DE69105749T2

DE69105749T2 - Aus pulvermetallrohlingen gewalzte zahnräder.

Info

Publication number: DE69105749T2
Application number: DE69105749T
Authority: DE
Inventors: Christopher John 'shieling" Fleet Lane Gloucester Gl20 6Dg Cole; Jones Peter Toronto Ontario N8W4R4 Canada Jones Peter; Shivanath Rohith Toronto Ontario M8W 4J7 Canada Shivanath Rohith
Original assignee: Formflo Ltd
Current assignee: Formflo Ltd
Priority date: 1990-10-08
Filing date: 1991-10-08
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: AU8669391A; GB2250227A; JPH06501988A; EP0552272A1; DE69105749D1; ES2065711T3; CA2070180C; CA2070180A1; GB9021833D0; EP0552272B1; WO1992005897A1; GB2250227B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern aus pulvermetallischen Rohlingen. Die Erfindung ist insbesondere befaßt mit der Herstellung von harten Oberflächen, die einen ausreichenden Widerstand gegen Abnutzung aufweisen und für hohe Belastungen anwendbar sind. Insbesondere werden Zahnräder vorgeschlagen, die für Kraftübertragungen, beispielsweise in Fahrzeuggetriebekästen, geeignet sind, wo hohe Belastungen und hohe Geschwindigkeiten bewältigt werden müssen.
Zahnräder aus gesintertem Pulvermetall sind an sich bekannt. Die britische Patentschrift Nr. 11 25 952 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern aus Pulvermetallrohlingen, in dem, nach Verpressen und Sintern des Pulvers, das Zahnrad zur genauen Größe der Zahn- und Zahnwurzeldurchmesser ausgewalzt wird. Dieses Verfahren bezieht sich sowohl auf gerad als auch auf spiral verzahnte Zahnräder.
Ein Problem bei Zahnrädern, die aus pulvermetallischen Rohlingen hergestellt sind, verglichen mit Zahnrädern, die aus Stabmaterial, Gußstücken oder Schmiedestücken hergestellt sind, besteht darin, daß die pulvermetallisch hergestellten Zahnräder eine verringerte Biegefestigkeit an den Zahnwurzelbereichen und einen niedrigeren Widerstand gegen Abnutzung an den Zahnflanken aufweisen zufolge der vorhandenen restlichen Porosität in der Mikrostruktur aufweisen. Aus diesen Gründen kann man zwar Zahnräder aus pulvermetallischer Fertigung bei niedrigen Beanspruchungen, beispielsweise in Ölpumpen, anwenden. Sie sind aber nicht besonders geeignet, Kräfte zu übertragen. Bei der Übertragung von Kräften verwendet man vorzugsweise spiral verzahnte Zahnräder und es gibt wenig Möglichkeiten der Verwendung von spiral verzahnten Zahnrädern, die aus pulvermetallischen Rohlingen entstanden sind, die bei hohen Belastungen eingesetzt werden können.
Es wurde nun gefunden, daß man eine beträchtliche Verbesserung in der Biegefestigkeit und in der Abnutzung von Zahnrädern erreichen kann, die aus pulvermetallischen Rohlingen hergestellt sind, wenn die Dichte der Oberfläche der Zahnräder und ihrer Tiefe erhöht wird.
Gemäß der Erfindung wird nun ein Zahnrad hergestellt durch Pressen und Sintern eines pulvermetallischen Rohlings, der eine Mischung von metallischem Eisen und wenigstens einem Legierungsbestandteil aufweist und dessen Oberfläche im Bereich der Zähne, der Zahnwurzeln und der-flanken durch Walzen gehärtet wird,so daß eine Verdichtung eintritt, die im Bereich von 90 bis 100 % liegt und sich in eine Tiefe von wenigstens 380 um erstreckt.
Die Kerndichte, d.h. die unterhalb der verdichteten Bereiche, beträgt im allgemeinen gleichmäßig etwa 90 %. Normalerweise liegt der Bereich der Verdichtung im Bereich von 380 bis 500 um. Es wurde nun gefunden, daß ein weiterer Vorteil zu erreichen ist, wenn die Tiefe der Verdichtung 1000 um übersteigt. Die Dichte an der Oberfläche beträgt im wesentlichen 100 % und verbleibt für eine minimale o.a. Tiefe wenigstens im Bereich von 90 %. Das Maß, mit der sich die Dichte mit Bezug auf die Tiefe verringert, verläuft im wesentlichen linear, d.h. die minimale Dichte in den gehärteten Bereichen ist direkt umgekehrt proportional zur Tiefe. Im allgemeinen ist die Dichte wenigstens in den Bereichen, die dichter an der Oberfläche liegen,nicht wesentlich größer als der minimale Wert. Das Ausmaß der Dichte Verringerung ist sehr gering an der Oberfläche und nimmt gleichmäßig in Richtung auf die maximale Tiefe der gehärteten Bereiche zu. Somit kann die Dichte in Abhängigkeit vom Quadrat oder einem höheren Exponenten der Tiefe variieren.
Die Mischung der Metallpulver, die für die Zahnräder verwendet werden, gemäß der Erfindung, haben den Vorteil, daß sie kompressibler sind mit Bezug auf ganz legierten Pulvern daß sich dadurch höhere Dichten erreichen lassen in der Verdichtungsstufe. Zusätzlich gestattet die Verwendung gemischter Pulver, daß sie sich genau auf den gedachten Verwendungszweck einstellen lassen. Zum Beispiel können elementare Pulver miteinander vermischt werden und mit einem Schmiermittel nach Sinterungen legierte Zahnräder ergeben, deren Zusammensetzung ähnlich der Norm SAE 4100, SAE 4600 und SAE 8600 entsprechen. Elementare Pulver, die der Grundsubstanz nämlich dem Eisen zugesetzt werden können sind Kohlenstoff, Chrom, Molybdän, Mangan, Nickel, Kupfer und Vanadium. Außerdem können die Mengen dieser Zusätze je nach dem beabsichtigten Verwendungszweck der Zahnräder varriieren . Sie betragen aber normalerweise nicht mehr als 5 Gew.% in jedem Falle.
Eine bevorzugte Prüfermischung für Zahnräder gemäß der Erfindung hat die folgende Zusammensetzung:
Kohlenstoff 0,2 Gew.%
Chrom 0,5 Gew.%
Mangan 0,5 Gew.%
Molybdän 0,5 Gew.%
Der Rest ist Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
Es ist verständlich daß die Verwendung von Chrom, Molybdän und Mangan in der Mischung des Pulvermetalls für den Rohling bei der Sinterung einen Sinterungsprozeß verlangt, der ein Minimum an Oxydation hervorruft. Ein bevorzugter Prozeß, der für diese Erfindung zum Sintern bei hohen Temperaturen verwand werden kann, ist eine Temperatur von 1350 º C in einer sehr trockenen Wasserstoff/Stickstoffatmosphäre z.B. bei einem Taupunkt von minus 40 º C. Das hat den zusätzlichen Vorteil, daß die mechanischen Festigkeiten weiter verbessert werden und der Sauerstoffpegel auf ungefähr 200 ppm verringert wird.
Die zuzusetzenden zusätzlichen Legierungspulver für das erfindungsgemäße Zahnrad haben vorzugsweise eine Teilchengröße im Bereich von 2 bis 10 um. Im allgemeinen werden Teilchengrößen in diesem Bereich erhalten durch Feinmahlen von Eisenlegierungen in einer entsprechenden inerten Atmosphäre. Zur Verhütung der Oxydation von leicht oxydierbaren Legierungspulvern beim Mahlen kann kritisch sein um den Grad der gewünschten und oben erwähnten Verdichtung zu erreichen.
Die Verdichtung der Arbeitsflächen eines pulvermetallischen Zahnrades, wie das oben erwähnt ist, läßt sich durch eine Anzahl von Walzvorgängen erreichen. Diese Walzmaschinen können Einfach- oder Zwillingswalzmaschinen sein und können jeweils für sich oder gleichzeitig Wurzeln und Flanken der Zähne walzen. In jedem Falle ist die oder jede Walzmaschine oder Walzform normalerweise in Form eines kämmenden Zahnrades aus einem gehärteten Werkzeugstahl gebildet.
Im Gebrauch erfaßt die Form den gesinterten Zahnradrohling und wenn die beiden rotieren, werden ihre Achsen gegeneinander gebracht, so daß sich das Zahnrad und die Form erfassen und sich gegeneinander abwälzen an den gewünschten Oberflächen des Rohlngs. Wenn ein bestimmter Achsenabstand erreicht ist wird die Rotation im allgemeinen weitergehen für eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen oder für eine bestimmte Verweilzeit und dann werden die beiden Teile auseinandergezogen. Die vorbestimmten Achsenabstände sind natürlich abhängig von der Größe des Zahnrades und der Form als auch von dem Material, aus dem der Rohling gebildet ist und von der gewünschten Verdichtung.
Diese entsprechend gewalzte Oberfläche wird bei ungefähr 120 um kompaktiert, verdichtet.
Einige Walztechniken, die für die Erfindung verwand werden können, sind nun in der beigefügten Zeichnung beispielsweise dargestellt und in der sie anschließenden Beschreibung beispielsweise beschrieben. In der Zeichnung stellen dar Figur 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Einfachwalzmaschine, Figur 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Zwillingswalzmaschine und Figuren 3 bis 5 sind die Teildarstellung, die den Unterschied in der Geometrie der verschiedenen Walzfunktionen zeigen.
In der Walzmaschine nach Figur 1 ist das aus Pulvermetall bestehende Zahnrad bzw. der Rohling 2 auf einer festen Achse 4 gelagert, die selbst wieder in einem Rahmen 6 befestigt ist. Eine Walzform 8 rotiert auf einer Achse 10, die in einem Schlitten 12 gelagert ist, der wiederum gleitbar in dem Rahmen 6 ruht. Der Schlitten 12 ist beweglich auf dem Rahmen 6 gelagert und läßt sich auf die Achse 4 zu bewegen und von dieser wegbewegen, so daß die Walzform 8 im Eingriff mit dem legierten Pulvermetallrohling 2 gebracht werden kann und auch von diesen zurückbewegt werden kann. Diese Bewegungen werden über den Schlitten 12 hervorgerufen, der mit einem Mechanismus in Verbindung steht, dessen Einzelheiten weggelassen sind. Der Schlitten kann sich relativ zu dem Rahmen auf einem linearen Weg bewegen und das Grad der Bewegung wird begrenzt durch einen Anschlag 14. Ebenfalls gelagert in dem Schlitten 12 ist ein Antriebsmechanismus (nicht gezeigt), durch den die Walzform 8 in Umdrehung versetzt wird um ihre Achse 10. Der Antriebsmechanismus kann in einfacher Weise ein Motor sein, der mit einem entsprechenden Rad gekuppelt ist, das die Zähne der Walzform erfaßt. Aus Gründen, die weiter unten ausführlich dargelegt werden ist der Antriebsmechanismus derart ausgeführt, daß er in beide Richtungen die Walzform rotieren lassen kann.
Im Laufe des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Maschine gemäß Figur 1 wird der Pulvermetallrohling auf der Achse 4 befestigt und eine entsprechende Walzform auf der Achse 10 und diese in geeigneter Weise mit dem Antriebsmechanismus gekuppelt. Der Schlitten 12 wird dann so vorgeschoben, daß die Zähne der Walzform die Zähne des Rohlings erfassen und wenn der Antriebsmechanismus in Gang gesetzt wird, rotieren sowohl die Walzform als auch der Rohling, in dem die Zähne beider ineinander eingreifen und miteinander kämmen. Wenn die Walzform und der Rohling rotieren, bewegt sich der Schlitten weiter voran und die Zähne der Walzform 8 wälzen sich ab an den Zähnen des Rohlings und verdichten die entsprechenden Oberflächen, mit denen sie im Eingriff bzw. in Berührung sind. Der Schlitten bewegt sich weiter bis zu seiner vollen Tiefe vor, die durch den Anschlag 14 festgelegt wird. Das Walzen setzt sich bei dieser Tiefe weiter fort für eine bestimmte Zeitspanne oder für eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen und dann wird der Schlitten zurückgezogen, wobei Walzform und Rohling weiter rotieren.
Während des Walzprozesses, wie er oben beschrieben ist, kann die Rotationsrichtung der Walzform und des Rohlings mehrere Male umgekehrt werden. Auch zwischendurch kann Umkehrung des Walzprozesses angebracht sein und die Frequenz solcher Umkehrungen kann durch die Zeit der Rotation von Walzform und Rohling festgesetzt werden.
Die Maschine nach Figur 2 arbeitet im wesentlichen ähnlich wie die nach Figur 1 und dementsprechend sind ähnliche und identische Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im wesentlichen unterscheidet sich die Maschine nach Figur 2 dadurch, daß sie zwei Walzformen 8 besitzt, die gleichzeitig auf den gleichen Rohling 2 einwirken. Vorschub und Rückzug des Schlittens 12 wird durch ein einfaches Hebelsystem 16 synchronisiert. Ansonsten werden die gleichen Kriterien berücksichtigt wie in Bezug mit Figur 1 beschrieben. Natürlich müssen die Rotationen der Walzformen 8 synchronisiert werden, obgleich es möglich ist auch nur einen Antrieb zu verwenden, der mit nur einer dieser Formen gekuppelt ist, ist es normalerweise vorzuziehen zwei Antriebe zu verwenden, die elektronisch synchronisiert sind.
Wie oben erwähnt können beim erfindungsgemäßen Auswalzen eines Pulvermetallzahnradrohlings eine Anzahl verschiedener Walzarten in Abhängigkeit vom Profil des Rohlings und von der oder den Formen und der Art des erforderlichen Walzen durchgeführt werden. In erster Linie sind es die Wurzeln und die Flanken eines Zahnes, die gewalzt werden müssen, um die erforderliche Oberflächenverdichtung zu erreichen die oben in ihren Verbesserungen beschrieben sind. In den Figuren 3 bis 5 ist das gleiche Rohlingsprofil gezeigt. Walzformen mit verschiedenen Zahnprofilen werden benutzt, um das Walzen auf verschiedenen Teilen der Oberflächen des Rohlingzahnes durchzuführen.
In Figur 3 ist das Walzen der Flanken der Zähne dargestellt. Wenn die Walzform und der Rohling gegeneinander rotieren, werden die Flanken der Walzformzähne 18 gegen die Flanken der Rohlingszähne abrollen und sie dabei belasten. In dem Maße wie der Schlitten oder die Schlitten 12 auf die Rohlingsachse zugeführt werden. Folglich wird das Material auf diesen Oberflächen der Flanken der Rohlingszähne 20 kompaktiert oder verdichtet, so daß sich die verdichtete Schicht 22 ergibt. Es sei darauf hingewiesen, daß zu keiner Zeit die Spitze der Walzform Zähne 18 die Wurzel der Rohlingszähne 20 berühre. Dies wird durch den Anschlag 14 sichergestellt. Die Profile der Zähne 18 der Walzform und die Zähne 20 des Rohlings sind so gewählt, daß sichergestellt ist, daß keine Berührung stattfindet, obgleich nichts desto weniger die gewünschte Verdichtung in den Bereichen 22 erfolgt.
In Figur 4 ist das Profil der Zähne geändert derart daß das Walzen gleichzeitig die Wurzel als auch die Flanke der Zähne des Rohlings beeinflußt. Das führt dazu, daß eine kontinuierliche Verdichtung des Bereiches 24 stattfindet der sich zwischen den Spitzen der Zähne und den zugeordneten Flanken der Zähne wie dargestellt erstreckt.
In Figur 5 ist ein weiteres anderes Profil für die Zähne der Walzform gewählt, damit die Wurzeln der Zähne gewalzt werden können. In diesem Falle wird der verdichtete Bereich 26 mehr eingeschränkt als in einem der anderen Varianten der Figuren 3 und 4.
Es sei darauf hingewiesen, daß in der Beschreibung der obigen Figuren 3 bis 5 verschiedene Bereiche verdichtet werden können die auf und zwischen den Zähnen des Pulvermetallrohlings liegen unter Verwendung verhältnismäßig einfacher Walztechniken und der Auswahl entsprechender Profile für die Walzformen. Die Tiefe des Walzens kann ebenfalls justiert werden von Mittels des Anschlages 14 und auch der ist ein Regelfaktor in dem Verfahren. In Übereinstimmung mit der Erfindung lassen sich verschiedene Zahnprofile verwenden, entweder getrennt oder gleichzeitig für den selben Rohling um die gewünschte Verdichtung zu erhalten. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß verschiedene Grade der Verdichtung auf dem Rohling erzeugt werden können in verschiedenen Bereichen in Abhängigkeit von dem vorgesehenen Verwendungszweck des hergestellten Zahnrades.
Die Verdichtung an der Wurzel ist wünschenswert um Biegefestigkeiten zu steigern, d.h. zu verhüten, daß der Zahn vom Kern des Zahnrades abbricht. Verdichtungen auf der Flanke ist wünschenswert um den Widerstand gegen Abnutzung zu steigern.
Die obige Diskussion bezieht sich im wesentlichen auf die Herstellung gerade verzahnter Zahnräder aus pulvermetallischen Rohlingen. Nichts desto weniger ist natürlich die Erfindung auch in gleicher Weise und mit der gleichen Technik anwendbar auf andere Zahnräder beispielsweise auf spiral verzahnte Zahnräder. Die Erfindung ist für beide anwendbar.

Claims

1. Zahnrad aus einem gepressten und gesinterten Pulvermetallrohrling, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermetall ein Gemisch aus elementarem Eisen und wenigstens einem Legierungsbestandteil ist und daß das Zahnrad oberflächengehärtet ist im Bereich der Zahnwurzeln und der Zahnflanken, so daß eine Verdichtung im Bereich von 90 bis 100 % über eine Tiefe von wenigstens 380 microns erzeugt ist.

2. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte an den gehärteten Flächen des Zahnrads im wesentlichen 100 % beträgt.

3. Zahnrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Metalldichteverringerung mit Bezug auf die Tiefe wenigstens linear verläuft.

4. Zahnrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteverringerung relativ niedrig an der Oberfläche ist und gleichmäßig in Richtung auf die maximale Tiefe der gehärteten Bereiche zunimmt.

5. Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Legierungsbestandteil aus der Gruppe Kohlenstoff, Chrom, Mangan und Molybden ausgewählt ist.

6. Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße des Pulvermetalls im Bereich von 2 bis 10 microns liegt.