30，5≤h≤25，5≤i≤25，0≤j≤3，0≤k≤2，且f+g+h+i+j+k＝100。

在上述非晶合金材料中可以含有杂质元素，其中以原子百分数计，所述杂质元素的含量不高于2％。

下面结合图1和图2描述本发明实施例的齿轮的制备过程。

首先制备非齿面部分12。例如，可以采用黑色金属、有色金属、塑料、橡胶及木质材质的一种或多种材质的组合来制备非齿面部分12。具体地，依次进行下料、冲切、机加工处理，以获得图1中所示的齿轮中的非齿面部分12。

然后，将制备好的非齿面部分12放入压铸模具中。

接着，将非晶合金加热到熔点以上，过热度例如可以为200摄氏度，必要时可以进行惰性气体保护，然后将非晶合金的熔体注射到上述模具中，从而在非齿面部分12的外部包覆由非晶合金形成的齿面部分11。

最后，取出铸件，去除水口和毛边，得到本发明实施例的齿轮。

也可以根据具体产品对齿形精度的需求，可以对所得到的齿轮进行精磨加工，从而可以获得精度更高的非晶齿轮，从而实现低切削量获得高精度高性能齿轮的制造技术。

下面结合具体实施例描述本发明的齿轮。

为了说明本发明提出的齿轮与常规齿轮，分别采用不同的材料制作如图1所示的齿轮，并进行齿轮寿命测试。

实施例1

首先，采用45号钢制备非齿面部分。具体地，依次进行下料、冲切、机加工处理，并进行调质处理，以获得图1中所示的齿轮中的非齿面部分12。

然后，将制备好的非齿面部分放入压铸模具中，并进行定位。

接着，将非晶合金Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇加热到熔点以上，过热度为200摄氏度，并进行惰性气体保护，然后将Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇熔体注射到上述模具中，从而在非齿面部分12的外部包覆由非晶合金形成的齿面部分11。

最后，取出铸件，去除水口和毛边，对齿形进行精磨加工，得到本发明实施例的齿轮。

实施例2

除了所使用的非晶合金材料为Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂(含有2at％杂质元素)之外，其他均与实施例1相同的方法制备齿轮。

实施例3

将非晶合金Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇加热到熔点以上，过热度为200摄氏度，并进行惰性气体保护，然后将Zr₅₂Al₁₀Cu₃₀Ni₇熔体注射到压铸模具中，形成完全由非晶合金制备而成的齿轮。

最后，取出铸件，去除水口和毛边，然后对齿形进行精磨加工，得到本发明实施例的齿轮。

此外，为了比较，还利用常规材料、常规工艺和非本发明技术按照下列方法制备了上述齿轮。

对比例1

除了所使用的非晶合金材料为Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂(含有4at％杂质元素)之外，其他均与实施例1相同的方法制备齿轮。

对比例2

除了所使用的非晶合金材料为Mg₆₀Cu₃₀Y₁₀之外，其他均与实施例1相同的方法制备齿轮。

对比例3

采用45号钢，依次进行钢材的下料、锻造处理、正火处理、进行粗加工，然后进行精细齿形加工、调质、精磨加工，从而得到齿轮。

对比例4

采用45号钢，依次进行钢材的下料、锻造处理、正火处理、进行粗加工，调质，然后进行精细齿形加工、齿轮高频淬火加低温回火、渗氮，从而得到齿轮。

对上述实施例以及对比例的齿轮进行如下测试，测试结果列于表1所示。此外，在表1中还给出了上述实施例和对比例的制作相对成本。

测试条件为在工装上进行两个同样齿轮的啮合试验，输出扭矩为5Nm，啮合一周为一个循环，进行循环啮合测试，直至齿轮失效，记录啮合次数作为齿轮使用寿命。

从表1可以看出，由于传统的齿轮制造工艺复杂，尤其经过渗碳处理后，制造成本会进一步提高，生产成本甚至会高于本发明中的非晶齿轮的技术方案，这主要源于在本发明中采用压铸技术实现齿形的一次性成型，省略了大量的精加工齿形的加工时间，虽然在齿轮成型完成后进行精磨加工处理，但加工量非常小，加工效率也非常高，因此并不会显著增加成本。

由于本发明采用了高硬度高耐磨的非晶合金作为齿面部分，如图实施例1和2所示，齿轮的使用寿命分别可高达11万和20万次，显著高于45号钢常规技术齿轮。采用完全非晶合金一次铸造成型齿轮，也会得到高寿命的齿轮，如是实施例3所示，但由于原材料成本较高而导致制造成本大幅度上升。

虽然，对比例1也采用了非晶合金作为齿轮的齿面部分，但由于杂质含量远远超过本发明的比例，导致非晶体相比例太少，材料的强度和韧性大幅下降，导致齿轮使用寿命也非常不理想。对比例2，虽然也采用了低杂质含量的非晶合金作为齿面部分，但由于非晶合金材料本身的硬度较低，且材料的耐腐蚀性不够，导致齿轮的使用寿命也仅有2.3万次。

常规的齿轮成型技术，虽然齿轮的精度通过机加工处理也可以过的比较高的水平，但材料的硬度较低，即便采用了渗氮处理，但仅仅是一层表面硬化层，因此齿轮寿命也分别只有3万和5.2万次，而且齿轮的制造成本相对本发明技术高。

由此可见，本发明的非晶合金齿轮，与传统齿轮制备技术，在成本、性能、使用寿命等方面均具有明显的优势。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种齿轮，包括齿面部分和非齿面部分，其中所述齿面部分由非晶合金制成，所述非晶合金的维氏硬度值大于4.5GPa且弹性应变极限大于0.5％，

所述非齿面部分的材质为黑色金属、有色金属、塑料、橡胶及木质中的一种或多种材质的组合，

所述非晶合金的临界尺寸为大于0.5mm小于等于8mm，

所述非晶合金的化学组成为：Fe_f(Cr,Mn)_g(Mo,Co)_h(C,B)_i(Er,Y)_jN_k或Zr_aCu_bAl_cNi_dM_e，其中N为除Er和Y之外的稀土元素、Si、P、Ni、Zr、Hf、W、Nb以及Ga中的一种元素或多种元素的组合，f、g、h、i、j、k为原子百分数，40≤f≤70，5≤g≤30，5≤h≤25，5≤i≤25，0≤j≤3，0≤k≤2，且f+g+h+i+j+k＝100，M表示Fe、Co、Mn、Cr、Ti、Hf、Ta、Nb、C及稀土元素中的一种元素或多种元素的组合，a、b、c、d、e为原子百分数，40≤a≤70，15≤b≤35，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤5，且a+b+c+d+e＝100。

2.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述非晶合金中含有体积含量小于50％的晶体相。

3.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，另外，所述非晶合金中含有原子百分数为2％以内的杂质元素。

4.如权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述齿轮采用具有近终成型特点的铸造成型技术制造。