JP2000510909A - ギ ヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも7.3g/cc、一実施態様において7.4〜7.6g/ccのコア密度及び焼入れ浸炭表面を有する粉末金属歯車。トランスミッションギヤの製造方法は粉末金属ブランクを焼結して7.4〜7.6g/ccのコア密度を生じ、ギヤブランクの表面を圧延して表面を高密度化し、次いで圧延された焼結部品を真空炉中で加熱し、浸炭することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 ギヤ 発明の分野 本発明は焼結粉末金属ブランクから形成された歯車及びそれらの製造方法に関 するものであり、特に7.3g/ccより大きく、好ましくは7.4〜7.6g/ccのコア密度 を有する粉末金属トランスミッションギヤに関する。発明の背景 粉末冶金(PM)方法は １．単一の成形操作で複雑な形状を形成する能力； ２．最小の仕上げ機械加工で得られる正味またはほぼ正味の成形能； ３．高い体積容量； ４．その方法がエネルギー効率の良いこと、及び ５．その他の競合する従来の方法を考慮する時に、その方法がコスト競争力の あること を含むPM方法により示される種々の利点のために金属部品を製造するのに成功裏 に使用されていた。 その他の競合する従来の製造方法として、例えば、鍛造品、バーストックまた は管からの機械加工が挙げられる。しかしながら、これらの従来の製造方法はPM 方法による製造に対して関連する不良材料利用及び比較的高いコストを有する。 上記利点にもかかわらず、自動車におけるPM焼結部品の利用は低合金錬鋼と較 べた時に依然として比較的限られている。自動車工業におけるPM部品の利用の将 来の一つの成長分野は更に大きな需要の用途、例えば、動力伝達装置用途、例え ば、トランスミッションギヤへのPM部品の成功裏のエントリーにある。従来PM方 法により成形された歯車の一つの問題は、粉末金属ギヤがギヤの歯の領域及びル ートの領域で低下した曲げ疲労強度、及びバーストック、または鍛造品から機械 加工されたギヤに対し微小構造中の残留多孔性のための歯フランクに関する低い 耐磨耗性を有することであった。PMトランスミッションギヤを成功裏に製造する 一つの方法は英国特許第2,250,227B号、1994年に示されたようにギヤプロフィー ルを圧延してその表面を高密度化することにある。しかしながら、この方法は錬 鋼の完全理論密度の典型的にはほぼ90％である高密度化領域の下にあるコア密度 を教示する。これはその機械加工された錬鋼相対物よりも比較的低い曲げ疲労耐 久性を有する歯をもたらす。 焼結温度は所定の密度で焼結PM部品の動的性質に重大な影響を有し得るが、あ らゆる焼結レジメについて得られる最終の動的性質レベルはまた使用される合金 系と得られる焼結密度の組み合わせにより調節される。高引張強さを7.2g/ccま での単一プレス密度レベルで典型的なPM方法（熱処理を用い、または用いない） で得ることが可能であるが、破壊靱性(ASTM試験操作E399-83)及びサイクル負荷 の下の疲労耐久性の如き動的性質は常に匹敵する強度の鋼の動的性質よりも小さ いであろう。それ故、PMトランスミッションギヤの製造方法は広い支持を得てい なかった。これは主として残留多孔性の負の効果のためである。それ故、高負荷 を受けたPM部品の性質を改良するための方法はコア高密度化並びに良好なサイク ル曲げ耐久性のための表面高密度化及び表面耐久性の夫々の両方を考慮する必要 がある。 本発明の目的は高い表面耐久性（即ち、表面の高密度）及び歯曲げ耐久性の両 方を有するPMトランスミッションギヤを提供することである。また、本発明の目 的はPMトランスミッションギヤの改良された製造方法を提供することである。 本発明の局面は少なくとも7.3g/cc、一実施態様では7.4〜7.6g/ccのコア密度 及び焼入れ浸炭表面を有する粉末金属歯車を提供することである。 本発明の更に別の局面は、前記表面が錬鋼の充分な密度に近い密度を有する粉 末金属歯車を提供することである。 本発明の更に別の局面は、 a)粉末金属ブランクを焼結して7.4〜7.6g/ccのコア密度を生じる工程； b)ギヤブランクの表面を圧延してその表面を高密度化する工程； c)圧延した焼結部品を真空炉中で加熱し、浸炭する工程 を含む金属ギヤの製造方法を提供することである。 本発明の更に別の局面は、プロパンが前記熱処理工程で使用される方法を提供 することである。図面 本発明のこれらの目的及び特徴並びにその他の目的及び特徴が図面に関して記 載される。 図１は表面にトランスミッション高密度化層を有する歯車の密度vs距離のグラ フである。 図２は焼結粉末金属部品の顕微鏡写真の一部の代表図である。 図３は伝ぱ速度vs密度である。 図４は開示された発明の曲げ疲労強度vsレギュラーPM及び錬鋼の曲げ疲労強度 を示す。発明の説明 使用した粉末金属 従来のPM合金は多くの用途に適しているが、粉末金属トランスミッションギヤ の製造及び使用を考慮する時に、それらの技術上及びコスト上の制限が明らかに なる。銅及びニッケルが従来鉄材料の合金元素として典型的に使用されていたが 、それらの高いコスト有効性のためにPM部品の焼入れ性を発達する時にマンガン 、クロム及びモリブデンを使用することが好ましい。更に、マンガンは固溶体強 化剤としてニッケルよりも約４倍有効である。 Cr、Mn及びMoを含む合金の組み合わせ効果は、特別な結合品質及び細孔形態に 関する高温焼結、機械的性質のかなり優れたバランスを有する粉末金属成分と対 にされて、通常のPM合金及び加工に対して達成し得る。更に、これらの元素を微 粒化ベース鉄粉末と混合することにより、高い圧縮性を維持し、材料コストを最 小にするという利点が実現し得る。本発明において、鉄の合金、例えば、マンガ ン、クロム及びモリブデンが使用されてもよく、米国特許第5,476,632号（これ は参考として本明細書に含まれる）に記載されたようにしてベース鉄粉末に鉄合 金として添加される。炭素がまた添加される。合金元素フェロマンガン、フェロ クロム、及びフェロモリブデンがベース鉄粉末とともに個々に、またはあらゆる 組み合わせで使用されてもよく、例えば、製造物品の所望の機能要件を達成する のに必要とされることがある。換言すれば、２種の鉄合金が使用でき、または３ 種の鉄合金がベース鉄粉末とブレンドし得る。このようなベース鉄粉末として、 ヘガナエス・アンコールスチール1000/1000B/1000C、トレードマークQMPアトメ ット1001として販売されるケベック・パウダー・メタルが挙げられる。ベース鉄 粉末組成物は好ましくは１重量％未満の不可避の不純物を含む市販の実質的に純 粋な鉄粉末からなる。合金元素の添加が最終物品の所望の性質を得るためになさ れる。鉄粉末の粒子サイズは一般に10〜350μｍの範囲の分布を有するであろう 。合金添加物の粒子サイズは一般に２〜20μｍの範囲であろう。粉末の圧縮を促 進するために、滑剤が粉末ブレンドに添加される。このような滑剤は粉末金属工 業で正規に使用される。使用される典型的な滑剤はステアリン酸亜鉛、ステアリ ン酸またはエチレンビスステアラミドを含む型のレギュラーの市販グレードであ る。鉄粉末、炭素、鉄合金及び滑剤を含む粉末の配合ブレンドは正規の粉末金属 圧縮プレス中の硬質ダイ中でプレスすることにより通常の製造様式で圧縮される であろう。約40トン／平方インチの圧縮圧力が典型的に使用される。 また、前合金粉末が本発明の教示に従って使用されてもよい。 換言すれば、鉄合金の添加物を含むベース鉄粉末が使用されてもよく、または 例えば、モリブデンを含む前合金粉末が本発明に従って使用されてもよい。温度 上記粉末金属、特にマンガン及びクロムを焼結する時、1250℃より高い温度に おける高温焼結が使用される。高温及び低い雰囲気露点(-20℃〜-30℃)及び遊離 炭素の存在の組み合わせがマンガン及びクロムの酸化物を容易に還元して150ppm 未満の非常に低い酸素含量を有するきれいな均一な焼結部品を生じるであろう。密度 更に、PM材料の密度が増大するにつれて、物理的性質及び機械的性質の両方が 改善する。 コア密度、特に7.3g/ccより大きい粉末金属ギヤプロフィールのコア密度が １．温間プレス； ２．二重プレス、二重焼結； ３．1996年５月15日に米国のスタックポール・リミテッドにより出願された特 許出願（これは参考として本明細書に採用される）に開示されたような高密度成 形 ４．粉末圧縮中の添加滑剤に代えてダイ壁潤滑の使用；及び ５．焼結後の回転成形 を含む種々の手段により生じられる。 最低7.3g/cc、特に7.4〜7.6g/ccのコア密度を有する焼結ギヤブランクは機械 的性質のかなりの増大を示す。圧延成形 更に、ギヤ圧延方法が下記の性質を増進するようにギヤ及びスプロケット歯を 選択的に高密度化するのに使用し得る。 (a)歯表面耐久性： (b)歯曲げ疲労強度： (c)ギヤ精度 英国特許第2,250,227B号、1994年に記載されたような選択的高密度化方法が使 用されてもよく、これはギヤ歯の外表面を単一ダイまたはツインダイ圧延機によ り高密度化することからなり、別々の圧延及び／または同時のルート・アンド・ フランク圧延を含んでもよい。夫々の場合、圧延ダイは焼入れ工具鋼製のはめあ いギヤの形態である。使用中、ダイは焼結ギヤブランクとかみ合わされ、二つが 回転されるにつれて、それらの軸が一緒にされてギヤブランク表面の選択された 領域を圧縮し、圧延する。 一実施態様において、表面は7.7g/ccより大きく高密度化されてもよい。換言 すれば、ギヤブランクの表面が理論上の完全密度の98％より大きく高密度化され る。 図１は表面の構造が錬鋼の理論上の完全密度に近づいていることを明らかにす る焼結ギヤ歯の表面高密度化層を示す。その表面は60HRCより大きい硬度を有す る微細な高炭素焼もどしマルテンサイトを含む。選択的高密度化はコア密度が約 7.4〜7.6g/ccに留まる間にプロフィールを高応力位置（フランクまたはルートを 問わない）で圧延することにより起こり得る。熱処理 高密度化された歯を有する約7.4〜7.6g/ccのコア密度を有するトランスミッシ ョンギヤの製造はその後に真空中の浸炭の如き熱処理にかけられる。熱処理はメ タンまたはプロパンからなってもよい浸炭雰囲気の利用を含んでもよく、そこで 炭素原子がメタンまたはプロパンから物品の表面層に移動するであろう。熱処理 操作は一般に800℃〜1300℃の温度範囲内で行われる。説明 理論値の約90％のコア密度(即ち、約7.0g/cc)を有する焼結ギヤブランクを使 用する場合、焼結構造は約7.4〜7.6g/ccのコア密度を有する部品の多孔度よりも 多孔性である。それ故、理論値の約90％のコア密度を有する焼結ギヤブランクは コア領域内の浸炭熱処理から多くの炭素を吸収して、脆くなった炭化物網状構造 の形成を生じる傾向がある。それ故、約7.4〜7.6g/ccのコア密度を有する焼結ギ ヤブランクを製造することにより、少ない炭素がコアに移動し、一方、多くの炭 素が表面に濃縮する傾向がある。表面の炭素の濃縮は高耐久性を有する硬質表面 を生じ、これはトランスミッションギヤとしての利用に良く適し、一方、約7.4 〜7.6g/ccの密度を有するコアは理論上完全な密度の90％（即ち、7.0g/cc）を有 するコアに対し増大された延性を有する。増大された延性は約7.4〜7.6g/ccのコ アの比較的高い密度から生じ、同様に低い炭素レベルのために生じる。高いコア 密度は大きい靱性を有するトランスミッションギヤをもたらす傾向があるであろ う。それ故、優れた性質が二つの効果のために得られる。第一に、高いコア密度 それ自体が機械的性質に有益であり、第二に、最高密度が少ないコア炭素をもた らし、脆くなった炭化物の形成が阻止される。コアに向かって移動する炭素が多 い程、コアは脆くなる。 コアで中間密度を有する粉末金属歯車を製造する時に、改良された歯曲げ耐久 性が得られることがわかった。特に、コアで約7.4〜7.6g/ccの中間密度は以下 の特徴を示す。 １．改良されたクラック伝ぱ特性 図２は焼結粉末金属部品２の顕微鏡写真の一部の代表図である。クラック伝ぱ は、ASTM試験操作E399-83に従ってクラック１を焼結粉末金属部品２に誘導する ことにより行われる試験である。焼結粉末金属部品２は複数の細孔４を示す。体 積当たりの細孔４の数は焼結粉末金属部品の密度により変化する。 焼結粉末金属部品が約7.4〜7.6g/ccの範囲の密度を有する時に、クラック伝ぱ CPが最小にされる。図３はクラック伝播速度が7.4〜7.6g/cc付近で最小にされる ことを示す。クラック伝ぱ速度は7.4g/cc未満また7.6g/ccより大きい密度で増大 する。このような試験はFe 1.5％対0.5％炭素焼結粉末金属部品に関する“PM部 品に関する疲労設計”と題するヨーロッパ粉末冶金協会(EPMA)により公表された 論文でF.J.Esper及びC.M.Sonsinoにより行われた。しかしながら、このような研 究は均一部品の一様な密度を研究し、コア密度と表面密度を区別しなかった。 細孔サイズはクラッキングに抵抗するために7.4〜7.6g/ccの密度範囲で最適化 されることが考察される。換言すれは、クラック伝ぱCPは細孔４で停止する傾向 がある。理論上完全密度に近い密度を有する焼結粉末金属部品のクラック伝ぱ速 度は7.4〜7.6g/ccの密度よりも極めて高い。 ２．ノイズ特性 中間ギヤにより生じたノイズは錬鋼から製造されたギヤと比較した時に焼結粉 末金属歯車の細孔または多孔性により減少される。 ３．軽量 本明細書に記載された発明によりつくられた焼結粉末金属トランスミッション ギヤを含む部品は7.8g/ccの密度を有する錬鋼からつくられた同じ備品よりも軽 い。 ４．安価なプロセス 本明細書に記載された発明に従ってつくられた焼結粉末金属トランスミッショ ンギヤは錬鋼からつくられた部品よりも一般に製造するのに安価である。 ５．複雑な段階 焼結粉末金属トランスミッションギヤを含む焼結粉末金属部品は従来の方法に より経済的に機械加工し得ない複雑な形状にプレスし得る。 それ故、本発明を利用することにより、トランスミッションギヤの曲げ耐久性 を最大にする硬質の耐久性表面及び強靭なコアを有するトランスミッションギヤ が製造される。それ故、強靱な耐破壊性コアが本明細書に記載された発明に従っ て製造される。 図４は本明細書に開示された発明の利点を示す。特に、図４は曲線Ｘによりマ ークされたレギュラー焼結粉末金属部品の疲労強度を示す。曲線Ｙは英国特許第 2,250,227B号の教示に従って選択的に高密度化された焼結粉末金属ギヤにより示 された改良された曲げ疲労強度を示し、この場合、コア密度は典型的には7.0g/c cである。曲線Ｚは7.8g/ccの密度の錬鋼の曲げ疲労強度を示す。本明細書に記載 された発明を利用することにより、焼結粉末金属部品の曲げ疲労強度が矢印Ａに より示されるように錬鋼の曲げ疲労強度に近づく。それ故、本明細書に記載され た発明はトランスミッションギヤの製造に良く適している。 更に、コア領域中の炭素の量がまたその製造に使用される出発粉末により調節 され、指示し得る。 更に、コア領域中の炭素の量がまたその製造に使用される出発粉末により調節 され、指示し得る。 好ましい実施態様並びに操作及び使用が図面に関して詳しく記載されたが、好 ましい実施態様の変化が請求の範囲に記載された発明の精神から逸脱しないで当 業者によりなし得ることが理解されるべきである。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも7.3g/ccのコア密度及び焼入れ浸炭表面を有する粉末金属歯車。 ２．前記表面が錬鋼の完全密度に近い密度を有する請求項１に記載の粉末金属歯 車。 ３．約7.4g/cc〜7.6g/ccのコア密度を有する請求項２に記載の粉末金属歯車。 ４．a)粉末金属ギヤを焼結して、コア密度を約7.4〜7.6g/ccとする工程； b)焼結粉末金属の表面を圧延して、該表面を高密度化する工程； c)圧延した焼結ギヤを真空炉中で加熱し、浸炭する工程 を含むことを特徴とする粉末金属ギヤの製造方法。 ５．プロパンを前記熱処理工程で使用する請求項４に記載の方法。 ６．前記加熱を800℃〜1300℃の温度で行う請求項５に記載の方法。 ７．前記焼結を1250℃より高い温度で行う請求項６に記載の方法。