CN104159687A - 机械结构部件、烧结齿轮及生产机械结构部件和烧结齿轮的方法 - Google Patents

Abstract

一种用作机械结构部件的烧结齿轮，是由金属烧结体制成的机械结构部件，并且烧结齿轮包括：基本区域(13)；以及高密度区域(14)，其形成为包括最大应力位置(17)并形成为包括表面(15)，最大拉伸应力或最大剪切应力施加到该最大应力位置上，其中，高密度区域(14)的孔隙率低于基本区域(13)的孔隙率。通过执行硬化处理，在包括该表面(15)的区域内形成表面硬化层(16)。

Description

机械结构部件、烧结齿轮及生产机械结构部件和烧结齿轮的方法

技术领域

本发明涉及机械结构部件、烧结齿轮及生产机械结构部件和烧结齿轮的方法，具体来说，涉及由烧结体制造的机械结构部件、由金属烧结体制造的烧结齿轮，以及生产机械结构部件和烧结齿轮的方法。

背景技术

传统上，齿轮已经被用作传递动力的机械结构部件。齿轮是使用熔化材料及诸如此类材料来制造的。作为用熔化材料来制造齿轮的典型方法，使用滚齿或齿条型的刀具来切齿的方法是众所周知的。根据该切齿方法，先制备具有圆盘形状的材料(齿轮坯)。该齿轮坯的齿部分之外的部分已经预先加工过。齿轮坯经受刮削过程以提供齿槽，由此获得具有理想形状的齿轮。

根据切齿方法，切削齿轮坯以获得要求的齿轮形状。因此，切齿过程趋于需要相当长的时间，或会出现粉末碎屑而增加材料的浪费。近年来，已经采用粉末冶金法来代替切齿方法。在众多的粉末冶金法中，特别地，经常使用的方法是粉末模压成形法。根据粉末模压成形法，用原材料粉末填满金属模具。使用金属模具来对原材料粉末进行压模成型，由此，将原材料粉末成型为规定的形状。然后，通过烧结工艺来烧结该成型的材料，以获得具有规定形状的齿轮。根据粉末模压成形方法，可以缩短加工时间并减少材料损失。

使用金属模具将原材料的金属粉末加压成型为要求的机械部件的形状，该粉末模压成形方法是生产由烧结体制造的机械结构部件的方法之一。使用粉末模压成形方法由烧结体制造的机械结构部件，通常具有约为85％至92％的相对密度(烧结体的密度与熔化材料的真密度之间的比值)，在该情形中，许多孔隙仍保留在烧结体内。烧结体内的孔隙在应力加载过程中，呈现出类似于熔化材料中裂纹那样的状态。换句话说，每个孔用作应力集中源，由此，降低了诸如拉伸强度、压缩强度和弯曲强度等静力强度以及冲击强度(韧性)和疲劳强度。因此，诸如由烧结体制造的齿轮那样的机械结构部件和由熔化材料制造的结构部件，即使它们是用相同质量的材料制造，但是前者在静力强度、韧性和疲劳强度方面都趋于低于后者。因此，由烧结体制造的机械结构部件的应用已经受到限制。

减少起应力集中源作用的孔隙，即，使烧结体致密起来，可使得由烧结体制造的机械结构部件在静力强度、韧性和疲劳强度方面得到改进。实现高密度烧结体技术的一个实例是双加压/双烧结(2P2S)方法(例如，参见日本专利公开第01-312056号(PTD1))。该方法是通过以下过程来获得高密度的烧结体：在金属模具内，再次压缩模制已经临时烧结过一次的临时烧结体，然后，使生成的烧结体经受全面的烧结。此外，获得高密度烧结体技术的另一个实例是在烧结后进行后处理的烧结-锻造方法(例如，参见日本专利公开第58-133301号(PTD2))。该方法是在烧结体放置在金属模具内的状态下，进行热锻造，通过该方法可获得具有接近真密度的烧结体。

然而，根据上述方法，尽管可提高静力强度、韧性和疲劳强度，但会出现这样的问题，即，由于通过热处理历程释放了残余应力等，而出现了形状变形，由此，降低了尺寸精度。尤其是，烧结-锻造法造成了因实施热锻而带来的尺寸精度进一步降低的问题。而且，由于上述PTD1和PTD2中披露的方法各包括特殊的工艺过程，所以，制造成本也趋于增加。

相比之下，提出了一种技术，其通过成形滚轧来使烧结体致密以提高弯曲强度和耐磨性(例如，见WO92/05897(PTD3))。还提出了一种技术，其通过成形滚轧来实现烧结齿轮表面致密(例如，参见日本专利国家公布第06-501988号(PTD4)以及日本专利公开第2004-255387号(PTD5))。根据上述PTD4中披露的方法，成形滚轧是使用滚压模来实施的，该滚压模布置成相对于齿轮坯建立平行齿轮的关系。根据上述PTD5中披露的方法，成形滚轧是使用各具有像滚刀那样形状的滚压模来实施的。

引用文献清单

专利文献

PTD1：日本专利公开第01-312056号

PTD2：日本专利公开第58-133301号

PTD3：WO92/05897

PTD4：日本专利国家公布第06-501988号

PTD5：日本专利公开第2004-255387号

发明内容

技术问题

然而，为了扩大由烧结体制成的机械结构部件的应用范围，需要进一步提高静力强度、韧性和疲劳强度，同时抑制尺寸精度的降低。

为了解决上述问题，设计了本发明。本发明的一个目的是提供机械结构部件和制造该机械结构部件的方法，该机械结构部件允许在静力强度、韧性和疲劳强度上得到提高，同时抑制尺寸精度的降低。此外，本发明的另一目的是提供烧结齿轮和制造该烧结齿轮的方法，该烧结齿轮具有高的形状精度并能够显示出高的抗疲劳特性。

解决问题的方案

根据本发明的机械结构部件是由金属烧结体制成的机械结构部件。机械结构部件包括基本区域；以及高密度区域，其形成为包括最大应力位置，最大拉伸应力或最大剪切应力施加到该位置上，并形成为包括表面，其中，该高密度区域的孔隙率低于基本区域的孔隙率。表面硬化层通过执行硬化处理而形成在包括该表面的区域内。

根据本发明的机械结构部件，由于包括最大应力位置的表面附近的孔隙减少，因此减少了应力加载过程中的应力集中源。因此，机械结构部件(即烧结体)内裂缝的出现和扩展减慢下来，由此，提高了静力强度、韧性和疲劳强度。此外，根据本发明的机械结构部件，孔隙率低于基本区域的该高密度区域只形成在包括最大应力位置的表面附近内。这不需要在全部机械结构部件内实现致密操作。因此，由于不必采用上述的2P2S方法来实现整个机械结构部件的致密，并且不必在烧结之后采用实施热锻的方法，所以，可以确保相对较高尺寸精度。此外，由于表面硬化层形成在包括上述表面的区域内，所以，进一步提高了该表面的静力强度和疲劳强度。以此方式，根据本发明的机械结构部件，可以提供这样的机械结构部件，即该机械结构部件允许在静力强度、韧性和疲劳强度上得到提高，同时抑制尺寸精度的降低。

此外，孔隙率可按如下所述进行测量。首先，在垂直于上述表面的横截面内切割机械结构部件。然后，抛光该切割表面，用光学显微镜来观察抛光过的切割表面，获得成像数据(或照片)。所获得的成像数据(或照片)经受例如二值化处理，使得孔隙部分是黑色的，而孔隙部分之外的区域是白色的。然后，计算黑色区域所占的比例(面积之比)，即为孔隙率。此外，上述的最大应力位置是意指这样的位置，即，在机械结构部件正常使用的时候，直接造成损坏的最大拉伸应力或最大剪切应力施加在该位置处，并且例如，该位置意指在齿轮或链轮齿的各个齿根和滚动接触构件(凸轮等)的接触表面之下的最大剪切应力区域等。此外，优选的是，纳入在高密度区域内的上述表面包括对应于最大应力位置的表面区域，或最靠近最大应力位置的表面区域。

根据上述机械结构部件，表面硬化层的厚度可小于高密度区域在垂直于该表面的横截面内的厚度。因此，即使当出现在上述表面内的裂纹延伸通过表面硬化层时，裂纹在孔隙数量较少而韧性较高的高密度区域内的扩展也减慢下来。因此，机械结构部件的韧性和疲劳强度可进一步提高。

根据上述机械结构部件，硬化处理可以是渗碳和淬火处理。可以相对容易地执行的渗碳和淬火处理适用于表面硬化层的形成。

根据上述机械结构部件，高密度区域在垂直于该表面的横截面中的厚度可以是大于或等于100μm。通过形成厚度为大于或等于100μm的高密度区域，可以更加可靠地提高静力强度、韧性和疲劳强度。

根据上述机械结构部件，高密度区域在垂直于表面的横截面中的厚度可以是小于或等于700μm。当形成厚度超过700μm的高密度区域时，裂纹灵敏度可能会变得更高，并且疲劳强度可能会降低。该高密度区域构造成具有小于或等于700μm的厚度，使得可抑制此类问题的发生。

根据上述机械结构部件，高密度区域可具有小于2％的孔隙率。由此，可以更加可靠地提高静力强度、韧性和疲劳强度。

根据上述机械结构部件，基本区域可具有2％以上且15％以下的孔隙率。基本区域构造成具有2％以上的孔隙率，因此，在不使用如上所述的2P2S方法或在烧结后执行热锻的方法的情形下，可以容易地形成该基本区域。另一方面，基本区域构造成具有15％以下的孔隙率，因此，可以容易地确保基本区域需要的强度。

根据上述机械结构部件，所述表面可具有大于或等于HRA75的硬度。由此，可为该表面提供具有相对较高的强度。

根据上述机械结构部件，可通过执行冷加工来形成高密度区域。由于这允许不加热就可形成高密度区域，所以，可抑制尺寸精度的降低。

根据上述机械结构部件，上述冷加工可以是冷滚轧加工。该冷滚轧加工适用于高密度区域的形成。

根据上述机械结构部件，金属烧结体可由作为主要成分的铁制成。此外，金属烧结体可含有质量百分比为大于或等于80％的铁。以此方式，由作为主要成分的铁制成的金属烧结体适于用作本发明的机械结构部件的材料。

该机械结构部件可用作动力传递部件。本发明的机械结构部件在静力强度、韧性和疲劳强度上提高了，同时抑制了尺寸精度的降低，所以，本发明的机械结构部件可用于需要具有相对较高尺寸精度和耐用性的动力传递部件。

根据机械结构部件，当制造由金属烧结体制成的试件并执行环压疲劳试验时，优选的是，该疲劳强度是大于或等于300Mpa。以此方式，具有相对较高疲劳强度的金属烧结体适于用作本发明机械结构部件的材料。应指出的是，可通过下面阐述的实例中所描述的方法来检查疲劳强度。

根据本发明的烧结齿轮是由根据上述本发明的机械结构部件制成的。该烧结齿轮包括齿根区域；比齿根区域更靠近齿顶的啮合区域；以及比啮合区域更靠近齿顶的齿尖区域。高密度区域形成在齿根区域内，以包括齿根区域的表面和由霍非尔的30°切线法所确定的危险截面，其中，高密度区域的密度高于啮合区域和齿尖区域的每个的密度。表面硬化层形成在该高密度区域的表面上。

高密度区域可具有小于或等于2％的孔隙率。可通过执行渗碳、淬火和回火处理，形成表面硬化层。高密度区域的表面可具有大于或等于HRA75的硬度。通过执行冷制造可形成该高密度区域。

通过使用滚轧模进行冷加工可形成高密度区域，通过该辊轧模，仅有对应于齿根区域的表面的一部分金属烧结体经受成形滚轧。高密度区域可通过冷加工形成，通过该冷加工，仅有金属烧结体的对应于齿根区域的表面的部分经受成形滚轧，同时，使具有滚刀形的滚轧模的转动和金属烧结体的转动同步地进行。使用滚轧模进行冷加工可形成高密度区域，作为刀片形状，该滚轧模具有形成为圆柱形的基部和形成为半球形的端部。

根据本发明生产机械结构部件的方法包括如下步骤：制备由金属制成的原材料粉末；通过烧结原材料粉末制造金属烧结体；形成高密度区域以包括最大应力位置并包括表面，其中，最大拉伸应力或最大剪切应力施加在该最大应力位置处，高密度区域的孔隙率低于其它区域的孔隙率；并且通过执行硬化处理在包括所述表面的区域内形成表面硬化层。因此，可生产上述的根据本发明的机械结构部件。

根据生产机械结构部件的方法，在形成高密度区域的步骤中，可通过使表面经受冷加工而形成高密度区域。由此，可容易地形成高密度区域，同时保持尺寸精度。

根据生产机械结构部件的方法，在制造金属烧结体的步骤中，可制造相对密度为大于或等于93％的金属烧结体。此外，根据生产机械结构部件的方法，在制造金属烧结体的步骤中，可制造平均孔隙直径为小于或等于100μm的金属烧结体。以此方式，例如，在通过冷加工形成该高密度区域时，可通过小的机加工裕量来获得有足够致密度的高密度区域。

根据生产机械结构部件的方法，在制备原材料粉末的步骤中，可制备对于D50来说颗粒尺寸为小于或等于100μm的原材料粉末。此允许抑制金属烧结体中孔隙的形成。另一方面，在制备原材料粉末的步骤中，可制备对于D50来说颗粒尺寸为大于或等于5μm的原材料粉末。如果原材料粉末的颗粒尺寸太小，粉末之间或粉末和金属模具之间的摩擦增大，由此，会损害其可成型性。因此，待要制造的加压粉末体的密度恰当地减小，使得金属烧结体内的孔隙可以增加。使用对于D50来说颗粒尺寸为大于或等于5μm的原材料粉末，可抑制对可成型性的此类损害。

根据本发明生产烧结齿轮的方法，是使用根据上述本发明生产机械结构部件的方法来生产烧结齿轮的方法。根据该生产烧结齿轮的方法，在形成高密度区域的步骤中，高密度区域形成在金属烧结体的齿根区域内。高密度区域包括齿根区域的表面和由霍非尔的30°切线法确定的危险截面，并具有比啮合区域和齿尖区域的每个的密度都高的密度，所述啮合区域和齿尖区域比齿根区域更靠近齿顶。此外，在形成表面硬化层的步骤中，表面硬化层形成在高密度区域的表面上。

根据生产烧结齿轮的方法，在形成表面硬化层的步骤中，可通过执行渗碳、淬火和回火处理来形成表面硬化层。此外，在形成高密度区域的步骤中，可通过执行冷加工来形成高密度区域。此外，在制造金属烧结体的步骤中，可制造相对密度为大于或等于93％的金属烧结体。

此外，根据生产烧结齿轮的方法，在制备原材料粉末的步骤中，可制备对于D50来说平均颗粒直径为小于或等于100μm的颗粒尺寸的原材料粉末。此外，在形成高密度区域之前的金属烧结体的齿根直径可比作为精加工产品所获得的烧结齿轮的齿根直径大100μm至800μm。

本发明的有利效果

从以上描述中可以明白到，根据机械结构部件和生产根据本发明的机械结构部件的方法，可以提供机械结构部件和生产机械结构部件的方法，该机械结构部件允许在静力强度、韧性和疲劳强度上得到提高，同时抑制尺寸精度的降低。此外，根据烧结齿轮和生产根据本发明的烧结齿轮的方法，可以提供烧结齿轮和生产烧结齿轮的方法，该烧结齿轮具有高的形状精度并能够呈现高的抗疲劳特性。

附图说明

图1是显示根据本发明实施例的烧结齿轮结构的示意图。

图2是显示根据本发明实施例的烧结齿轮的内部结构的局部剖视图。

图3是示意性局部剖视图，其显示根据本发明实施例的烧结齿轮的齿根附近存在的孔隙。

图4是剖视图，用来显示通过霍非尔的30°切线法所确定的危险截面，其形成在根据本发明实施例的烧结齿轮的轮齿上。

图5是显示滚轧模的示意图，该滚轧模用于根据本发明实施例的烧结齿轮的生产方法。

图6是显示根据本发明实施例的凸轮结构的示意图。

图7是显示根据本发明实施例的凸轮的内部结构的示意性局部剖视图。

图8是示出根据本发明实施例的机械结构部件的大体生产方法的流程图。

图9是显示根据本发明实施例的烧结齿轮的生产方法的示意图。

图10是显示金属烧结体的示意图，该烧结体在根据本发明实施例的烧结齿轮的生产方法的烧结步骤中获得。

图11是本发明实例中试件横截面照片。

图12是本发明实例中试件横截面照片。

图13是本发明实例中试件横截面照片。

图14是显示高密度区域的厚度和环压疲劳强度之间关系的图表。

具体实施方式

下面将参照附图来描述的本发明的实施例，附图中，相同的或对应的部件用相同的附图标记表示，且对其的描述将不再重复。

首先，参照作为实例的齿轮来描述本发明机械结构部件的一个实施例。参照图1，用作动力传递部件的烧结齿轮1(齿轮)包括：具有圆盘形状的主体部分11，以及从主体部分11沿径向方向突出的多个齿12。烧结齿轮1由金属烧结体制成。该金属烧结体可由作为主要成分的铁制成，具体来说，可含有质量分数为大于或等于80％的铁。

参照图1和2，在烧结齿轮1通常使用的状态中，可直接造成齿根部分损坏的最大拉伸应力会施加到齿根部分上。换句话说，在烧结齿轮1中，齿根表面被认为是最大应力位置17。该烧结齿轮1包括基本区域13；和高密度区域(高密度齿根区域)14，其形成为包括最大应力位置17和表面15，其中，高密度区域14的孔隙率低于基本区域13。具体来说，高密度区域14形成为包括齿12的齿根。然后，表面硬化层16形成在包括表面15的区域内。例如，该表面硬化层16是通过渗碳和淬火处理形成的渗碳层。

在根据本实施例的烧结齿轮1中，高密度区域14形成为减少在包括最大应力位置17的表面15附近的孔隙，由此，在应力加载过程中，减小应力集中源。具体来说，根据本发明，表面裂缝的出现和扩展，导致在趋于出现损坏的齿根附近形成高密度区域14，由此，减少起作应力集中源的孔隙。因此，作为烧结体的烧结齿轮1内的裂缝扩展过程减慢下来，同时提高静力强度、韧性和疲劳强度。此外，根据烧结齿轮1，该烧结齿轮1不完全经历致密过程，但高密度区域14仅形成在包括最大应力位置17的表面15附近。因此，例如，可使用诸如冷轧等冷加工来形成高密度区域14，而不采用热锻等工艺来形成高密度区域14。因此，可获得具有相对较高尺寸精度的烧结齿轮1。此外，由于表面硬化层16形成在包括表面15的区域内，因此，表面15的静力强度和疲劳强度进一步提高。这样，实现本实施例中的烧结齿轮1，其作为机械结构部件，在静力强度、韧性和疲劳强度方面得到提高，同时抑制了尺寸精度的降低。

此外，根据烧结齿轮1，在垂直于表面15的横截面中，表面硬化层16的厚度优选地小于高密度区域14的厚度，如图2所示。即使当表面15内发生的裂纹延伸通过表面硬化层16时，这也减慢了孔隙数量较少和韧性较高的高密度区域14内裂缝的扩展。因此，烧结齿轮1的韧性和疲劳强度可进一步提高。应该指出的是，高密度区域14的厚度意指高密度区域14中在该表面和最远离该表面的区域之间的距离。此外，高密度区域14可构造成具有这样的厚度，该厚度与相对于基本区域13孔隙率下降大于等于10％的那个区域的厚度相同。

此外，根据烧结齿轮1，在垂直于表面15的横截面中，高密度区域14的厚度优选的是大于或等于100μm。这允许更可靠地提高静力强度、韧性和疲劳强度。另一方面，高密度区域14的厚度优选地为小于或等于700μm，优选地为小于或等于300μm，进一步优选地为小于或等于250μm。因此，可以抑制裂缝敏感性的提高以确保相对较高的疲劳强度。

此外，在烧结齿轮1中，优选的是，高密度区域14的孔隙率小于2％。这允许在静力强度、韧性和疲劳强度上有更可靠的提高。另一方面，基本区域13孔隙率可以设为大于或等于2％且小于或等于15％。

此外，在烧结齿轮1中，优选的是，表面15的硬度是大于或等于HRA75。由此，可为表面15提供相对较高的强度。

此外，在烧结齿轮1中，优选的是，上述高密度区域14通过执行诸如冷轧加工那样的冷加工来形成。由于这允许不加热就可形成高密度区域14，所以，可以抑制尺寸精度的降低。

此外，在烧结齿轮1中，优选的是，当制造由形成烧结齿轮1的金属烧结体制成的试件来进行环压疲劳试验时，疲劳强度为300Mpa或更高。由此，可以确保烧结齿轮1相对较高的疲劳强度。

此外，参照图3，在高密度区域14内(见图2)，优选的是，各孔24都具有沿着烧结齿轮1(见图1)的外周延伸的扁平形状。具体来说，就位于齿根表面下方的对应于称作危险截面的部分(根据霍菲尔的30°切线法所确定的，在此处施加有最大弯曲应力)的孔隙24来说，优选的是，孔隙24被定向成使得其纵向垂直于该危险截面。因此，每个孔24沿裂缝扩展的方向的宽度减小，由此，抑制促使孔24内裂缝扩大的作用，使得疲劳强度得到提高。

然后，下文将更详细地描述烧结齿轮1的结构。参照图2，齿12形成为从齿底18朝向齿顶19突出，齿底18是对应于主体部分11(见图1)的基本区域13的外边缘。齿12包括更靠近齿底18的齿根区域21、比齿根区域21更靠近齿顶19的啮合区域22，以及比啮合区域22更靠近齿顶19的齿尖区域23。由霍菲尔的30°切线法确定的危险截面20形成在烧结齿轮1的齿12内。

图4是剖视图，用来显示霍非尔的30°切线法所确定的并形成在齿12中的危险截面20。为了便于说明，图4中所示的齿12既不包括高密度区域14(将参照图2来详细描述)，也不包括表面硬化层16(将参照图2来详细描述)。

如图4所示，霍非尔的30°切线法所确定的并形成在齿12上的危险截面20是当连接多个位置(两点)时形成的假想的横截面，在所述位置处直线L1和L2内接于齿12的齿根的齿形曲线，其中，直线L1和L2分别与齿12的齿形中心线CC相交成30°的角度 1和 2。当载荷作用在烧结齿轮1的齿12上时，危险截面20比周围区域更可能损坏。

再参照图2，高密度区域14形成在齿12的齿根区域21内。高密度区域14形成为几乎全部在齿根区域21的表面21S上延伸，并且形成为包括更靠近由霍菲尔的30°切线法确定的危险截面20各侧的部分。高密度区域14的密度高于啮合区域22的密度，并且也高于齿尖区域23的密度。

换句话说，高密度区域14的孔隙率低于啮合区域22和齿尖区域23的孔隙率。高密度区域14可具有小于或等于2％的孔隙率。该构造允许进一步提高静力强度、韧性和疲劳强度。高密度区域14的表面14S的硬度可以是大于或等于HRA75(洛氏硬度A标尺)。根据该构造，可为高密度区域14的表面14S提供相对较高的强度。

例如，高密度区域14的孔隙率可按照如下所述测量。首先，沿垂直于高密度区域14的表面14S的横截面切割烧结齿轮1的齿12。然后，抛光该切割表面，用光学显微镜来观察抛光过的切割表面，获得了成像数据(或照片)。获得的成像数据(或照片)经受例如二值化处理和设置，使得孔隙部分成为黑色，而孔隙部分之外的区域是白色。可计算黑色区域与白色区域的比例(面积之比)，即为孔隙率。

表面硬化层16形成在高密度区域14的表面14S上。在本实施例的齿12中，表面硬化层16形成为在以下的各个表面上延伸：齿底18的表面、齿根区域21的表面21S、啮合区域22的表面22S、齿尖区域23的表面23S，以及齿顶19的表面。表面硬化层16形成为包括高密度区域14的全部表面14S。通过经受诸如渗碳和淬火处理或渗氮处理等硬化处理，表面硬化层16可容易地形成为渗碳层。

参照图5，高密度区域14(见图2)优选地通过进行冷加工来形成。由于冷加工允许不加热来形成高密度区域14，因此，可以抑制金相结构的变化并尺寸精度的降低。例如，当高密度区域14形成时，预先制备好滚轧模30，使金属烧结体1A经受成形滚轧过程。金属烧结体1A是制造烧结齿轮1的基本材料(见图1)，并通过使包括金属的原材料粉末压模成型来获得金属烧结体1A。驱动金属烧结体1A沿着箭头AR1所示方向围绕转动轴线2旋转。

滚轧模30包括由转动轴线31支承的主体部分32以及设置成从主体部分32的外周突出多个刀片33。滚轧模30还具有全部的滚刀形状(像滚刀那样的螺旋形)。滚轧模30的刀片33形成为与齿根区域21接触。作为刀片形状，该刀片33具有形成为圆柱形的基部34和形成为半球形的端部35。驱动滚轧模30沿着箭头AR30所示方向围绕转动轴线31旋转。

金属烧结体1A和滚轧模30以所谓的对角支撑方式布置，其中，转动轴线2和转动轴线31彼此不相交，且彼此不平行定位。金属烧结体1A和滚轧模30彼此同步地转动，同时，滚轧模30相对于金属烧结体1A沿箭头AR31所示方向移动。在滚轧模30和金属烧结体1A彼此接触的状态下，滚轧模30仅对金属烧结体1A的对应于齿根区域表面的一部分(由金属烧结体1A制造的烧结齿轮1的对应于齿根区域21表面21S的一部分)施加压力，以执行成形滚轧过程。

通过该成形滚轧过程，获得了具有高密度区域14的烧结齿轮1(见图2)。尽管细节将在下面描述，但该成形滚轧过程(冷加工)是在烧结之后和执行表面硬化处理之前的步骤中进行。因此，通过弱的处理力就可提供相对大的变形。根据滚轧模30，在成形滚轧过程中，相对大的表面压力可能施加到金属烧结体1A的齿根区域(见图10中的齿根成形区域7)，同时，在成形滚轧过程中抑制滑动。根据滚轧模30，用较小的压力载荷就可达到相对较大的凹量，同时，防止损害其它区域的形状。滚轧模30的形成半球形的端部35的半径尺寸被调整成使得可以根据滚轧模30的转动次数和运动速度减少滑动量。

在根据本实施例的烧结齿轮1中，高密度区域14部分地形成，由霍非尔的30°切线法确定的危险截面20(齿根部分内)附近的孔隙减少。在使用烧结齿轮1的状态中，尽管最大拉伸应力趋于出现在危险截面20附近的齿根部分内，但应力集中源在烧结齿轮1的危险截面20附近减少。高密度区域14形成在齿根附近，在此处，由于从作为烧结体的烧结齿轮1的齿12表面出现裂纹，还由于裂纹扩展到该烧结齿轮1的齿12内，因此趋于造成损坏。由于该高密度区域14，裂纹在作为烧结体的烧结齿轮1内出现和扩展减慢下来。因此，烧结齿轮1可在静力强度、韧性和疲劳强度(动力强度)提高。

根据本说明书开头所描述的日本专利国家公开第06-501988号(PTD4)和日本专利公开第2004-255387号(PTD5)所披露的成形滚轧方法，对从齿尖朝向齿根的全部齿表面实施该过程。为了执行该过程以保持啮合区域的形状精度，同时确保足够的成形滚轧凹量，必须考虑齿表面的组织结构的定向。否则，在成形滚轧齿尖部分过程中，大的弯曲应力可能施加到齿根上，使得在齿根区域(尤其是在危险截面内)内会出现开裂或微裂缝。根据PTD4和PTD5中披露的方法，滚轧模在齿表面上的滑动量趋于减小，使得难于确保齿表面形状保持高的精度，而确保足够的成形滚轧凹量。

相比之下，根据本实施例的烧结齿轮1，高密度区域14部分地形成，而烧结齿轮1不完全经受致密处理。在烧结齿轮1的生产过程中，不必要都采用使全部烧结齿轮1经受致密处理的双加压/双烧结(2P2S)方法和在烧结之后执行热锻的方法。由于包括高密度区域14的烧结齿轮1可使用诸如冷滚轧过程等冷加工来进行制造，所以，可确保相对较高的尺寸精度。

根据本实施例的烧结齿轮1，由于表面硬化层16形成在高密度区域14的表面14S上，裂纹的出现受到抑制，使得表面14S的静力强度和疲劳强度得到进一步提高。由于通过执行渗碳、淬火和回火确保了烧结齿轮1内的韧性，所以也可抑制裂纹的扩展。如上所述，本实施例的烧结齿轮1允许提高静力强度和韧性，还允许呈现高的抗疲劳特征，同时，确保高的尺寸精度。

然后，作为本发明的另一实施例，将要描述的情形是，本申请的发明应用到用作动力传递部件的凸轮上。本实施例中的凸轮在构造和作用上类似于上述的烧结齿轮，表现在基本区域、高密度区域以及表面硬化层等方面。参照图6，本实施例中的凸轮3由金属烧结体制成。还有，凸轮3在其外周表面上设置有接触表面36，该接触表面36与诸如发动机内的摇臂和推杆之类的其它部件相接触，并且凸轮3还设置有通孔37，凸轮轴通过该通孔插入。在凸轮3正常使用的状态中，经受会直接造成损坏的最大剪切应力的区域形成在该接触表面36下方。换句话说，该最大剪切应力区域对应于凸轮3中最大应力位置。

参照图7，凸轮3(见图6)包括基本区域39；以及高密度区域40，该高密度区域形成为包括最大应力位置38和接触表面36，其中，高密度区域40的孔隙率低于基本区域39。具体来说，高密度区域40形成为包括对应于外周表面的接触表面36的全部区域。然后，包括接触表面36的区域经受硬化处理，由此，形成表面硬化层41。此外，根据本实施例，在垂直于接触表面36的横截面中，表面硬化层41的厚度小于高密度区域40的厚度。

然后，下文将描述制造上述的烧结齿轮1和凸轮3的方法的实例。参照图8，制造本实施例中机械结构部件的方法包括如步骤(S10)的原材料粉末制备步骤。例如，在该步骤(S10)中，制备诸如JIS Z 2550中规定的P1064至P1084和P3074至P3106的铁基粉末，作为用作烧结体的原材料粉末的金属粉末。此外，待制备的金属粉末的颗粒大小在平均颗粒直径(D50)上可以设定为5μm以上且100μm以下，优选的是，10μm以上且50μm以下。

然后，在步骤(S20)中，将步骤(S10)中制备好的原材料粉末填装到金属模具内并在模具内进行模制。由此，制造具有形状对应于所要求的机械部件形状的压块。此时，可根据需要将润滑剂和烧结助剂添加到原材料粉末中。

然后，如步骤(S30)进行烧结步骤。在该步骤(S30)中，对步骤(S20)中所制造的压块进行加热，例如，在诸如氩气那样的惰性气体氛围中加热，由此被烧结。因此，获得具有诸如齿轮或凸轮等所要求的机械结构部件的大体轮廓形状的烧结体。在该情形中，优选的是，制造相对密度为大于或等于93％的金属烧结体。此外，还优选的是，待制造的金属烧结体具有小于或等于100μm的平均孔隙直径。

然后，如步骤(S40)执行冷作塑性加工。在该步骤(S40)中，对步骤(S30)中获得烧结体的要求部分，执行诸如冷滚轧加工的冷作塑性加工。具体来说，例如，在齿轮的齿根附近，或在凸轮的接触表面内执行冷滚轧，由此，形成高密度区域，以包括最大应力位置和表面，其中，高密度区域的孔隙率低于其它区域。

然后，如步骤(S50)执行硬化处理步骤。在该步骤(S50)中，例如，对于包括具有在步骤(S40)中形成的高密度区域的烧结体的上述表面的区域，执行诸如渗碳和淬火处理等硬化处理，由此，形成表面硬化层16。在该情形中，优选的是，表面硬化层形成为具有小于高密度区域厚度的厚度。

然后，如步骤(S60)处执行精加工步骤。在该步骤中，按要求在所需区域内执行诸如抛光等精加工处理。通过上述工序，根据本实施例的制造机械结构部件的方法结束，诸如上述的烧结齿轮1、凸轮3等类似的机械结构部件完成制造。

然后，下文将详细描述如上所述的制造烧结齿轮1的方法。参照图9，制造本实施例中烧结齿轮1的方法包括原材料粉末制备步骤(S10)、模制步骤(S20)、烧结步骤(S30)、高密度齿根区域形成步骤(S40)、表面硬化层形成步骤(S50)，以及精加工步骤(S60)。这些步骤(S10)至(S60)可按照该次序执行。

在原材料粉末制备步骤(S10)中，如上所述，制备由金属制成的原材料粉末作为烧结体的原材料。优选的是，制备JIS Z2550所规定的用于结构部件的铁基材料作为由金属制原材料粉末。金属制成的原材料粉末的颗粒大小在平均颗粒直径上优选的是5μm以上且100μm以下。更加优选的是，金属制原材料粉末的颗粒大小在平均颗粒直径上是10μm以上且50μm以下。

在模制步骤(S20)中，将原材料粉末制备步骤(S10)中制备好的原材料粉末填装到金属模具内，并如上所述在该模具中进行压模成型。然后，制造具有的形状对应于烧结齿轮1(或如图10所示的金属烧结体1A)的形状的压块。在该情形中，可根据需要将润滑剂或烧结助剂添加到原材料粉末中。

在烧结步骤(S30)中，对模制步骤(S20)中制成的压块加热，例如，在诸如氩气等惰性气体氛围中加热，由此被烧结。因此，获得具有烧结齿轮1的大体轮廓形状的金属烧结体1A(见图10)。在该情形中，优选的是，制造相对密度为大于或等于93％的金属烧结体1A。例如，当通过冷加工形成高密度区域14时，可通过小的机加工裕量来获得具有足够紧密度的高密度区域14。优选的是，金属烧结体1A的平均孔隙直径是小于或等于100μm。金属烧结体1A的孔隙可整体减小。

如图10所示，通过烧结步骤(S30)获得的金属烧结体1A具有烧结齿轮1(见图1)的大体轮廓形状，其中，多个齿4围绕圆盘形主体部分而形成。齿4对应于烧结齿轮1(见图1)内的齿12(见图1)。各个齿4都从齿底5朝向齿顶6延伸，并包括齿根成形区域7(齿根区域)、啮合成形区域8(啮合区域)以及齿尖成形区域9(齿尖区域)。

齿底5对应于烧结齿轮1(见图1)中的齿底18(见图2)。齿底5形成齿根圆5A。齿顶6对应于烧结齿轮1中的齿顶19。齿根成形区域7对应于烧结齿轮1中的齿根区域21。啮合成形区域8对应于烧结齿轮1中的啮合区域22。齿尖成形区域9对应于烧结齿轮1中的齿尖区域23。

在以下描述的高密度齿根区域形成步骤(S40)中，形成高密度区域(高密度齿根区域)14。优选的是，金属烧结体1A的齿根直径D9在高密度区域14形成之前比作为精加工产品所获得的烧结齿轮1的齿根直径大100μm至800μm。根据该构造，可以确保在以后执行的冷加工中将超过的厚度推进到齿根区域(齿根成形区域7)内。

为了确保作为精加工产品的烧结齿轮1的高形状精度，优选的是，将凹量设置为等于或小于基于模块所确定的齿底间隙的尺寸。根据该构造，可以仅对齿根区域(齿根成形区域7)执行塑性加工，而不使齿表面的啮合区域经受塑性加工。例如，当制造作为模块的烧结齿轮1时，优选的是，金属烧结体1A的齿根直径D9比作为最终产品所获得的烧结齿轮1的齿根直径大大约100μm至500μm。

在高密度齿根区域形成步骤(S40)中，执行冷加工。对烧结步骤(S30)中获得的金属烧结体1A内的齿根成形区域7的表面(换句话说，对应于烧结齿轮1中齿根区域21的表面21S的表面)，进行诸如冷滚轧过程的冷加工。在金属烧结体1A的齿根成形区域7(齿根区域)中，形成高密度区域14，该高密度区域14包括齿根成形区域7的表面和霍非尔的30°切线法所确定的危险截面，该高密度区域14具有比各个啮合成形区域8(啮合区域)和齿尖成形区域9(齿尖区域)的密度高的密度，所述啮合成形区域8和齿尖成形区域9比齿根成形区域7(齿根区域)更靠近齿顶6。

再次参照图9，在表面硬化层形成步骤(S50)中，执行硬化处理。例如，可对包括金属烧结体1A的高密度区域14的表面14S的区域，执行诸如渗碳、淬火和回火处理的硬化处理，由此，形成表面硬化层16，其中，该金属烧结体1A的该高密度区域14在高密度齿根区域形成步骤(S40)中形成。

然后，执行精加工步骤(S60)。在该步骤中，根据需要对所需区域实施诸如抛光等精加工处理。通过上述的工艺，本实施例中制造烧结齿轮1的方法完成，并且可获得如图1所示的烧结齿轮1。如上所述，烧结齿轮1允许提高静力强度和韧性，并还允许提高呈现抗疲劳特征，同时确保高的尺寸精度。

实例

进行确认本发明机械结构部件优越性的实验。每个试验工艺如下。首先，制备以下描述的表1中所示的三种类型的金属粉末作为原材料粉末，并在表1所示条件下对其进行模制和烧结。在所获得的烧结体经过冷滚轧表2所示的机加工裕量之后，在渗碳氛围中将烧结体加热到870℃并保持30分钟，由此形成表面上具有120μm厚度的渗碳层。然后，在执行淬火硬化之后，将烧结体加热到150℃并保持90分钟，由此进行回火处理。通过上述工艺，制造外径×内径×高度7mm(厚度3mm)的环形试件。此外，对试件的内外周表面执行上述的冷滚轧加工(实例1至6)。此外，为了作比较，还制备了不以类似工艺进行冷滚轧加工制造的试件(对比实例1至3)。

[表1]

[表2]

上述工艺中所获得的试件经受用洛氏硬度试验机进行的表面硬度测量以及环压疲劳试验。将疲劳试验的条件设定为使得应力比值为0.1，频率为20Hz。表面硬度测量和疲劳试验结果显示在表2中。此外，图11、12和13分别示出实例1、实例3和对比实例1中试件横截面的观察照片。此外，图14示出高密度区域的厚度和由疲劳试验结果中所获得的环压疲劳强度之间的关系。应该指出的是，该疲劳强度是根据JIS Z2273进行测量的。此外，将所获得的疲劳强度与用同样材料制成的各个对比实例的试件的疲劳强度进行比较。然后，将显示提高率为10％以上且小于20％的结果评估为C级，将显示提高率为20％以上且小于30％的结果评估为B级，并且将显示提高率为30％以上的结果评估为A级。

参照图11至13，其结果表明，在已经经受冷滚轧加工的图11和12里的试件中，孔隙59的数量显著减小的高密度区域54形成在包括加工表面51的区域内。另一方面，已经确定，孔隙59仍存在于尚未经受冷滚轧加工的未加工表面52侧上的表面附近。

然后，参照表2，与相应的对比实例相比较，对应于本发明实例的实例1至6的表面硬度都得到提高，而且疲劳强度也提高了10％以上。尤其是，尽管对应对比实例1中的疲劳强度是300Mpa，但已确定，实例2达到了显著的效果，即，疲劳强度是450Mpa，提高率达到50％。基于上述的实验结果，已确定，根据本发明的机械结构部件，可提供具有相对较高疲劳强度的机械结构部件。

此外，图14示出，当该高密度区域太厚时，疲劳强度相反会下降。考虑到此，可以认识到，该高密度区域的厚度优选地设定为大约700μm以下。

然后，参照表3至5，下面将描述涉及本发明的其它实例。这些实验的实例包括基于实例1至5和对比实例1至3的各个实验。各个实验的工艺如下。

[表3]

[表4]

齿轮形状	渐开线标准正齿轮	分度圆直径	17mm
				齿形	全齿高齿	跨齿数	2
模数	1mm	跨齿数	4.66mm
				压力角	20°	齿尖直径	19mm
齿数	17	齿根直径	14.5mm

[表5]

首先，制备由三种类型材料制成并具有在表3中示出的三种类型粉末平均颗粒直径(D50)的金属粉末来作为原材料粉末。用表3中所示模制压力对每种原材料粉末进行压模成型，并在表3所示的烧结条件下进行烧结。由此，获得具有尺寸为外径×厚度t7mm的烧结元件体。

对实例1至5和对比实例1至3中所获得的烧结元件体实施切割过程。实例1至5和对比实例1至3中所获得的烧结元件体被处理成具有如表4所示的它们各自的齿轮特征。在切割过程之后，在实例1至5的每个中获得金属烧结体的齿底经受冷加工而减少表5所示的各个滚轧缩减量。通过执行该冷加工，高密度的齿根区域形成为延伸齿根区域的几乎整个表面，并形成为包括这样的部分，即，该部分更加靠近由霍非尔的30°切线法所确定的危险截面的各个侧部。

实例1至5的每个中形成在金属烧结体内的高密度齿根区域具有如表5所示的孔隙率。由于对比实例1至3中的烧结齿轮(金属烧结体)各不具有高密度齿根区域，所以，表5中的对比实例1至3各显示对应于各个实例1至5中形成在金属烧结体内的高密度齿根区域的那区域的孔隙率。

在形成高密度齿根区域之后，实施渗碳、淬火和回火处理来形成表面硬化层。控制渗碳和淬火条件，使得渗碳深度约为200μm。随后执行回火的条件被建立成使得处理温度设定在150℃并且处理时间设定为90分钟。如上所述，获得实例1至5和对比实例1至3中的烧结齿轮。

对于根据上述工艺获得的实例1至5和对比实例1至3的每个中的烧结齿轮的试件，使用洛氏硬度试验机来测量表面硬度并进行齿根弯曲疲劳强度试验。齿根弯曲疲劳强度试验的条件被建立成使得跨距内的齿数设定为两个，应力比设定为0.1，频率设定为40Hz。

表面硬度测量和齿根弯曲疲劳强度试验的结果显示在表5中。表5中的齿根弯曲疲劳强度试验的结果示出了基于在成形滚轧过程之前和之后获得的疲劳强度的提高率(应力幅值)所评估的值。显示提高率为10％以上且小于20％的结果被评为B。显示提高率为20％以上且小于30％的结果被评为A。显示提高率为30％以上的结果被评价为S。

参照表5，实例1至5都示出，与相应的对比实例作比较，表面硬度提高了，同时齿根弯曲疲劳强度提高了10％以上。尤其是，对于齿根弯曲疲劳强度而言，确认的极其显著的效果是，实例2中的烧结齿轮比相应的对比实例1的齿轮具有50％以上的提高率。从以上描述的实验结果可确认，基于实例1至5的烧结齿轮都具有相对较高的疲劳强度。

尽管在以上描述的实施例中将齿轮和凸轮描述为本发明机械结构部件的实例，但本发明的范围不局限于此，本发明例如还可应用于轴、链轮齿等。

应该理解到，这里披露的实施例和实例只是说明性的，在各个方面没有限制意义。本发明的范围由权利要求书的各个权项予以限定，而不是由以上描所述限定，而且本发明意为包括与权利要求书的权项等同的含义和范围内的任何修改。

工业应用

根据本发明的机械结构部件、烧结齿轮以及制造机械结构部件和烧结齿轮的方法，可以特别有利地应用于需要提高静力强度、韧性和疲劳强度同时要抑制尺寸精度降低的机械结构部件和烧结齿轮，并且可以特别有利地应用于制造所述机械结构部件和烧结齿轮的方法。

附图标记清单

1   烧结齿轮(齿轮)

1A  金属烧结体

2，31 转动轴线

3   凸轮

4，12 齿

5，18 齿底

5A  齿根圆

6   齿顶

7   齿根成形区域

8   啮合成形区域

9   齿尖成形区域

11，32 主体部分

13，39 基本区域

14  高密度区域(高密度齿根区域)

14S，15，21S，22S，23S  表面

16，41  表面硬化层

17，38 最大应力位置

20  危险截面

22  啮合区域

23  齿尖区域

24，59 孔隙

30  滚轧模

33  刀片

34  基部

35  端部

36  接触表面

37  通孔

51  处理表面

52  未处理表面

Claims (22)

1.一种由金属烧结体制成的机械结构部件，所述机械结构部件包括：

基本区域；以及

高密度区域，其形成为包括最大应力位置，最大拉伸应力或最大剪切应力施加到所述位置处，并且所述高密度区域形成为包括表面，所述高密度区域的孔隙率低于所述基本区域，

表面硬化层，其通过进行硬化处理而形成在包括所述表面的区域内。

2.如权利要求1所述的机械结构部件，其特征在于，所述表面硬化层的厚度小于所述高密度区域在垂直于所述表面的横截面内的厚度。

3.如权利要求1所述的机械结构部件，其特征在于，所述高密度区域在垂直于所述表面的横截面中的厚度小于或等于700μm。

4.如权利要求1所述的机械结构部件，其特征在于，所述高密度区域具有小于2％的孔隙率。

5.如权利要求1所述的机械结构部件，其特征在于，所述表面具有大于或等于HRA75的硬度。

6.如权利要求1所述的机械结构部件，其特征在于，所述高密度区域通过进行冷加工而形成。

7.一种由如权利要求1所述的机械结构部件制成的烧结齿轮，所述烧结齿轮包括：

齿根区域；

比所述齿根区域更靠近齿顶的啮合区域；以及

比所述啮合区域更靠近所述齿顶的齿尖区域，

所述高密度区域形成在所述齿根区域内，以包括所述齿根区域的表面和由霍非尔的30°切线法所确定的危险截面，所述高密度区域具有比所述啮合区域和所述齿尖区域的每个的密度都高的密度，并且

所述表面硬化层形成在所述高密度区域的表面上。

8.如权利要求7所述的烧结齿轮，其特征在于，所述高密度区域具有小于或等于2％的孔隙率。

9.如权利要求7所述的烧结齿轮，其特征在于，所述表面硬化层通过进行渗碳、淬火和回火处理而形成。

10.如权利要求7所述的烧结齿轮，其特征在于，所述高密度区域的所述表面具有大于或等于HRA75的硬度。

11.如权利要求7所述的烧结齿轮，其特征在于，所述高密度区域通过进行冷加工而形成。

12.如权利要求11所述的烧结齿轮，其特征在于，所述高密度区域通过使用滚轧模的所述冷加工而形成，通过所述滚轧模，仅有所述金属烧结体的对应于所述齿根区域的表面的一部分经受成形滚轧。

13.如权利要求12所述的烧结齿轮，其特征在于，所述高密度区域通过所述冷加工而形成，通过所述冷加工，仅有对应于所述齿根区域的表面的所述金属烧结体的所述部分经受成形滚轧，同时，使具有滚刀形的所述滚轧模的转动和所述金属烧结体的转动同步进行。

14.如权利要求12所述的烧结齿轮，其特征在于，所述高密度区域通过使用所述滚轧模的所述冷加工而形成，作为刀片形状，所述滚轧模具有形成为圆柱形的基部和形成为半球形的端部。

15.一种生产机械结构部件的方法，所述方法包括如下步骤：

制备由金属制成的原材料粉末；

通过烧结所述原材料粉末制造金属烧结体；

形成高密度区域以包括最大应力位置，并包括表面，最大拉伸应力或最大剪切应力施加在所述最大应力位置处，所述高密度区域的孔隙率低于其它区域；以及

通过进行硬化处理而在包括所述表面的区域内形成表面硬化层。

16.如权利要求15所述的生产机械结构部件的方法，其特征在于，在所述形成高密度区域的步骤中，通过使所述表面经受冷加工来形成所述高密度区域。

17.一种使用如权利要求15所述的生产机械结构部件的方法来生产烧结齿轮的方法，

在所述形成高密度区域的步骤中，所述高密度区域形成在所述金属烧结体的齿根区域内，所述高密度区域包括所述齿根区域的表面和由霍非尔的30°切线法确定的危险截面，所述高密度区域具有比啮合区域和齿尖区域的每个的密度都高的密度，所述啮合区域和所述齿尖区域比所述齿根区域更靠近齿顶，以及

在所述形成表面硬化层的步骤中，所述表面硬化层形成在所述高密度区域的表面上。

18.如权利要求17所述的生产烧结齿轮的方法，其特征在于，在所述形成表面硬化层的步骤中，通过进行渗碳、淬火和回火处理来形成所述表面硬化层。

19.如权利要求17所述的生产烧结齿轮的方法，其特征在于，在所述形成高密度区域的步骤中，通过进行冷加工来形成所述高密度区域。

20.如权利要求17所述的生产烧结齿轮的方法，其特征在于，在所述制造金属烧结体的步骤中，制造相对密度为大于或等于93％的所述金属烧结体。

21.如权利要求17所述的生产烧结齿轮的方法，其特征在于，在所述制备原材料粉末的步骤中，制备具有对于D50来说平均颗粒直径为小于或等于100μm的颗粒尺寸的所述原材料粉末。

22.如权利要求17所述的生产烧结齿轮的方法，其特征在于，在形成所述高密度区域之前所述金属烧结体的根部直径，比作为最终产品所获得的所述烧结齿轮的根部直径大100μm至800μm。