DE60116760T2

DE60116760T2 - Gesintertes zahnrad

Info

Publication number: DE60116760T2
Application number: DE60116760T
Authority: DE
Inventors: Akira Wako-shi Fujiwara
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: EP1344840B1; BR0107374B1; JP2002129295A; US20030061904A1; BR0107374A; CN1394238A; CA2390254A1; WO2002034957A1; JP3698409B2; EP1344840A1; DE60116760D1; CA2390254C; CN1143006C; EP1344840A4; TW499375B; US6670048B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein gesintertes Zahnrad, das beispielsweise geeignet ist als ein Zahnrad für eine Nockenwellensynchronisierungskette für ein Kraftfahrzeug, etc., und betrifft ein Herstellungsverfahren hierfür.
Dass ein oben beschriebenes Zahnrad beispielsweise ein Zahnrad ist, das in der ungefähren Form eines Zahnrads durch Schmieden gepresst worden ist, durch Maschinenbearbeitung vollendet wird und dann der Karburierung und dem Härten ausgesetzt ist, ist bekannt. Obwohl die Präzision der Zahnoberflächen und die Oberflächendruckbeständigkeit höher sind, gibt es bei einem solchen Zahnrad ein Problem, dass die Produktionskosten aufgrund des ausgeführten Pressprozesses relativ hoch sind. Ferner ist auch ein kostengünstiges Zahnrad bekannt, welches aus einem Plattenmaterial durch Wälzen bzw. Pressen ausgestanzt wird und der Karburierung und dem Härten unterworfen wird. Obwohl bei einem solchen Zahnrad die Oberflächendruckbeständigkeit ausreichend ist, gibt es Probleme dahingehend, dass die Produktionskosten kaum verringert werden, da bei Pressbrüchen ein maschinenbearbeitender Prozess notwendig ist, und zusätzlich dahingehend, dass die Präzision der Zahnoberflächen aufgrund des durch den Wälz- bzw. Pressprozess hervorgerufenen Deformierens geringer ist. Ferner ist auch ein Zahnrad bekannt, das dem Karburieren und Härten unterworfen wird, nachdem gesintertes Material einem Nachpressprozess unterworfen war. Obwohl bei einem solchen Zahnrad die Präzision der Zahnoberflächen und die Produktionskosten vorteilhaft sind, gibt es ein Problem, dass die Oberflächendruckbeständigkeit geringer ist.
Wie oben beschrieben, weisen konventionelle Zahnräder sowohl Vorteile als auch Nachteile auf, und ein Zahnrad, bei dem die Oberflächendruckbeständigkeit, die Präzision der Zahnoberflächen und die Produktionskosten vorteilhaft sind, ist gewünscht.
US 5,049,183 behandelt ein Herstellungsverfahren eines gesinterten Maschinenteils, das zusammengesetzt ist aus 0,1 bis 0,8 Gew.% C, 2 bis 6 Gew.% Ni, 0,6 bis 1,6 Gew.% Mo, 1 bis 3 Gew.% Cu und als Rest Fe.
Im Falle eines Zahnrads, das aus einem gesinterten Material hergestellt ist, wird, obwohl es ein Problem bei der Oberflächendruckbeständigkeit gibt, wie oben beschrieben, die Oberflächendruckbeständigkeit durch Hohlräume reduziert, welche unausweichlich innerhalb des Materials vorhanden sind. Um die Oberflächendruckbeständigkeit zu verbessern, wird in Betracht gezogen, die Dichte zu erhöhen, und die nachfolgenden Verfahren werden für diesen Zweck betrachtet. Zuerst wird ein Grünling vorgesintert und einem Nachpressen unterworfen. Als Nächstes wird das vorgesinterte Material durch Pressen verdichtet und gesintert und einem Nachpressen unterworfen. Dann werden dieses Druckverdichten und Nachpressen zwei Mal ausgeführt, wodurch die Dichte des Zahnrads erhöht werden kann. Das Erhöhen der Dichte ist allerdings auch bei einem solchen Herstellungsverfahren mit vielen Prozessen eingeschränkt, und die Oberflächendruckbeständigkeit der Zahnoberfläche war ungenügend. Obwohl die Dichte durch Schmieden am gesinterten Material erhöht wird und die Oberflächendruckbeständigkeit hierdurch verbessert wird, gibt es das gleiche Problem wie oben, dass die Produktionskosten relativ hoch sind.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gesintertes Zahnrad bereitzustellen, welches die Oberflächendruckbeständigkeit ohne einen teuren Schmiedeprozess verbessern kann, und ein Herstellungsverfahren hierfür bereitzustellen.
Ein gesintertes Zahnrad der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Fe- basierten, gesinterten Legierung, welche 0,2 bis 0,5 Gew.% C, 0,2 bis 1,0 Gew.% Mo und 0,2 bis 1,0 Gew.% Ni und einen Ausgleich bzw. Rest von Fe und gewöhnlichen Verunreinigungen enthält, und eine metallische Struktur aufweist, bei der eine innere Basisschicht Ferrit und Bainit umfasst und bei der der Ferrit an Hohlräume angrenzt.
Da der Ferrit an die Hohlräume angrenzt, wird beim wie oben aufgebauten, gesinterten Zahnrad der Ferrit plastisch verformt und die Hohlräume, die innerhalb der Zahnoberfläche angeordnet sind, brechen auf der Zahnoberfläche ein durch Ausführen eines Verformungsprozesses, wie beispielsweise einem Wälzen. Die Volumen der Hohlräume werden hierdurch reduziert, und die Dichte in der Nähe der Zahnoberfläche wird vergrößert. Hierdruch kann die Oberflächendruckbeständigkeit verbessert werden, während eine Hochpräzisions-Zahnoberfläche beibehalten wird, und die Produktionskosten sind geringer durch Verwenden von Metallpulver-Techniken. Da die innere Basisschicht Bainit enthält, ist die Festigkeit und Härte der Matrix verbessert.
Die oben genannte Komponentenzusammensetzung ist unentbehrlich, um die oben beschriebene metallische Zusammensetzung zu erhalten. In der folgenden Erklärung bedeutet "%" "Gew.%".
C: 0,2 bis 0,5%.
Wenn der C-Gehalt tiefer als 0,2% ist, sind die Stärke und die Härte der Matrix ungenügend, da kaum Bainit gebildet wird. Im Gegensatz dazu, wenn der C-Gehalt 0,5% übersteigt, wird die Dichte ungenügend erhöht, wenn ein Verformungsprozess auf der Zahnoberfläche ausgeführt wird, da der Ferritgehalt ungenügend ist. Unter diesem Gesichtspunkt ist es wünschenswert, dass der Ferrit in der Basisschicht 40% oder mehr bezogen auf die Fläche beträgt.
Mo, Ni: 0,2 bis 1,0%.
Ni und Mo tragen zur Erzeugung von Bainit bei, wobei die Matrix in der Basisschicht verstärkt wird und die Härtungseigenschaften verbessert werden. Wenn der Ni- Gehalt und der Mo-Gehalt jeweils unter 0,2% liegen, sind die oben genannten Effekte ungenügend. Im Gegensatz dazu, wenn der Ni-Gehalt und der Mo-Gehalt 1,0% übersteigen, wird Martensit einfach abgesetzt und die Stärke wird verringert. Die vorliegende Erfindung kann den Fall einschließen, bei dem der Martensit gleichzeitig mit dem Bainit vorhanden ist.
Es ist wünschenswert, dass der Ferrit in der Basisschicht 40% oder mehr bezogen auf die Fläche aufweist, wobei die Dichte nach dem Wälzen hierdurch weiter vergrößert wird, und die Oberflächendruckbeständigkeit kann verbessert werden. Es ist ferner wünschenswert, dass eine Karbidschicht an der vordersten Stelle bereitgestellt ist, welche außerhalb der Basisschicht liegt, wodurch die Oberflächendruckbeständigkeit verbessert werden kann. Die Karbidschicht kann durch einen Karburierungsprozess gebildet werden.
Als Nächstes umfasst das Herstellungsverfahren für das gesinterte Zahnrad der vorliegenden Erfindung das Wälzen einer Fe-basierten, gesinterten Legierung, sowie das Karburieren und Härten der Fe-basierten, gesinterten Legierung, wobei die Fe-basierte, gesinterte Legierung 0,2 bis 0,5 Gew.-% C, 0,2 bis 1,0 Gew.% Mo und 0,2 bis 1,0 Gew.% Ni und einen Ausgleich von Fe und gewöhnlichen Verunreinigungen enthält, und eine metallische Struktur aufweist, bei der eine innere Basisschicht Ferrit und Bainit umfasst und bei der der Ferrit an Hohlräume angrenzt.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1A und 1B zeigen Fotografien einer metallischen Struktur eines gesinterten Zahnrads gemäß der vorliegenden Erfindung, und
1C zeigt eine Fotografie einer metallischen Struktur eines konventionell gesinterten Zahnrads;
2A zeigt eine Fotografie einer metallischen Struktur eines gesinterten Zahnrads nach einem Wälzen,
2B zeigt eine Fotografie einer metallischen Struktur eines gesinterten Zahnrads nach einer Karburierung und Härtung, und
2C zeigt eine Fotografie einer metallischen Struktur eines gesinterten Zahnrads nach einer Nachsinterung;
3 zeigt eine Schnittansicht einer Wälzvorrichtung;
4 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand von der Oberfläche und der Dichte, bezogen auf ein Zahnrad der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt die Beziehungen zwischen dem Ferritverhältnis und der Dichte, bezogen auf ein Zahnrad der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt die Beziehungen zwischen dem kritischen Oberflächendruck und der Dichte, bezogen auf ein Zahnrad der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt die Beziehungen zwischen der zusätzlichen Menge von Graphit und dem Ferritverhältnis, bezogen auf ein Zahnrad der vorliegenden Erfindung; und
8 zeigt die Beziehungen zwischen der Wälzausdehnung und der Dichte, bezogen auf ein Zahnrad der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1A, 1B und 1C zeigen Fotografien einer metallischen Struktur nach dem Sintern einer Basisschicht in einem gesinterten Zahnrad. Wie in den 1A und 1B gezeigt, grenzt Ferrit (weiße Teile in den Figuren) an Hohlräume (schwarze Teile in den Figuren) an, wenn der C-Gehalt 0,3 Gew.% oder 0,4 Gew.% beträgt. Zusätzlich existiert in der Basisschicht Bainit (Teile, in denen in den Figuren feine Linien gekreuzt sind). Wenn, wie in 1C dargestellt, der C-Gehalt 0,6 Gew.% beträgt, wird der Bainit erhöht und der Ferrit wird verringert. Die Gründe für das Bilden der Metallstrukturen der 1A und 1B werden wie nachfolgend beschrieben angenommen.
Wenn ein Pressling gesintert wird, wird die Kohlenstoffkonzentration im Eisenpulver, welches an Graphitpulver angrenzt, lokal erhöht, und der Schmelzpunkt des Eisenpulvers wird hierdurch verringert. Das Eisenpulver wird daher zuerst geschmolzen und zwischen Partikeln hiervon dringt Graphitpulver ein, und ein Leerraum wird an einer Stelle gebildet, an der der Graphitpartikel vorhanden war. Kohlenstoff diffundiert in das Eisenpulver (Ferrit) an einem Teil, bei dem das Graphitpulver eingedrungen ist, der Kohlenstoffgehalt hiervon wird erhöht und Bainit wird hierdurch nach dem Abkühlen abgesetzt. Es wird angenommen, dass das Eisenpulver oder ein Teil hiervon, welches anfänglich am Graphitpulver angestoßen ist, als Ferrit verbleibt ohne Diffusion von Kohlenstoff. Dies ist allerdings eher eine Hypothese und die vorliegende Erfindung wird nicht dadurch eingeschränkt, ob eine solche Wirkung auftritt oder nicht.
Beim oben beschriebenen Herstellungsverfahren für das gesinterte Zahnrad verformt sich der Ferrit beim Wälzen plastisch, die Hohlräume brechen hierbei ein, und die Dichte des Zahnrads wird erhöht. Die Diffusion von Eisenatomen geschieht durch Karburierung und Härten und die Hohlräume werden weiter reduziert. Daher wird die Dichte der Oberfläche des gesinterten Zahnrads erhöht und die Oberflächendruckbeständigkeit kann weiter verbessert werden. Als Karburierung und Härtung wird eine Hochkonzentrationskarburierung ausgeführt, bei einer CO-Konzentration von bevorzugt 0,1 Gew.% oder höher, und die Oberflächendruckbeständigkeit kann hierdurch weiter verbessert werden.
2A zeigt eine Fotografie einer metallischen Struktur eines Zahnrads nach dem Wälzen und einen Zustand, bei dem es offensichtlich ist, dass die Hohlräume eingebrochen sind. 2B zeigt eine Fotografie einer metallischen Struktur eines bei 900°C karburierten und gehärteten Zahnrads nach dem Wälzen, und es wird gezeigt, dass der mittlere Teil eines engen Hohlraums beinahe vollständig durch das Karburieren und Härten abgeschlossen ist, verglichen mit der metallischen Struktur in 2A. 2C zeigt eine Fotografie einer metallischen Struktur eines Zahnrads, das bei 1130°C nachgesintert wurde anstelle des Karburierens und Härtens. Dieser Prozess ist äquivalent zum Karburieren und Härten, und es wird gezeigt, dass der mittlere Teil eines engen Hohlraums beinahe vollständig auf die gleiche Weise geschlossen ist wie in 2B. Es ist also gezeigt, dass durch das Karburieren und Härten eine beachtlich feine Struktur gebildet wird, wobei die Temperatur tiefer ist als beim Nachsintern.
Bei dem Herstellungsverfahren des gesinterten Zahnrads der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, dass der Ferrit auf der Basisschicht 40% oder mehr bezogen auf die Fläche beträgt. Zusätzlich ist es gewünscht, dass die Wälzausdehnung 0,09 bis 0,15 mm ist, wodurch die Dichte der Oberfläche maximal vergrößert werden kann.
BEISPIELE
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt.
Ein Pulver, bestehend aus 0,5 Vol.% Ni-Pulver, 0,5 Vol.% Mo-Pulver, 0,3 bis 0,6 Vol.% Graphitpulver und Eisenpulver als Rest, wurde in einer Zahnradform verdichtet und dann in Luft bei 1150 ± 20°C für 60 Minuten gesintert. Als Nächstes wurde das Zahnrad auf eine Wälzausdehnung von 0,09 mm gewalzt, unter Verwendung einer Wälzvorrichtung gemäß 3. In den Figuren bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Zahnrad und Bezugszeichen 2 bezeichnet Stempel. Zahnräder, welche gleich denjenigen des Zahnrads 1 sind, sind auf dem Umfang des Stempels 2A ausgebildet. Zahnoberflächen des Zahnrads werden durch Einschieben des Zahnrads 1 zwischen zwei Stempel 2 und durch Drehen der Stempel 2 gewälzt, und die Zahnradzähne werden hierdurch in einer speziellen Zahnform gepresst. Der Begriff "Wälzausdehnung" bezieht sich auf einen Pressbetrag in einer orthogonalen Richtung zur Zahnoberfläche des Zahnrads. Bezogen auf jedes Zahnrad sind in Tabelle 1 die Graphitzusatzmenge (in Vol.%) der Kohlenstoffgehalt (in Gew.%), die Pressdichte, die Oberflächenhärte, die Matrixhärte und das Ferritflächenverhältnis gezeigt. Zusätzlich wurde die Dichte jedes Zahnrads nach dem Wälzen gemessen bei unterschiedlichen Abständen von dessen Oberfläche. Die Resultate hiervon sind in der Tabelle 2 und in 4 dargestellt.
Tabelle 1
Tabelle 2
Wie aus der 4 ersichtlich, ist durch das Erhöhen des Ferritflächenverhältnisses (Ferritverhältnis) die Dichte nach dem Wälzen erhöht, da die Dichte durch das Wälzen erhöht ist. Dieses Erhöhen erfolgt durch plastisches Verformen des Ferrits, welcher an die Hohlräume angrenzt, und durch das Einbrechen der Hohlräume. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Ferritverhältnis und der Dichte in einer Tiefe von 0,2 mm von der Oberfläche. Wie aus der 5 ersichtlich, weist die Oberfläche eine Dichte von 7,5 g/cm³ oder mehr auf, wenn das Ferritverhältnis 40 oder mehr Gew.% beträgt.
Nachfolgend war das oben genannte Zahnrad der Karburierung und dem Härten unterworfen. Die Karburierung und das Härten wurden unter zwei Bedingungen eines typischen Karburierens ausgeführt, bei denen das Zahnrad in einer Atmosphäre von 0,8 % CO-Konzentration bei 900°C für 60 Minuten gehalten wurde und einer Hochkonzentration-Karburierung, bei der das Zahnrad in einer Atmosphäre von 1,2 % CO-Konzentration bei 900°C für 60 Minuten gehalten wurde. Als Nächstes wurde die Beziehung zwischen der Dichte und dem kritischen Oberflächendruck jedes Zahnrads untersucht und die Resultate hiervon sind in 6 dargestellt. Der Begriff "kritischer Oberflächendruck" bezieht sich auf einen Wert, der errechnet wird durch Ersetzen des Drucks, bei dem die spezifische Deformation in der Zahnoberfläche des Zahnrads auftritt, in der Hertz'schen Gleichung, und bezieht sich auf einen Oberflächendruck, bei dem ein Ermüdungsbruch, wie das Pitting oder das Knicken auftritt. Das heißt, wenn das Zahnrad bei einem kritischen Oberflächendruck verwendet wird, tritt das Pitting oder Knicken auf. Je höher der kritische Oberflächendruck ist, desto größer ist daher die Oberflächendruckbeständigkeit. Der Begriff "Pitting" bezieht sich auf einen Ermüdungsbruch, bei dem die Zahnoberfläche des Zahnrads abblättert, und der Begriff "Knicken" bezieht sich auf einen Ermüdungsbruch, bei dem die Zahnoberfläche einsinkt. Wie in 6 dargestellt, erhöht sich der kritische Oberflächendruck durch Erhöhen der Dichte des Zahnrads. Wenn, wie in 6 gezeigt, zusätzlich die Dichte 7,5 g/cm³ übertrifft, wird der kritische Oberflächendruck deutlich vergrößert. Da im Speziellen die maximale Dichte 7,8 g/cm³ beim Zahnrad der vorliegenden Erfindung beträgt, erreicht der kritische Oberflächendruck bei einem dem gewöhnliche Karburieren und Härten unterworfenen Zahnrad 180 kgf/mm², und bei einem Zahnrad, welches der Hochkonzentrationskarburierung und der Härtung unterworfen ist, erreicht der kritische Oberflächendruck 220 kgf/mm².
Wenn, wie oben beschrieben, das Ferritverhältnis 40 oder mehr Gew.% beträgt, wird die Dichte auf 7,5 g/cm³ oder mehr erhöht, und der kritische Oberflächendruck wird drastisch erhöht. Die Beziehung zwischen der Graphitzusatzmenge und dem Ferritverhältnis ist in 7 dargestellt. Wie in 7 gezeigt, beträgt das Ferritverhältnis 40 oder mehr Gew.%, wenn die Graphitzusatzmenge 0,38 Vol.% beträgt. Daher beträgt die Graphitzusatzmenge vorzugsweise 0,38 oder weniger Vol.%, und weiter bevorzugt 0,3 oder weniger Vol.%. Im Ergebnis kann das Ferritverhältnis auf 50 oder mehr Gew.% erhöht werden.
Als Nächstes zeigt die 8 die Beziehung zwischen der Wälzausdehnung und der Dichte des Zahnrads. Wie in 8 dargestellt, wird die Oberflächendichte des Zahnrads maximal, wenn die Wälzausdehnung 0,09 bis 0,15 mm beträgt. Es ist bestätigt worden, dass die Dichte nicht weiter erhöht wird, auch wenn die Wälzausdehnung 0,15 mm überschreitet, und die Lebensdauer des Zahnrads wird verringert, da die Last auf die Stempel hoch ist.

Claims

Gesintertes Zahnrad, bestehend aus einer Fe-basierten, gesinterten Legierung, welche 0,2 bis 0,5 Gew.% C, 0,2 bis 1,0 Gew.% Mo und 0,2 bis 1,0 Gew.% Ni und einen Rest Fe und gewöhnliche Verunreinigungen enthält, und eine metallische Struktur aufweist, bei der eine innere Basisschicht Ferrit und Bainit umfasst und bei der der Ferrit an Hohlräume angrenzt.
Gesintertes Zahnrad gemäß Anspruch 1, wobei der Ferrit der Basisschicht 40% oder mehr bezogen auf die Fläche beträgt.
Gesintertes Zahnrad gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Kohlenstoffschicht an einer vordersten Oberfläche, welche außerhalb der Basisschicht angeordnet ist.
Herstellungsverfahren für ein gesintertes Zahnrad, umfassend: Wälzen einer Fe-basierten, gesinterten Legierung, und Karburieren und Härten der Fe-basierten, gesinterten Legierung, wobei die Fe-basierte, gesinterte Legierung 0,2 bis 0,5 Gew.% C, 0,2 bis 1,0 Gew.% Mo und 0,2 bis 1,0 Gew.% Ni und einen Rest Fe und gewöhnliche Verunreinigungen enthält, und eine metallische Struktur aufweist, bei der eine innere Basisschicht Ferrit und Bainit umfasst und bei der der Ferrit an Hohlräume angrenzt.
Herstellungsverfahren für ein gesintertes Zahnrad nach Anspruch 4, wobei der Ferrit der Basisschicht 40% oder mehr bezogen auf die Fläche beträgt.
Herstellungsverfahren eines gesinterten Zahnrads gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei eine Wälzausdehnung beim Wälzen 0,09 bis 0,15 mm beträgt.