CN1846085A - 精密齿轮、其齿轮机构及精密齿轮的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属制精密齿轮及齿轮机构，其通过以往的树脂成形齿轮或工具钢金属齿轮中没有的新型材料齿轮，得到兼具高硬度、高强度、高表面平滑性，且加工性优良的高精度金属制精密齿轮及齿轮机构。该齿轮由以铁族元素的Fe、Co、Ni和Cu、Ti、Zr、Hf为主成分的3元或4元以上的组成的玻璃质金属合金构成，由XRD谱图在卤原子图案中显示宽阔的峰值且没有一定的规则性的无序组织形成模数0.2以下的精密齿轮。

Description

精密齿轮、其齿轮机构及精密齿轮的制造方法
技术领域
本发明涉及一种小型且高负荷、寿命长的精密齿轮、其齿轮机构以及精密齿轮的制造方法。
背景技术
在钟表或者微型齿轮传动马达等要求高精度的精密仪器中使用的精密齿轮中，模数超过0.2的金属制精密齿轮，可以通过以电火花加工和切削加工为主的、加压加工和轧制成形等各种手法，制造出具有优异的特性和精度的产品。
但是，对于模数为0.2以下的金属制齿轮，关系到精度上的问题或制造成本等问题，实际使用上很难适用电火花加工和切削加工或者加压加工和轧制成形。因此，通常广泛使用通过成型加工能够容易地制造出复杂且微小的结构的树脂制精密齿轮。
该树脂制精密齿轮价格便宜且可以大量生产，但是树脂一体成型加工品相比于金属材料，其机械强度和硬度非常低、对温度变化，容易产生尺寸及形状的变化、具有蠕变特性等，因此，绝对无法满足模数为0.2以下且信赖性高的超精密齿轮的制作。另外，相比于金属材料，表面硬度和抗拉强度非常小，且缺乏耐热性，对耐久寿命影响很大。
近年来，各种强化添加材料的开发不断地发展，已有很多树脂材料的机械强度也很优秀的物质被商品化，但是目前的现状是远远达不到以工具钢为首的实用的金属材料的水平。因此，越是高负荷用途，越期望金属材料制的精密齿轮。
金属材料中有可成型加工的作为压铸用合金的铝合金、镁合金以及铜合金，但是其抗拉强度为750MPa左右，与树脂相同非常低，另外，所得到的产品的表面粗糙度的精度为5μmRy左右，存在因结晶粒引起的不均匀收缩以及表面的尖凸部，不适合作为模数0.2以下的精密齿轮，期待出现具有与工具钢同等程度以上的机械强度的精密齿轮。
但是，由工具钢制造的精密齿轮是通过机械加工来制备的，因此，很难以低廉的价格大量生产。另外，非常难以确保加工精度，例如即便是硬度很高，部件的表面粗糙度对滑动等引起的材料的磨损影响很大，结果，产品的寿命变短。为了改善耐久性，也期望有抗拉强度更高且表面平滑性好的精密齿轮。
以往报告有形成表面平滑性好且模数为0.1的金属制齿轮(Proc.7th IEEEWorkshop on Micro Mechanical Systems，(1994)P343-348)和形成模数为0.01的金属制齿轮(Proc.IEEE 13th Int.Conf.on Micro Mechanical Systems，MEM2000，(2000)P288-293)的制造例。但它们是采用了LIGA工艺，并进一步通过锻造加工或塑性加工来形成的。
此外，提出有考虑了大量生产的含金属制齿轮形状体的制造方法及其装置(日本专利公开公报：特开平10-296424号)，但没有公开对齿轮的样子和评价的详细情况。
形成在玻璃质金属组织或者玻璃质金属组织中具有100nm以下的纳米结晶的金属组织的合金成分已经被提示(日本专利公报：特开2000-345309号，特开2001-316784号公报，特开2002-256401号，特开2000-54089号，特开2001-40460，特开2000-129378号，特公平07-122120号，特开平08-74010号，特开2000-160308号)。但是还没有提出使用了考虑大量生产的制造方法的、具有0.2以下的模数、2μmRy以下的表面平滑性的齿轮。
进一步，公开了基于具有高强度的烧结块体的制造方法，来制造出齿轮形状的部件的方案(日本专利公开公报：特开平11-71602号公报)，但是，因为在烧结时引起粉末间的缝隙量的体积收缩，所以很难得到尺寸精度。另外，在烧结成形的部件中具有空孔，容易产生视为因该空孔引起的裂纹，就算提高填充率，与金属本来的强度相比，也无法否认强度的降低。作为要求有高负荷、高信赖性的精密齿轮的用途，希望形成没有空孔的均匀的组织。
作为构成复杂形状的超精密齿轮之一的精密行星齿轮减速机中使用的恒星轮，如图1所示，在轮的一侧设置有恒星齿轮，在相反侧设置有3个与行星齿轮啮合的销。以往的恒星轮由加压加工了Fe系材料的轮和切削、切齿加工了Fe系棒材的恒星齿轮、切削加工了Fe系棒材的3根销的3种、5个部件构成，通过压入进行各种结合。
通过压入进行的结合必须要极其高精度地精加工压入部分的孔和轴的直径和表面粗糙度，因此，从产品的信赖性方面考虑，必须要有彻底的部件管理和工程管理。另外，因为销本身非常小，压入时的操作性、组装性并不容易，是需要熟练工的工序。对于轮和恒星齿轮的压入结合，也需要有对作为产品使用的最大负荷扭矩具有充分余量的旋转强度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明目的在于通过以往的树脂成形齿轮或工具钢金属齿轮没有的新型材料齿轮，得到兼具有高硬度、高强度、高表面平滑性且加工性优良的高精度金属制精密齿轮及齿轮机构。
本发明人发现，在由以铁族元素的Fe，Co，Ni以及Cu，Ti，Zr，Hf为主成分的3元或4元以上的组成的玻璃质金属合金构成的齿轮中，可以形成具有与工具钢匹配的强度、且最大限度地体现了优异的加工性和机械性质、动态特性的模数0.2以下的精密齿轮。本发明所述由玻璃质合金构成的齿轮的特征在于，由XRD图案显示卤原子图案(halo pattern)、即显示宽的峰值的没有一定规则性的无序组织形成。
使用了这些的本发明所述精密齿轮，根据其工艺，可以至少在表面粗糙度为2μmRy、尺寸精度为±5μm的范围内制造，对能够精度优良地制造出加工性以及机械性质、动态特性优异的模数0.2以下的精密齿轮非常有用。
模数0.2以下的精密齿轮，需要使面压分布均匀，极力抑制局部应力的产生。本发明所述精密齿轮通过改善表面粗糙度以及尺寸精度，能够实现可润滑地进行齿轮传递，且损失小、耐久性高的齿轮。
模数越小的精密齿轮，改善表面粗糙度引起的效果越显著，但是，由于本发明的精密齿轮使用了由玻璃质构成的金属材料，因此，能够制造出没有精密级的边缘部位的极其缓和的凹凸面，由此，齿轮的压力分布变得均匀，抑制了微观损失等的损坏，发现了对耐久性的效果。
本发明所述精密齿轮与由具有规则性的结晶金属制造的精密齿轮不同，是没有方位性的无序结构，因此对来自所有方向的外部应力具有强的结构。由此，得到了没有裂纹、没有缺陷的超精密且信赖性高的齿轮。
进而，作为工具钢的替代物，具有维氏硬度为Hv500(相当于洛氏硬度HRc49)、抗拉强度为1500MPa以上中的任意一种性质的齿轮极其有用，尤其优选满足两者的齿轮。
在以上所示的由玻璃质金属合金构成的精密齿轮中，在本发明所述由M100-nTMn(但是，M是Fe，Co，Ni，Cu，Ti，Zr，Hf中的一种或者两种以上元素，TM是由至少含有两种以上由3，4，5，6，8，9，10，11族构成的过渡金属元素(但排除适用于M的元素)、以及由13，14，15族构成的典型元素的群组构成，n为5原子％以上或50原子％以下)构成的3元或4元以上的组成的玻璃质金属组织构成的模数0.2以下的精密齿轮中，若n不足5原子％，则难以得到由玻璃质金属形成的精密齿轮，因此不理想。
即使n超过50原子％，也能够充分得到由玻璃质金属形成的精密齿轮，但容易出现硬度以及强度的降低，或者尺寸精度的降低，故不理想，因此n限定在5原子％以上50原子％以下的范围。
另外，TM优选含有Cr，Mo，Zr，Hf，Nb，Al，Sn，B中的任意一种或两种以上，通过导入这些成分，能够抑制因结晶化引起的无序结构的秩序化，能够提供更热稳定的、信赖性高的精密齿轮。通过满足以上的条件，成功地形成了加工性以及机械性质、动态特性优异的金属制精密齿轮，进而得到构成了它的齿轮机构。
其中，在本发明中，主成分为Cu的精密齿轮显示出1800MPa以上的抗拉强度和超过3.5％的非常大的延伸率，判定为高强度且耐破坏性非常优秀。上述以Cu为主成分的耐破坏性优秀的金属制精密齿轮由CupTiqM1100-p-q(但是，M1由Hf、Zr、铁族、白金族、贵金属(11族)、Al、Sn、Zn中的任意一种或两种以上元素构成，p为50原子％以上65原子％以下、q为2原子％以上20原子％以下)构成。
若p不足50原子％，则导致硬度以及强度的降低，若超过65原子％，则会丧失耐破坏性，故不理想。另外，若q不足2原子％，则导致延伸率极限的降低，若超过20原子％，则难以得到作为本发明齿轮中大的特征的优异的表面平滑性，故不理想。另外，为了不丧失耐破坏性，优选在M1中含有10原子％以上40原子％以下的Hf或Zr，更优选含有20原子％以上35原子％以下。
进一步，在本发明中，主成分为Ni的精密齿轮的所有构成元素为过渡金属元素，因此粘结性强，且以Ni为主成分，因此，具有高的硬度和抗拉强度。以该Ni为主成分的高强度金属制精密齿轮由Ni100-s-t-uNbs(Zr，Hf)tM2u(但M2由Ti、铁族、白金族、贵金属(11族)中的一种或两种以上的元素构成，s是10原子％以上25原子％以下，t是5原子％以上20原子％以下，u是5原子％到25原子％以上，t和u之和为10原子％以上35原子％以下)构成。尤其优选M2中含有5原子％以上20原子％以下的Ti。
Ni-Nb系在氧化环境中形成绝缘体膜，是一种极难因氧化引起材料的老化的材料。但是，在本发明中的最大的优点是能够形成无润滑的齿轮机构，该无润滑的齿轮机构可最大限度地发挥没有因润滑油的粘性引起的阻力的动态特性。本发明的金属制精密齿轮是用于形成无润滑的齿轮机构所需的必要的精密齿轮。
在这里，即使是s比最大值大15原子％，t、u分别比最小值小或者不存在时，也能够由玻璃质金属实现精密齿轮，但是，在已知的制造方法中加工条件变得非常严格，很难得到优异的尺寸精度和表面精度。若在无润滑条件下使用，则表面粗糙度的影响很大，因此，限定了2μmRy以下的能够得到充分的复制性的范围。
接着，在本发明中，主成分为Fe的精密齿轮具有在本发明的齿轮中最硬质且很难产生弹性变形的齿。该硬质且很难产生弹性变形的组成由式Fe100-x-yM3xM4y(但是，M3是3，4，5，6族构成的过渡金属元素中的任意一种或两种以上元素，M4由Mn，Ru，Rh，Pd，Ga，Al，Ge，Si，B，C中的任意一种或两种以上的元素构成，x是2原子％以上35原子％以下，y是5原子％以上30原子％以下)构成。
在M3元素中不合有6族元素的情况中，优选20原子％以下，另外，在M4中有B的情况下，优选15原子％以上。M3、M4都是用于容易地形成本发明精密齿轮的必要元素，但尤其M3是用于提高耐热性的重要元素。若x大于35原子％或小于2原子％，则得不到对耐热性的贡献，另外，若y大于30原子％或者小于5原子％，则尺寸精度、表面平滑性显著降低，故不理想。
在本发明中，特别是在制造组成分为Fe的精密齿轮时，通过用Co及M取代一部分Fe，发现熔点的降低和熔融金属的粘度的降低，虽然硬度和强度稍微有所降低，但明确了能够得到尺寸精度和表面平滑性更优秀的精密齿轮。
用Co及M取代主成分Fe时，由(Fe1-a(Co，Ni)d)100-x-yM3xM4 y构成，Fe和Co及Ni的混合比a为0.1以上0.7以下，优选0.2以上0.6以下。当不足0.1时，添加Co及Ni而产生的熔点的降低效果几乎没有，若超过0.7，则得不到Fe对强度起到的作用。
进一步，在本发明的金属制精密齿轮中，尤其是M4由含有Si，B的元素群构成的情况下，实际试验明确了以Fe为主成分的精密齿轮以及用Co及Ni取代了一部分Fe的精密齿轮，不仅价格便宜，这些准金属成分的存在更显著地抑制了对负荷的弹性变形，这表明是担心模数0.2以下的薄壁齿轮在啮合前后产生的齿的弯曲在本发明精密齿轮中为最小的理想的齿轮。
另外，表明了表面平滑性也极其良好，且在本发明的金属制精密齿轮中也有利于更小型化。此时，优选Fe，Co，Ni的含量的总和为70原子％以上，M3的含量为2原子％以上10原子％以下，当M3的含量不足2原子％或者超过10原子％时，很难得到优秀的精度及表面平滑性，故不理想。
在本发明中，主成分为Zr或Hf的精密齿轮，在本发明的齿轮中，过冷却液体温度区域宽，冷却速度比较低，具有容易得到复杂形状的特征，判断出能够得到尺寸精度和表面平滑性更优秀的精密齿轮。
以Zr或Hf为主成分的精密齿轮由(Zr，Hf)aM5bM6c(但是M5是3，5，6族以及铁族、白金族、贵金属(11族)、Ti、Mn中的任意一种或两种以上的元素，M6由Be、Zn、Al、Ga、B、C、N中的任意一种或两种以上的元素构成，a为30原子％以上70原子％以下，b为15原子％以上65原子％以下，c为1原子％以上30原子％以下)构成，表面硬度约为Hv500，在至今为止的精密齿轮中最低，但是在主成分中具有耐腐蚀性高的元素(Zr，Hf)，所以能够在屋外或腐蚀环境等中使用，在本发明齿轮中，可以由生物体毒性最低的元素形成齿轮，故有望在医疗用途中使用。
若a不足30原子％，则优秀的耐腐蚀性会丧失，若超过85原子％，则无法得到尺寸精度以及表面平滑性，故不理想。另外若b和c超出规定的值，则容易在齿部产生填充不良，对耐久性有影响，故不理想。
在本发明中，主成分为Ti的精密齿轮，相继以Fe族为主成分的精密齿轮，具有高的强度，另外，因为Ti的比重低，所以在本发明的齿轮中变得更轻，表明能够得到启动时扭矩损失最低的齿轮机构。进而，判断为对在形成偏心了的齿轮机构时随着重心摆动产生的震动的抑制起到重要的作用的齿轮。
上述以Ti为主成分的精密齿轮由Ti100-i-j-kCuiM7jM8k(但是、M7为由Zr、Hf、铁族、白金族构成的过渡金属元素中的一种以上元素，M8为3，5，6族以及Al，Sn，Ge，Si，B，Be中的两种以上元素，i为5原子％以上35原子％以下，j为10原子％以上35原子％以下，k为1原子％以上20原子％以下)构成。
若i，j不足规定的最小原子％，则难以得到优秀的表面平滑性，若超过最大原子％，则由于比重的增加，以Ti为主成分的优越性消失，故不理想。另外，若k不足1原子％，或者大于20原子％，则很难得到齿轮形状本身，故不理想。
一般来说，在玻璃质中具有结品的金属组织中，玻璃质金属材料所具有的所谓高强度的机械性质变得降低。但是，只要玻璃质金属的体积比为50％以上，则几乎看不到机械性质的变化。另外，就算结晶的体积比超过50％以上，在结晶尺寸小的情况下，具体地说就算存在100nm的结晶粒，也几乎看不到机械性质的变化。
已知在具有优秀的韧性和延展性的结晶粒混合存在于玻璃质金属的基质时，可提高机械性质，此时的结晶尺寸优选为20nm以下。若超过100nm，则对齿轮的表面粗糙度产生不良影响。因此，混合存在于玻璃质金属的基质中的结晶粒优选为100mm以下。
另外，硬度越高，越发现显著的脆化，对点蚀等的齿轮表面疲劳的耐性产生极坏影响是即知的事实。尽管如此，本发明的精密齿轮具有杨氏模量低的性质，因此尽管其大部分都具有高的硬度，但是对点蚀等的齿轮表面疲劳的耐性也很优秀。
为了显著地发现该效果，齿轮材料中含有的非金属元素的量优选为30原子％以下，在25原子％以下的情况下，表明了在以更硬质的Fe为主成分的齿轮中，到屈服或者破断为止的弯曲度为1.5％以上，判断能够形成柔韧的精密齿轮。
如以上所述，只要是本发明的精密齿轮，与以往公知的齿轮相比，尺寸精度、表面平滑性以及机械性质优秀，能够得到可以简单的工序形成的模数为0.2以下的精密齿轮。
在此，在形成本发明所述模数0.2以下的精密齿轮时，与该无序结构的稳定性无关，为了抑制来自液体的体积收缩，至少需要300℃/秒以上的冷却速度，通过满足该条件，能够引出本发明精密齿轮的性质。优选冷却速度为104℃/秒以上。但是，在铸造成形中，若冷却速度达到107℃/秒以上，则在齿轮的形成中有被固化的现象，而很难填充到铸型中，其结果，表面粗糙度和尺寸精度显著降低。
根据本发明，能够得到兼具有高硬度、高强度、高表面平滑性，且加工性优良的高精度金属制精密齿轮以及齿轮机构，作为行星齿轮减速机具有与以往的工具钢同等程度以上的一般特性，能够实现消音性优异的产品。另外，根据本发明的精密齿轮对外部应力具有强的结构，因此难以产生裂纹、缺口，进而形状精度优越，故信赖性高，作为产品的耐久寿命，有望大范围地提高。进而根据本发明，没有了各部件的组装工序，而能够一体成形，故能够减少图2所示的工序数，进而无需组装精度的研究。
附图说明
图1是本发明所述行星齿轮的分解立体图。
图2是表示以往和本发明行星齿轮的工序的说明图。
图3是使用了加压铸造成形装置的恒星轮的制作概略图。
图4是热循环流程图。
图5是本发明的恒星轮的放大侧面照片。
具体实施方式
在本发明所述齿轮的制作对象中，作为加工性以及机械性质、动态特性优异的机械部件之一例，选择了在行星齿轮减速机中具有复杂形状的精密齿轮结构体的一例的模数0.04的恒星轮。
图1表示安装了由本发明形成的恒星轮的行星齿轮减速机的分解图。在这里，1为齿轮箱，在内周面形成有内齿轮。2为轴承，固定在齿轮箱1上，可自由旋转地轴支撑输出轴轮3。4为小齿轮，被固定在未图示的电动机的轴上。
通过未图示的电动机的驱动，小齿轮4旋转，可自由旋转地插入到恒星轮5a的轴上的3个行星齿轮6a旋转。该行星齿轮与齿轮箱1的内齿轮同时啮合，恒星轮5a在与小齿轮4相同的方向上一边减速一边旋转。
接着，通过恒星轮5a的恒星齿轮的旋转，可自由旋转地插入到恒星轮5b的轴上的3个行星齿轮6b旋转。该行星齿轮与齿轮箱1的内齿轮同时啮合，恒星轮5b一边进一步减速，一边旋转。同样地依次传递动力，最终输出轴轮3旋转。
在实施本发明之际，因考虑了大量的生产，所以选择了加压铸造成形装置。图3表示了该制造装置的概略图。为了更简明地表示本发明所需的机构，在概略图中省去了所谓水冷却机构和真空排气系统以及切断工具的复杂机构。
在11的套筒外周面具有高频线圈12，套筒11中的金属通过高频介质加热变成熔融金属13。在装置中设置有观察熔融金属13的窗口，熔融金属13的温度可以通过目视或者放射温度计来进行测量。可以在装置上隔着套筒11设置热电偶，来更准确地测量温度，但是在此次的实施中，采用了放射温度计，而没有采用热电偶。
在熔融金属的下方保持熔融金属的挤压头14和套筒11在射出时以最大4m/秒的速度共同上升，将熔融金属13经由铸型15中的流道输送到内腔部16中。内腔16被金属板17充分固定，通过将熔融金属填充到被形成为产品形状的内腔部16，来使之精密地成形。
熔融金属通过充分冷却至常温的铸型以及内腔以103～104℃/秒左右的速度迅速冷却凝固。在铸型以及内腔中使用热作工具钢(SKD-1)，根据需要，可以在内腔部16实施平滑的简易涂覆，另外，内腔可以相互分解，是充分考虑了离形的结构。正在迅速冷却凝固中的压力根据挤压头的油压不同，但是设定成产品表面的压力为1MPa左右。
在制作内腔部16之际，实施电火花加工、滚磨以及化学抛光加工，将恒星齿轮部的齿面粗糙度控制在1μmRy以下，将轴部的表面粗糙度控制在0.5μmRy以下。铸型的表面粗糙度可以采用非接触式的测量来进行调查，该测量采用具有表面粗糙度测量功能的广角共焦显微镜来进行确认。
作为比较例，在表1中表示了对由本发明得到的上述齿轮结构体和以往的齿轮结构体进行试验评价的结果。尺寸误差是通过工具显微镜测量了齿轮内周直径的尺寸误差。齿面粗糙度采用非接触式粗糙度测量方法进行测量，表面硬度采用显微维氏硬度计以100g～1kg的负荷进行了测量。进一步，抗拉强度是使用附属有分析功能的台式抗拉试验仪，以0.2mm的宽度固定厚度为相当于齿的壁厚的60μm、宽度为50μm的箔体来进行测量的。
进一步，将使用了上述恒星轮的行星齿轮减速机安装到φ2mm无刷电动机，考虑到实际使用环境，在图4的条件中增加了热循环，进行48小时的连续运转试验，调查有无变形或动作异常。有无变形可以通过在工具显微镜中对照投影图案图面和齿轮来进行判断，偏出到标准形状外的判断为有变形。
表1中的XRD图案采用微小X线衍射装置进行测量，判断出有表示卤原子图案(halo pattern)的(G)、在卤原子图案中混合存在有峰值的(G+C)、完全显示结晶的图案的(C)。其中，(G)为表示非晶质的标记，(C)为表示结晶的标记。
表1
Figure A20048002523100161
实施例A～G是形成主成分为Fe，Co的精密齿轮的例子。特别是在Fe100-x-yM3xM4y中，M4由Si，B构成的实施例A在本发明的齿轮中硬度最高，另外，尺寸精度和表面粗糙度也非常良好。进而，通过用Co和Ni取代了实施例A中的一部分Fe，且使作为M3元素的Nb量适当化了的实施例B、C，能够形成大大改善了形状精度及表面粗糙度的高效率且低磨损性的齿轮。具有白金族的实施例D能够形成弯曲应变极限大，且改善了截至破断为止的耐破坏性被的齿轮。
实施例A～G中的任意一个均能形成Hv1000、抗拉强度为3000MPa左右、延伸率为1.6％以上、非常硬且强度高、且相对应力的弯曲应变量小的难以产生弹性变形的精密齿轮，其结果，在使用了本发明的齿轮的超精密齿轮机构中，能够得到具有最理想的动态特性的齿轮机构。
实施例H、I是形成了以Ni为主成分，且所有的构成元素由过渡金属元素构成的精密齿轮的例子。若与已知的金属齿轮的诸多性质进行对比，即使与以Fe，Co为主成分的精密齿轮相比，具有完全不逊色的硬度和强度，能够形成弯曲应变极限大的精密齿轮。
利用Ni-Nb系材料所具有的优异的耐腐蚀性，尝试了在无法使用润滑油的海水中的适用，在过饱和地添加了食盐的水温40℃的食盐水中，追加进行了行星齿轮减速机的耐久动作试验，但是，试验前后，完全没有发现诸多特性的变化，另外，所有的齿轮均没有发生变化，能够得到可适用于海水中的齿轮机构。
实施例J，K是形成了以Ti为主成分的精密齿轮的例子。使用了这种以Ti为主成分的齿轮的齿轮机构在启动时，扭矩的损失小，所以齿轮机构整体的反应速度提高了5％左右，能够得到反应良好的齿轮机构。
实施例L，M是形成了以Cu为主成分的精密齿轮的例子。在本发明中，显示了最大的延伸率，能够形成具有超过以往材料的1500MPa的均达到1850MPa以上的抗拉强度的精密齿轮。特别是实施例L的延伸率极限达到了3.9％非常大，得到了在本发明中耐破坏性最优秀的精密齿轮。其结果，能够得到对破坏性动作缺陷的信赖性极高的齿轮机构。图5是由扫描型电子显微镜得到的一体型恒星轮L的侧面放大照片。7是恒星齿轮，8是托盘，9是3根轴。
实施例N，O，P是形成了以Zr，Hf为主成分的精密齿轮的例子。其在本发明中均为易加工性最优异的精密齿轮，能够形成以对表面粗糙度、尺寸误差以及酸的耐性强且生体适应性高的成分为中心的精密齿轮，进而能够形成使用了该精密齿轮的齿轮机构。
如上所述，本发明的精密齿轮具有各种优异的特征，通过组合利用这些优异的性质，能够得到更优良的齿轮机构。
比较例1a～1c是形成了以Fe，Co为主成分的本发明对象以外的精密齿轮的例子。准金属元素量比30原子％多的例1a在离形时的阶段无法成形，在M100-nTMn中，n不足50原子％的比较例1b以及1c(进而，在比较例1b的Fe100-x-yM3xM4y中x超过20原子％)在离形时受损，无法得到目的齿轮。
比较例2d～2f是形成了以Ni为主成分的本发明对象以外的精密齿轮的例子。在Ni100-s-t-uNbs(Zr，Hf)tM2u中，s不足10原子％的比较例2d在离形时受损，无法得到目的齿轮。另外，虽然s超过25原子％的比较例2e为玻璃质且形成了接近于齿轮的形状，但是无法得到2μmRy以下的优异的表面平滑性，另外，无法填充到齿顶，而无法得到标准的齿形，因此，无法插入到齿轮中，使之动作。
进而，在Ni100-s-t-uNbs(Zr，Hf)tM2u中，虽然t和u之和为35原子％以上的比较例2f也为玻璃质且能够形成接近于齿轮的形状，但是无法得到2μmRy以下的优异的表面平滑性，另外，无法填充到齿顶，而无法得到标准的齿形，因此，无法插入到齿轮中，使之动作。
比较例3g是形成了以Ti为主成分的本发明对象以外的精密齿轮的例子。在Ti100-i-j-kCuiM7jM8k中，k为20原子％以上的例3g在离形时受损，无法得到目的齿轮。另外，虽然i不足5原子％的例3h和j不足10原子％的例3i也为玻璃质且能够形成接近于齿轮的形状，但是无法得到2μmRy以下的优异的表面平滑性，另外，无法填充到齿顶，而无法得到标准的齿形，因此，无法插入到齿轮中，使之动作。
比较例4j，4k是形成了以Cu为主成分的本发明对象以外的精密齿轮的例子。在CupTiqM1100-p-q中，虽然q不足2原子％的比较例4j为玻璃质且表面平滑性也非常良好，但是离形时部分齿受损，无法得到目的齿轮。p超过65原子％的例4k在离形时也会有部分齿受损，而无法得到目的齿轮。
比较例5l是形成了以Zr为主成分的本发明对象以外的精密齿轮的例子。在(Zr，Hf)aM5bM6c中，虽然b不足15原子％的比较例5l为玻璃质且形成接近于齿轮的形状，但是无法得到2μm Ry以下的优异的表面平滑性，另外，无法填充到齿顶，而无法得到标准的齿形，因此，无法插入到齿轮中，使之动作。
比较例6m，6n是关于以La，Pd为主成分且制造方法已被公开的精密齿轮的例子。其均能够得到易加工性，良好的尺寸精度以及表面粗糙度。
但是，以La为主成分的比较例6m在安装试验后，产生视为因软化引起的变形的显著的齿形变形，还产生动作异常，事实上无法应用于精密齿轮中。以Pd为主成分的比较例6n也产生齿形变形，但是与比较例6m不同，其特征是产生摩擦了黏土那样的齿形变形。对尺寸精度的影响相比于比较例6n小，但是在啮合时，因变形而产生卡住的现象，而不适用于施加高负荷的精密齿轮。
比较例7o，7p是由主成分为通过烧结得到的Fe的玻璃质金属构成的精密齿轮的例子。如事先预料到的那样，相比于经迅速冷却凝固熔融金属得到的本发明的精密齿轮，强度明显小，多处发现视为崩刃的崩齿现象，很难适用于实用材料。
比较例8q，8r是使用了已有的铸造用结晶金属材料的例子。用Fe系结晶合金的比较例8q尝试了成形，但无法填充到铸型中，无法得到目的齿轮。另外作为Al系的压铸结晶合金的比较例8r在离形时变形，无法得到目的齿轮。
比较例9s，9t是由树脂材料形成的例子。由常用的树脂材料构成的例9s的齿轮和由玻璃纤维强化树脂构成的例9t的齿轮均出现了齿形的变形，作为用途，被限定在低负荷的环境中。
比较例10u，10v是将一般的Fe系金属材料用现行的恒星轮的制造方法制造了的例子。在具有代表性的不锈钢的比较例10u中，确认出现了因强度不足引起的视为塑性变形的齿的压垮现象，到底不及本发明的齿轮。作为一般工具的比较例10v是与现行齿轮中采用的材料最接近的材料。
在表2中表示了在经过上述流程制造的恒星轮中，表面复制性最良好的本发明例的恒星轮B和通过工具钢的切削加工进行组装的以往产品(相当于比较例10v)的组装试验前的表面粗糙度的比较结果。表面粗糙度通过其焦显微镜测量相同的个数，括号外的数值表示实测值的平均值，括号内的数值表示最大值和最小值之差。
表2
  测量项目   测量装置   本发明产品   以往产品
  表面粗糙度[μm]   表面粗糙度[μm]
齿面 共焦显微镜   1.3(0.2)   2.5(1.0)
销表面 共焦显微镜   0.4(0.0)   0.6(0.4)
轮面 共焦显微镜   1.8(0.2)   3.0(0.7)
进一步，将使用了上述恒星轮的行星齿轮减速机安装到φ2mm无刷电动机上。φ2mm电动机的电路电压为4V，电动机驱动电压为3V，端子间电阻为110.6Ω，行星齿轮减速机的齿轮比为18∶1。在表3中表示了通过安装试验得到的特性数据。通过将本发明精密齿轮中的一例的恒星轮适用于行星齿轮减速机，能够得到与现行的行星齿轮减速机相同程度以上的一般特性。另外，也能够减轻齿轮彼此啮合时产生的特有的金属音。
表3
  启动扭矩Ts[mNm]   无负荷转数N0[rpm]   无负荷电流I0[mA]   金属音
  本发明产品   0.064   3650   9   听不到
  以往产品   0.058   2900   12   稍有
产业上的可利用性
本发明的齿轮比原有齿轮更小型，且能够适用于要求强度、耐磨损性、润滑性的结构部件

Claims (18)

1、一种精密齿轮，其特征在于由模数0.2以下的齿轮构成，该齿轮由体积比为50％以上的玻璃质金属组织形成。
2、一种精密齿轮，其特征在于由模数0.2以下的齿轮构成，该齿轮由在玻璃质金属组织中具有100nm以下的纳米结晶的金属组织形成。
3、如权利要求1或2所述的精密齿轮，其特征在于由具有维氏硬度为Hv500(相当于洛氏硬度HRc49)以上、抗拉强度为1500MPa以上中的至少一个性质的齿轮构成。
4、如权利要求1至3中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于由表面粗糙度为2μmRy以下的齿轮构成。
5、如权利要求1至4中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于其为由恒星齿轮和托盘构成的恒星轮。
6、一种齿轮机构，其特征在于由权利要求1至5中任意一项所述的精密齿轮构成。
7、如权利要求6所述的齿轮机构，其特征在于其为行星齿轮减速机。
8、如权利要求1至5中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于由M100-nTMn(但是，M为Fe、Co、Ni、Cu、Ti、Zr、Hf中的一种或两种以上元素；TM由必须含有1原子％以上的Cr、Mo、Nb、Al、Sn、B中的任意一种或两种以上元素，剩余由包含由3、4、5、6、8、9、10、11族构成的过渡金属元素(但排除Cr、Mo、Nb及适用于M的元素)以及由13、14、15族构成的典型元素(但排出Al、Sn、B)的群组构成，n为5原子％以上50原子％以下)构成。
9、如权利要求1至5中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于由CupTiqM1100-p-q(但是，M1由Hf、Zr、铁族、白金族、贵金属(11族)、Al、Sn、Zn中的任意一种或两种以上元素构成，p为50原子％以上65原子％以下，q为2原子％以上20原子％以下)构成。
10、如权利要求1至5中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于由Ni100s-t-uNbs(Zr，Hf)tM2u(但是，M2由Ti、铁族、白金族、贵金属(11族)中的任意一种或两种以上的元素构成，s为10原子％以上25原子％以下，t为5原子％以上20原子％以下，u为5原子％至25原子％以下，t和u之和为10原子％以上35原子％以下)构成。
11、如权利要求1至5中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于由Fe100-x-yM3xM4y(但是，M3为由3、4、5、6族构成的过渡金属元素中的任意一种或两种以上元素，M4由Mn、Ru、Rh、Pd、Ga、Al、Ge、Si、B、C中的任意一种或者两种以上的元素构成，x为2原子％以上35原子％以下，y为5原子％以上30原子％以下)构成。
12、如权利要求1至5中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于由(Fe1-a(Co，Ni)a)100-x-yM3xM4y(但是，M3为由3、4、5、6族构成的过渡金属元素中的任意一种或两种以上的元素，M4由Mn、Ru、Rh、Pd、Ga、Al、Ge、Si、B、C中的任意一种或者两种以上的元素构成，a为0.1以上0.7以下，x为2原子％以上35原子％以下，y为5原子％以上30原子％以下)构成。
13、如权利要求11或12所述的精密齿轮，其特征在于M4中必含有B。
14、如权利要求1至5中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于由(Zr，Hf)aM5bM6c(但是，M5为3、5、6族以及铁族、白金族、贵金属(11族)、Ti、Mn中的任意一种或者两种以上的元素，M6由Be、Zn、Al、Ga、B、C、N中的任意一种或两种以上元素构成，a为30原子％以上70原子％以下，b为15原子％以上65原子％以下，c为1原子％以上30原子％以下)构成。
15、如权利要求1至5中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于由Ti100-1-j-kCuiM7jM8k(但是，M7为由Zr、Hf、铁族、白金族构成的过渡金属元素中的任意一种或两种以上元素，M8为3、5、6族以及Al、Sn、Ge、Si、B、Be中的任意一种或者两种以上元素，i为5原子％以上35原子％以下，j为10原子％以上35原子％以下，k为1原子％以上20原子％以下)构成。
16、如权利要求1至5中任意一项所述的精密齿轮，其特征在于其以300℃/秒以上107℃/秒以下的冷却速度形成。
17、一种精密齿轮的制造方法，其特征在于通过以压铸法为代表的熔融金属的射出成形，来形成权利要求1～15中的任意一项所述的精密齿轮。
18、一种精密齿轮的制造方法，其特征在于在粘性流动温度区域，通过超塑性锻造成形，来形成权利要求1～15中的任意一项所述的精密齿轮
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