DE69623983T2

DE69623983T2 - Duplex zahnradgestänge und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69623983T2
Application number: DE69623983T
Authority: DE
Inventors: M. Cadle; E. Geiman; J. Landgraf; H. Mandel
Original assignee: GKN Sinter Metals Germantown Inc
Current assignee: GKN Sinter Metals LLC
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: WO1997022819A1; US6148685A; MX9804735A; CA2240426C; EP0862706B1; CA2240426A1; DE69623983D1; EP0862706A1; EP0862706A4; ES2185815T3

Description

Hintergrund der Erfindung

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Zahnkränze und Zahnräder und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Zahnkränzen und Zahnrädern unter Verwendung ungleichartiger kompatibler Pulvermetalle.

Diskussion des Standes der Technik

Verbrennungsmotoren müssen sicherstellen, dass die Kolbenbewegung, die das Luft/Kraftstoffgemisch komprimiert, mit dem Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile mittels eines Taktsystems koordiniert ist. Das am meisten übliche Taktsystem verwendet zwei Zahnkränze mit von einer Metallgliederkette umfassten Zähnen. Der Kurbelwellenzahnkranz treibt die Kette an, die wiederum ein Drehmoment auf den Nockenwellenzahnkranz aufbringt, wodurch er in Einklang gedreht wird. Typischerweise ist der Nockenwellenzahnkranz signifikant größer als der Kurbelwellenzahnkranz, um eine Geschwindigkeitsreduzierung zu bewirken.
Nockenwellenzahnkränze sind üblicherweise aus einem Metallpressteil oder bearbeitetem Gussteil aus Aluminiumlegierung oder Gusseisen hergestellt. Moderne Hochleistungsmotoren verlangen eine höhere Präzision und verbesserte Dauerhaftigkeit einschließlich Festigkeit und Verschleißbeständigkeit der Zähne. Eine zusätzliche Forderung ist Ruhe, die als NVH-Qualität (noise vibration and harshness) der Laufruhe ausgedrückt wird.
In den vergangenen Jahren ist eine neue Herstellungstechnik die Pulvermetallurgie (P/M). Diese umfasst die Verwendung von Eisen und anderen Pulvern, die gemischt und dann in einer Vorform verdichtet werden, die wie ein Nockenzahn geformt ist. Eine Sintern genannte thermische Behandlung bewirkt, dass die verdichteten Partikel sich miteinander verbinden, wobei sie metallurgisch eine Strukturkomponente ausbilden. Der P/M-Prozess weist den Vorteil einer Präzisionsfertigung großvolumiger Komponenten auf.
Im Falle von Hochleistungsanforderungen, wie bei einem Zahnkranz oder Zahnrad, muss ein P/M-Teil in hoher Dichte hergestellt werden. Dies erfordert allgemein eine Prozessabfolge mit Pulververdichtung, Sintern, Nachpressen und schließlich Induktionshärten. Die hohe Legierung und hohe Dichte führen zu hohen Kosten bei der Produktion und hohem Gewicht, insbesondere bei einem großen Zahnkranz oder Zahnrad. Außerdem führt hohe Dichte zu einem hohen Elastizitätsmodul der P/M- Legierung, was Schall überträgt (d. h. "Klingeln" wenn mechanische Vibration auftritt).
Ein Zahnkranz oder Zahnrad gebildet aus zwei verschiedenen Legierungen ist aus der EPO 0 565 161 bekannt, das die im Oberbegriff von Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung genannten Merkmale umfasst. Der Zahnkranz oder das Zahnrad ist aus Metallpulver gesintert. Es wurde vorgeschlagen, dass dafür ein Pulvermaterial verdichtet und dann gesintert wird.
Ferner wird die US 3,768,327 angeführt, die auch einen Zahnkranz oder ein Zahnrad offenbart, das aus zwei verschiedenen Legierungen zusammengesetzt ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades oder Zahnkranzes gemäß der Erfindung wird das Pulvermetallmaterial der Zahnregion in eine Zahnregion eines Zweikammerverdichtungsgesenks gefüllt und das Pulvermetallmaterial der Körperregion wird in eine Körperregion des Gesenks gefüllt. Die Pulver in den Gesenken werden dann mit einem höheren Druck in der Zahnregion als in der Körperregion in demselben Gesenk gepresst.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden der Zahnkranz oder das Zahnrad aus dem Verdichtungsgesenk ausgeworfen und dann gesintert. In Verbindung mit diesem Verfahren werden Materialien für die Zahn- und Körperregion auf ihre Kompatibilität ausgewählt, indem sie in einen Bimetallstreifen verdichtet, der Streifen gesintert und das Ausmaß ihrer Biegung untersucht wird.
In einer nutzvollen Form werden die Zähne aus einem härtbaren Legierungsstahl hergestellt. Bevorzugt härtet diese Legierung direkt beim Abkühlen aus dem Sinterofen, um anschließende Härtungsschritte zu eliminieren. Alternativ kann diese Legierung eine induktionshärtbare Legierung sein.
Bevorzugt erstreckt sich die Zahnregion bis direkt unter die Zahnwurzeln und wird auf hohe Dichte verdichtet, um hohe Festigkeit und Abriebfestigkeit der Zähne zu gewährleisten. Der Hauptteil des Teils in den Zähnen, der der Körper ist, ist aus einer Pulvermischung hergestellt, die bei niedrigem Druck auf niedrige Dichte verdichtet werden kann, dennoch hohe Verdichtungsfestigkeit zeigt, um vor dem Sintern eine Handhabung ohne Rissbildung zu ermöglichen. Die höhere Dichte der Zahnregion ergibt eine hohe Festigkeit und Abriebfestigkeit der Zähne und die geringere Dichte der Körperregion reduziert des Gewicht und dämpft die Schallübertragung.
Um eine angemessene funktionelle Festigkeit im Körper des fertigen Produkts bei einer relativ geringen Dichte zu erreichen, wird ein als Flüssigphasensintern bekannter metallurgischer Prozess angewendet. Dieser erzeugt beim Sintern eine geringe Menge an gleichmäßig verteilter Metallschmelze. Dies aktiviert Diffusion der Metallpulveroberflächen, was zu einem stärkeren Material und abgerundeter Mikroporosität führt, was Zähigkeit verleiht. Die geringe Dichte des Körpers ergibt niedrige Elastizitätsmoduln, was zur Schalldämpfung führt. Das geringe Gewicht ist im Einsatz ein Vorteil, da weniger Energie erforderlich ist, um den Zahnkranz zu beschleunigen und abzubremsen. Es sind bei diesem Ansatz Gewichtseinsparungen von über 25% möglich.
Außerdem führt der niedrigere Legierungsgrad und das geringere Gewicht des Körpers plus Vermeidung einer Induktionshärtung zu einer wesentlichen Kostensenkung bei der Herstellung. Da ein geringerer Verdichtungsdruck für den Kern geringer Dichte erforderlich ist (30% des herkömmlichen Druckes), kann eine kleinere, schnellere und billigere Presse verwendet werden, um die Kosten weiter zu reduzieren.
In Verbindung mit einem Verfahren gemäß der Erfindung werden Materialien für die Zahn- und Körperregionen auf Verträglichkeit ausgewählt, indem sie in einen Bimetallstreifen verdichtet werden, der Streifen gesintert wird und das Ausmaß der Biegung gemessen wird.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt eine Frontansicht eines gemäß der Erfindung hergestellten Zahnkranzes dar;
Fig. 2 stellt eine Perspektivansicht eines Bimetallteststückes hergestellt aus zwei Materialien dar, die in der Dimension kompatibel sind;
Fig. 3 stellt eine Perspektivansicht eines Bimetallteststückes hergestellt aus zwei Materialien dar, die in der Dimension inkompatibel sind.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Fig. 1 stellt einen gemäß der Erfindung hergestellten Zahnkranz 10 dar. Der Zahnkranz 10 ist aus einem Stück hergestellt, d. h. er ist einstückig und umfasst einen Körper 14, der am Umfang Zähne 16 trägt. Es sind innerhalb des Zahnkranzes 10 unterschiedliche Zonen oder Regionen aus zwei Materialien definiert, die zur Herstellung des Körpers 14 und der Zähne 16 verwendet sind. Die ungefähre Unterteilungslinie zwischen den beiden Materialien ist durch die Linie 12 identifiziert, wobei das relativ weiche, poröse Material der Körperzone 14 radial innerhalb der Linie 12 liegt und das relativ harte, dichte Material der Zahnzone 16 radial außerhalb der Linie 12 liegt.
Die äußere Zahnzone 16 erstreckt sich bevorzugt innerhalb des Zahnwurzeldurchmessers um ungefähr 2 mm bis 5 mm. Es versteht sich, dass die Linie 12 nicht notwendigerweise eine perfekt scharfe Linie sein muss, da bei der Produktion etwas Fusion und Diffusion der beiden Materialien über diese Linie stattfindet.
Die Legierungen von Zähnen 16 und Körper 14 müssen kompatible Materialien sein, so dass sie beim Sinterprozess dimensionsstabil sind. Beim Sintern des Presslings zeigt jedes Legierungspulver entweder ein Schrumpfen oder Wachstum. Es ist wichtig, dass die Dimensionsveränderungen der beiden Legierungen abgestimmt sind, um Verwerfungen und Eigenspannungen beim Abkühlen zu minimieren. Um diese neutrale Situation zu erreichen, wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, wobei viele Variationen jeder der beiden Legierungen ermittelt wurden.
Es wurde ein neuer Ansatz verwendet, um die Dimensionskompatibilität der beiden Legierungen zu ermitteln. Es wurde ein dünner zweischichtiger rechteckiger Pressling hergestellt und dann auf der Kante stehend gesintert, wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Das vorgeschlagene Material für die Zähne ist auf einer Seite 18 verwendet und das vorgeschlagene Material für den Körper ist auf der anderen Seite 19 des Blocks verwendet. Das Ergebnis ist ein Bimetallstreifen, der sich in Abhängigkeit vom relativen Expansions-/Kontraktionsdifferential in die eine oder andere Richtung biegt oder gerade bleibt. Erfolgreiche Kombinationen führten zu einem geraden Block 20 wie es in Fig. 2 gezeigt ist, was Kompatibilität anzeigt, während nicht erfolgreiche Kombinationen zu Blöcken führten, die auf die eine oder andere Art übermäßig gekrümmt sind, wie der in Fig. 3 gezeigte Block 22.
Zur Herstellung eines Zahnkranzes 10 werden zwei getrennte Pulvermischungen in ein Doppelkammerverdichtungsgesenk eingeladen, was nicht Teil der Erfindung ist. Es sind Doppelkammerverdichtungsgesenke beispielsweise zur Ausbildung von aus zwei verschiedenen Materialien gebildeten Lagern bekannt. Eine dünne entfernbare Teilerhülle trennt die beiden Kammern (die Innenkammer für den Körper 14 und die Außenkammer für die Zähne 16) entlang der durch die Linie 12 identifizierten Verbindungsstelle. Die erforderliche Menge an Pulvermetalllegierung für die Zähne 16 wird in die Außenkammer eingebracht und die erforderliche Menge an Pulvermetalllegierung für den Körper 14 wird in die Innenkammer eingebracht, bevorzugt mit bekanntem automatischem Gerät. Die Tellerhülle wird dann zurückgezogen, um den beiden Legierungen zu ermöglichen, an der Verbindungsstelle 12 eine Grenzfläche zueinander auszubilden, und es werden getrennte Stempel verwendet, um die Zähne 16 und den Körper 14 des Zahnkranzes 10 zu verdichten, so dass, wie zuvor angegeben, unterschiedliche Dichten erreicht werden können.
Bevorzugt ist das Material des Körpers ein 2% Kupfercarbonstahl mit einem Additiv, um niedrige Dichte und Festigkeit des Rohlings zu verbessern. Die Zähne sind aus einer modifizierten Zusammensetzung nach ASTM 4600 hergestellt, die beim Sintervorgang härtet. Eine solche Legierung wird hier als sinterhärtende Legierung bezeichnet, die eine Legierung ist, die eine Martensitstruktur ausbildet, wenn sie aus einem Sinterofen abgekühlt wird.
Ein Beispiel der Erfindung lautet wie folgt:
Es werden zwei Pulvermischungen hergestellt, eine für die Zähne 16 des Zahnkranzes und eine für den Körper 14 des Zahnkranzes. Die Zähnemischung besteht aus: 96,3% eines Vorlegierungspulvers aus Eisen, Nickel, Molybdän, das 2% Nickel enthält und 0,5% Molybdän (Rest Eisen); 1% elementarem Kupfer; 1% elementarem Nickel; 1% feinem Graphit und 0,7% eines Pressschmierstoffs wie Zinkstearat.
Die Körpermischung besteht aus 76,7% Basiseisen hergestellt durch Zerstäuben; 20% Eisenpulver hoher Verdichtungsfestigkeit; 2% Kupfer; 0,3% Graphit und 1% Butylstearamid als Pressschmierstoff.
Die beiden Pulver sind in einer Zufuhrvorrichtung enthalten, die das hochlegierte Pulver in den äußeren Nockenzahnkranzzähnebereich einbringt, und das kostengünstige, niedrig legierte Pulver in den Zahnkranzkörperbereich des Verdichtungswerkzeugs. Es sind getrennte Stempel für den Zahnbereich bzw. den Körperbereich vorgesehen, um zu ermöglichen, dass jeder auf die erforderliche Dichte verdichtet wird. Die Pulver werden dann mit einer geeigneten Presse verdichtet und der Pulverpressling wird aus dem Werkzeug ausgestoßen. Die Zähne werden typischerweise bei ungefähr dem 3fachen Pressdruck wie der Körper verdichtet, z. B. 45 Tonnen/Quadratzoll für die Zähne 16 und 15 Tonnen/Quadratzoll für den Körper 14.
Der Pressling wird dann 15 Minuten lang durch einen auf 2070ºF eingestellten kontinuierlichen Sinterofen geführt. Der Ofen ist mit einer Einrichtung für beschleunigte Abkühlung ausgerüstet. Beim Abkühlen werden bedingt durch die unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen die Zahnkranzzähne gehärtet, aber der Körper bleibt weich. Der Sinterkörper kann dann auf die endgültigen Toleranzen bearbeitet werden und einer Entgratung unterzogen werden, um die scharfen Kanten zu glätten. Die Teile werden in Rostschutzfluid getaucht und zum Versand verpackt.
Obwohl zur praktischen Ausführung der Erfindung ein Zahnkranz ausführlich beschrieben ist, versteht es sich, dass die Erfindung ebenso auf ein Zahnrad angewendet werden kann. Außerdem versteht es sich, dass anstelle eines sinterhärtenden Materials, ein induktionshärtendes Material für die Zähne verwendet werden kann.
Auf diese Weise wurde ein Zahnkranz oder Zahnrad beschrieben, hergestellt aus zwei getrennten Materialien durch Pulvermetallurgie, ein Material für die Zähne und eines für den Körper. Die äußere Zahnregion ist bevorzugt aus einer sinterhärtenden Legierung hergestellt, was einen zusätzlichen Wärmebehandlungsschritt vermeidet. Das Material der Zähne wird für Festigkeit und Abriebfestigkeit bei hoher Dichte verdichtet. Der Körper ist aus einem Material mit niedriger Legierung und geringer Dichte hergestellt, um Gewicht einzusparen, Lärm zu absorbieren und Kosten zu minimieren. Das Ergebnis ist ein Zahnkranz oder Zahnrad mit verbesserter Leistungsfähigkeit, reduziertem Gewicht und geringeren Kosten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Pulvermetallzahnrades oder -zahnkranzes (10) in einteiliger Konstruktion mit einer Eingriffszahnregion (16) um den Umfang einer Körperregion (14), worin die Zahnregion (16) und die Körperregion (14) in demselben Gesenk verdichtet werden, wobei die Pulver der beiden Regionen während der Verdichtung in Grenzflächenkontakt kommen, und das Pulvermetallmaterial der Zahnregion mit einem höheren Druck verdichtet wird als das Pulvermetallmaterial der Körperregion, so dass sie in der Zahnregion (16) eine höhere Dichte aufweist als in der Körperregion (14), dadurch gekennzeichnet, dass der hohe Druck in demselben Gesenk aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Zahnregion (16) aus einem sinterhärtenden Material gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Zahnregion (16) aus einem induktionshärtenden Material gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Zahnregion (16) an allen Punkten entlang ihres Innenumfangs sich unter einen Zahnwurzeldurchmesser des Zahnrades oder Zahnkranzes (10) erstreckt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Zahnregion (16) sich um 2- 5 Millimeter unter den Zahnwurzeldurchmesser erstreckt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Körperregion (14) aus einem Pulvermetallmaterial gebildet wird, die ein Stahl mit 2% Kupfer ist mit einem Additiv zur Verstärkung der Festigkeit des Grünlings geringer Dichte.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin die Zahnregion (16) aus einem Pulvermetallmaterial gebildet ist, das eine modifizierte Zusammensetzung nach ASTM 4600 ist, die während eines Sintervorgangs härtet.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Körperregion (14) durch das Zahnrad oder den Zahnkranz (10) in einem zylindrischen Raum (12) mit einem gewissen angenäherten Radius definiert ist und die Zahnregion (16) durch das Zahnrad oder den Zahnkranz (10) ausserhalb des zylindrischen Raums definiert ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin nach Verdichten das Zahnrad oder der Zahnkranz (10) aus dem Verdichtungsgesenk ausgeworfen und dann gesintert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Pulvermetallmaterialien der Zahn- (16) und Körperregionen (14) so zusammengesetzt werden, dass sie die Biegung in einem gesinterten Pulvermetallbimetallstreifen (20, 22) minimieren, bei dem eines der Materialien auf einer Seite (18) und das andere der Materialien auf der anderen Seite (19) ist.