CN1703292A - 烧结齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由具有金属基体和气孔的烧结合金构成的烧结齿轮，在齿的齿面(2、3、4)及齿底面(5)具有由烧结合金将气孔率降低到10％或其以下的致密层(11)，齿面的致密层以300～1000μm的厚度形成，齿底面的致密层以10～300μm的厚度形成，致密层的界面从齿面侧向齿底面侧连续为实质性没有段差。

Description

烧结齿轮

技术领域

本发明涉及通过对金属粉末进行加压成形并烧结而制造出的烧结齿轮，除凸齿之间啮合的普通齿轮外，还包括链条卷挂轮等动力传导轮。特别涉及包括静音链条用链轮等的需要强度和静音性的烧结齿轮。

背景技术

通常，把金属粉末填充到模具中，使用冲压的手段在上下方向上进行压缩成形，得到所需要的齿轮形状的粉压体，然后对其进行烧结而得到烧结齿轮。这样的烧结齿轮，可以廉价地大量生产，因此能够向各种用途提供多种多样的制品。在烧结齿轮的金属基体中残存着其制造方法带来的气孔。因此，形成齿轮的材料的密度比真密度要低，与一般拥有真密度的熔炼钢齿轮相比存在强度低的问题。针对这个问题，以往采用比熔炼钢齿轮的材料更高级的材料来弥补强度不足的缺陷，或者在制造工序中，采用两次成形和烧结(成形、预烧结、二次成形及烧结)的2P-2S法，或者采用在温热条件下成形的温热成形技术等使粉末高密度化来解决。

但是，近年来，针对降低价格的要求不断提高，使用高级别的材料或复杂的制造工序等，极不利于对应这种要求，难以解决问题。因此，要求一种能够使用廉价材料、制造方法简单、且强度高的烧结齿轮。

关于这个问题，提出了一种对挤压并烧结粉末金属材料而形成的齿轮的齿、齿根和齿根面区域进行表面固化，以至少在达380μm的深度确立90～100％范围的致密的齿轮(如特表平6-501988号公报，第2～3页，参照图1)。

另外，齿轮是通过与相应部件的齿或链条等啮合旋转来传送动力的部件，在齿轮的啮合部位发生的接触、摩擦会产生噪音。对于抑制这种噪音，提高静音性的齿轮的要求也在不断增加。

本发明就是应如上述的需求，目的在于提供能够以低成本容易地制造、且静音性高的烧结齿轮。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的烧结齿轮是由具有金属基体和气孔的烧结合金构成的烧结齿轮，其特征在于，具有在齿的齿面以300～1000μm的厚度形成且气孔率降低到10％或其以下的第一致密层、及在齿底面以10～300μm的厚度形成且气孔率降低到10％或其以下的第二致密层，所述第一致密层的界面与所述第二致密层的界面连接为实质上没有段差。

附图说明

图1是表示本发明的烧结齿轮的一个实施方式的部分截面图。

图2是表示本发明的烧结齿轮的制造工艺中成形工序的说明图。

图3是表示烧结齿轮的制造工艺中成形工序的说明图。

具体实施方式

齿轮之间的啮合或根据齿轮的向链条的动力传送中，齿在转动接触时会产生应力。由转动接触产生的应力最大的位置(称为应力集中部位)，并不是齿面即转动接触面(齿根面～齿端面)的面上，而是从表面稍微里边的内部。因此，对于由金属粉末成形及烧结而得到的烧结齿轮，通过对齿面的表层部分进行致密化为气孔率比内部(芯)低，设置厚度适当的致密层，则能够提高转动接触引起的齿的疲劳强度。烧结齿轮，一般是由气孔率(容积比)在85～90％程度的烧结体构成。经过本发明的致密化加工，可以把气孔率降低到10％或其以下，形成为致密层的厚度(致密层与齿轮的芯部分的界面从表面的深度)为300～1000μm。在气孔率超过10％的状态无法得到充分的疲劳强度。即在本发明中，致密层就是指气孔率减少到10％或其以下的部分。致密层从表面向内部存在气孔率升高的倾向，致密层的气孔率用从致密层的表面到内部的平均值表示。致密层的厚度小于300μm时，应力集中部位成为比致密层还要深的位置，无法改善疲劳强度。另外，厚度超过1000μm也得不到其以上的效果，因此没有意义。

如上所述的致密层的形成也能用于齿轮的静音化。以下说明根据致密层的静音化。

当齿轮的气孔率整体上均匀时，因齿轮咬合而在齿面上发生的振动，通过烧结合金的基体传递到贯穿齿轮的轴。与此相比，如果如上所述在齿的表层部设置致密层，则表层部与内部之间的气孔率产生差异，振动容易选择密度高的方向传导，因此向轴方向传导的振动减少，容易衰减。从振动发生位置通过致密层传播的振动沿着齿轮表面扩散，随着传播渐渐衰减。振动传播的选择性对提高静音性来说是重要的，致密层的最表面与内部的芯部分之间的气孔率之差越大，选择性也越能够提高，该气孔率之差优选为约7％或其以上。考虑到这一点，构成烧结齿轮芯部分的烧结体的气孔率在10～15％程度、致密层的气孔率在1～9％程度时，从易于加工及整体性强度平衡方面来看是优选的。

致密层如果设置成不仅在齿啮合时接触的齿面部分、还延长到不发生接触的齿底面和齿顶面，则根据振动传播提高静音性的效果增加，因此是有用的。此时，齿面的致密层与齿底面及齿顶面的致密层之间的连续性高时振动传播良好，提高静音性。因此，希望这些致密层间的气孔率之差小，没有急剧的变化。

齿底面和齿顶面不与配对齿轮直接接触，因此没有必要为了赋予对转动接触的疲劳强度而设置深的致密层。但是，齿底面是齿面与配对侧齿轮的齿接触时受到应力而拉伸应力集中的部分，因此，对于齿底面的表层部进行致密化可以有效提高拉伸强度。从这种角度考虑，也可以对齿底面以大于等于10μm的厚度设置气孔率小于等于10％的致密层。如果厚度不足10μm，振动的选择传播效果及提高拉伸强度的效果不充分。但是，即使厚度超过300μm，也得不到更好的静音化效果，所以，有效性最高的致密层的厚度范围为10μm～300μm。

对于齿顶面，没有必要为了提高强度而使之致密化。但是，如果转动接触的齿面的致密层延长到位于其背面的齿面而把振动的传送路径与背面的致密层连接，则对静音化有效。因此，对于齿顶的致密化，也优选致密层的气孔率小于等于10％、且厚度从表面为10μm～300μm。

齿轮的芯部分(没有进行致密化的部分)与致密层的界面的形状，对应力作用和振动传播行为有重要影响。具体而言，如果界面不连续(也就是有棱角)地曲折或者凸凹剧烈，这些部分易于产生应力集中，容易发生材料的疲劳。所以，对齿轮的芯部分与致密层的界面的形状的要求是：连续的(也就是说平滑的、没有棱角的)、实质上不存在断差或凸凹、致密层的厚度不会局部性地急剧变化。

致密层可以通过对由烧结工序得到的齿轮形烧结体实施精压、滚轧、挤压加工等压表面的加压加工来压缩表面而形成，可以将加压加工分成多个工序阶段性实施或者将多种加工组合实施。烧结体的形状，根据最终的齿轮形状估计随着加压加工而减少的加工余量来决定。由一次加压加工可压缩的加工余量因加工条件即实施加工的材料、加工压力和加工温度而异，例如采用滚轧的情况，可以对应于形成的致密层的厚度和气孔率，通过调节滚轧余量、滚轧压力及温度，以一次工序设置所希望的致密层。

如上所述在表面具有致密层的齿轮，作为结构用烧结合金可以适用至今使用的等级较低的烧结合金。其具体例可以举出Fe-Cu-C系合金、Fe-Ni-Mo-C系合金等铁系烧结合金，整体密度为6.7～7.1g/cm³程度、气孔率为10～15％程度的烧结体适合作为齿轮材料。把上述组成的合金粉末按照常规方法加压压缩以成形为齿轮形后进行烧结，把齿轮形烧结体作为齿轮材料，实施前面所述的加压加工，形成致密层。之后，根据需要也可以实施热处理。通过这样制造具有致密层的烧结齿轮，能够得到强度和静音性比以往的烧结合金齿轮都有提高的齿轮。

图1是表示本发明的烧结齿轮的一个实施方式的齿轮的一部分的径向方向截面图。齿轮1的齿的表面形成有致密层11，形成有分开致密层11和齿轮内部13的界面12。齿面2即齿端面3和齿根面4中，致密层11的厚度21为300～1000μm，在此例中被加工成500μm。另一方面，齿底面5中，致密层11的厚度22为10～300μm，在此例中为150μm。齿轮的内部13的气孔率为11～13％，致密层11的气孔率为0～10％。致密层11形成为厚度不发生急剧的变化，界面12从齿端面3到齿底面5侧平滑地连续。即齿面3及齿底面5的致密层的界面是连续的，实质上没有段差。

图2(a)、(b)是用于说明制造如图1的烧结齿轮的加工工序的一例的截面图。图2(a)表示滚轧前的齿轮材料M的齿形轮廓31，图2(b)表示滚轧后的齿轮1a的齿形轮廓32。在图2(a)中，将滚轧后的齿形轮廓32用虚线一同表示，滚轧前后的齿形轮廓之差就是滚轧余量。滚轧加工前的齿轮材料，气孔率超过10％，但经过滚轧加工，图2(b)中的致密层11a的气孔率小于等于10％。在齿面的致密层与齿底面的致密层的连接部分A，致密层11a的厚度从21a向22a渐渐变化，致密层11a的界面12a保持连续(也就是平滑、没有棱角)。从而，界面12a上不存在致密层的厚度急剧变化而产生的段差。

图3(a)、(b)是表示由不同的齿形轮廓31a’的齿轮材料M’滚轧加工制造出相同的齿形轮廓32的齿轮时的截面图。图3(a)表示滚轧加工前的齿轮材料M’的轮廓31’，图3(b)表示滚轧后的齿轮1b。图3(a)中记载的滚轧后的齿形轮廓32与滚轧前的齿形轮廓31’之差就是滚轧余量，在滚轧余量的厚度急剧变化的部分，滚轧后的齿轮1b中，致密层11b的厚度也从22b向22b急剧变化，在齿面的致密层21b与齿底面的致密层22b的连接部分B，界面12b产生段差。施加到致密层的转动接触时的应力集中到连接部分B的段差部分，易于在段差部分的界面及其稍微内部产生损伤。关于在齿面产生的转动接触的振动，在致密层11b中传播时，在接触部B段差部分的界面12b发生反射，由于段差附近的急剧狭窄而减少向齿底面的致密层传播的比例。由于反射振动波引起的干涉，振动波的能量集中在段差附近。

通过如上所述形成致密层，可以得到强度和静音性能优异的烧结齿轮，发挥烧结合金的轻量化的优点，有效利用整体密度为6.7～7.1g/cm³程度的烧结齿轮。

实施例1

在组成以质量比计为Fe-0.5％Ni-0.5％Mo的铁合金粉末(粒度：80目)中加入石墨粉末，调制石墨粉末比例为0.3质量％的混合粉末(组成：Fe-0.5％Ni-0.5％Mo-0.3％C)，将其作为原料粉末进行如下的操作。

<样品1A>

将原料粉末加压压缩而成形为链轮形状，在1195℃烧结，得到齿轮材料。对该齿轮材料实施滚轧加工后在900℃实施热处理，得到表面具有如图1所示致密层的烧结齿轮。滚轧加工的滚轧余量，在齿面为0.09mm，在齿底面及刃顶面为0.02mm，滚轧压力为3ton。

样品1A的烧结齿轮，根据JIS Z2501中规定的测量方法测量整体密度的结果为7.0g/cm³。并且，对烧结齿轮的齿部的金属组织截面在200倍的放大倍数下进行拍照，并使用图像分析软件分析其图象，确定密度分布来计算出气孔率，其结果，致密层的气孔率(容积比)在最表面为2.5％，平均为5.0％，其内侧的芯部分的气孔率为13％。致密层的厚度，在齿面为1000μm，在齿底面及刃顶面为300μm，致密层与芯部分的界面没有段差而平滑。

另外，将样品1A的烧结齿轮固定到轴上，在齿轮的链轮齿上卷挂链条。在齿轮的旋转速度为8000rpm、链条负荷为29.4N·m的条件下旋转轴，驱动链条100小时。这期间，在距离齿轮100mm的位置固定麦克风进行噪音测定。并且，链条驱动结束后，测定齿轮的磨损量。噪音和磨损量的测定结果如表1所示。

<样品1B>

采用温热成形将原料粉末成形为与样品1A相同的链轮形状，在1195℃烧结，得到齿轮材料。对该齿轮材料在900℃进行热处理，得到样品1B的烧结齿轮。

对样品1B的烧结齿轮，采用与样品1A相同的测定方法测定整体密度的结果为7.2g/cm³。并且，采用与样品1A同样的分析方法检测烧结齿轮的齿部的金属组织截面的密度分布的结果，气孔率平均为12％。

另外，把样品1B的烧结齿轮固定到轴上，在与样品1A相同的条件下驱动链条100小时，这期间，在距离齿轮100mm的位置进行与样品1A相同的噪音测定。并且，在链条驱动结束后，测定齿轮的磨损量。噪音和磨损量的测定结果如表1所示。

表1

烧结齿轮	磨损量(gm)	噪音(dB)
			样品1A样品1B	860	7880

从表1可知，样品1A的烧结齿轮，与样品1B的烧结齿轮相比，尽管材料密度低，但耐磨损性能优异，同时静音性能也优异。而且，样品1A的齿轮的制造成本低。

实施例2

使用与实施例1相同的原料粉末，除了把滚轧加工中的滚轧余量在0.02～0.12mm范围适宜变更以外，按照与样品1A相同的方法进行成形、烧结、滚轧加工及热处理，分别制造在齿面、齿底面和齿顶面具有如表2所示厚度致密层的烧结齿轮(样品2A～2F)。

还有，除了成形体的链轮齿形状为如图3所示在齿根具有凹部以外，按照与样品2B相同的制造方法进行成形、烧结、滚轧加工及热处理，制造样品2B’的烧结齿轮。

样品2A～2F的烧结齿轮，使用与样品1A相同的测定方法测定整体密度的结果各自为7.0g/cm³。并且，使用与样品1A相同的分析方法从烧结齿轮的齿部的金属组织截面检测密度分布和气孔率的结果，所有样品的致密层的气孔率在最表面为2.5％，平均为5％，其内侧的芯部分的气孔率为13％。致密层与芯部分的界面没有断佐贺而平滑。还有，对样品2B’的烧结齿轮的金属组织截面进行分析，发现致密层的界面在齿面的致密层与齿底面的致密层的接触部分形成断差。

对样品2A～2F及2B’的烧结齿轮，分别进行三球式纵摇试验(three-balltype pitching test)，测定齿面的承载疲劳强度。并且，在齿轮的齿端面安装夹具，在齿轮的圆周方向以30Hz反复施加负荷，测定齿根破坏时的反复次数。根据负荷与破坏时的反复次数的关系，求出在10⁷次时还没有破坏的最大负荷来测定齿根弯曲疲劳强度。测定的结果如表2所示。

表2

烧结齿轮	致密层厚度(μm)	承载疲劳强度(MPa)	齿根弯曲疲劳强度(MPa)
				样品2A样品2B样品2C样品2D样品2E样品2F	10030050075010001500	280034003450350035503550	330333335339341341
样品2B’	300	3400	290

从表2可知，承载疲劳强度随着致密层厚度的增加而提高，特别是300μm以上的厚度时疲劳强度明显提高。但是厚度超过1000μm以后疲劳强度提高欠缺。从以上的结果可以看出，当齿面的致密层厚度在300～1000μm范围时，能够有效获得疲劳强度的提高效果。并且，可以确认如果致密层的界面成为断差状，则这一部分的疲劳强度就下降。

实施例3

使用与实施例1相同的原料粉末，除了把滚轧加工中的齿底的滚轧余量在0～0.06mm的范围适宜变更以外，按照与样品1A相同的方法进行成形、烧结、滚轧加工及热处理，分别制造齿底面具有的致密层厚度如表3所示不同的烧结齿轮(样品3A～3F)。

对样品3A～3F的烧结齿轮，使用与样品1A相同的测定方法测定整体密度的结果分别是7.0g/cm³。并且，使用与样品1A相同的分析方法检测烧结齿轮的齿部的金属组织截面的密度分布的结果，致密层的气孔率均为在最表面是2.5％，平均是6％，其内侧的芯部分的气孔率为13％。致密层与芯部分的界面没有段差而平滑。

把样品3A～3F的烧结齿轮各自固定在轴上，在与样品1A相同的条件下驱动链条100小时，这期间，在距离齿轮100mm的位置进行与样品1A相同的噪音测定。测定结果如表3所示。

表3

烧结齿轮	致密层厚度(μm)	噪音(dB)
			样品3A样品3B样品3C样品3D样品3E样品3F	0510150300400	808079787777

由表3可知，随着齿底的致密层的厚度增加，噪音水平下降，特别是大于等于10μm的厚度时，静音效果显著。并且，可以知道如果致密层的界面存在段差，则静音效果将减少。

产业利用的可能性

根据本发明，可以使用廉价的Fe-Cu-C系合金或Fe-Ni-Mo-C系合金等粉末得到强度及工作时的静音性优异的烧结齿轮。由于不必使用品质级别特别高的原料粉末，所以烧结齿轮的适用范围广阔，可以作为实现具备齿轮的装置的轻量化、制造成本的降低及静音化的方法而被利用。

Claims (8)

1.一种烧结齿轮，其为由具有金属基体和气孔的烧结合金构成的烧结齿轮，其特征在于，具有在齿的齿面以300～1000μm的厚度形成且将气孔率降低到10％或其以下的第一致密层、和在齿底面以10～300μm的厚度形成且将气孔率降低到10％或其以下的第二致密层，所述第一致密层的界面与所述第二致密层的界面连续为实质上没有段差。

2.根据权利要求1所述的烧结齿轮，其特征在于，进一步具有在所述齿的齿顶面以10～300μm的厚度形成且由所述烧结合金将气孔率降低到10％或其以下的第三致密层，所述第一致密层的界面与所述第三致密层的界面连续为实质上没有段差。

3.根据权利要求1所述的烧结齿轮，其特征在于，所述烧结合金为Fe-Cu-C合金或者Fe-Ni-Mo-C合金。

4.根据权利要求1所述的烧结齿轮，其特征在于，所述烧结合金的组成以质量比计为Fe-0.5％Ni-0.5％Mo-0.3％C。

5.根据权利要求1所述的烧结齿轮，其特征在于：整体密度为6.7～7.1g/cm³。

6.根据权利要求1所述的烧结齿轮，其特征在于，用于根据凸齿之间啮合的动力传送。

7.根据权利要求1所述的烧结齿轮，其特征在于，用作向链条进行动力传送的链轮。

8.根据权利要求1所述的烧结齿轮，其特征在于，所述烧结合金与所述第一及第二致密层的最表面的气孔率之差大于等于7％。

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