無聲鏈用燒結鏈輪及其制造方法

專利名稱：無聲鏈用燒結鏈輪及其制造方法
技術領域：
本發明是關于在汽車的凸輪軸正時鏈用鏈輪等中使用的燒結鏈輪及其制造方法。
背景技術：
關于這樣的鏈輪已經知道，利用鍛造鋼材將鏈輪坯料鍛造成形，通過機械加工進行最后加工，再進行滲碳淬火回火的鏈輪。
作為利用造形容易的粉末冶金技術制造的燒結鏈輪，提出了由混合粉末進行溫成形而達到7.3Mg/m3程度的較高密度的含有Ni、Mo、Cu和C的鐵系材料構成的、在溫度高于或等于1180℃進行燒結的燒結體，實施滲碳淬火或者高頻淬火后進行回火的技術(參照特開2001-295915號公報(第2頁)，以下將上述公報稱為專利文獻1)。另外也提出了，由含同樣的元素、低碳量的鐵系材料構成，用通常的粉末成形達到7.05Mg/m3密度的燒結體的齒部進行滾軋成形而致密化后，進行滲碳淬火回火的技術(參照特開2002-129295號公報(第2頁)，以下將上述公報稱為專利文獻2)。
無聲鏈用鏈輪和齒輪的嚙合同樣地是用齒形相互的嚙合進行轉動傳送的結構，因而與通常的滾子鏈用鏈輪相比，嚙合面壓高。因此，無聲鏈用鏈輪與滾子鏈用鏈輪相比，必須是齒部的密度更高，通過淬火而硬化。
上述的專利文獻1或者2記載的燒結鏈輪，各個是優良的，但是，如專利文獻1所述，在用溫成形進行粉末成形，使全體密度達到較高的7.3Mg/m3程度，在高于或等于1180℃的高溫進行燒結時，因為燒結溫度高，所以有制造成本變高的缺點，通過溫成形全體密度變高。但是，齒面的密度和其他部分的密度是相同的，因而有進一步提高齒面的耐面壓性的余地。
另外，如專利文獻2所述，在密度比較低，以和專利文獻1記載的類似的合金組成，鐵素體組織達到大于或等于40面積％而具有塑性加工性良好的合金組織的燒結體的齒部進行滾軋成形而致密化時，為了使表面達到更高密度，需要滾軋成形余量變大，因此有能夠改善制作效率的余地。

發明內容
本發明就是鑒于上述事實而完成的，其目的是提供，用淬透性良好的燒結合金能夠確保更高的全體密度，通過滾軋成形齒面形成高密度而具有優良的耐面壓性的無聲鏈用燒結鏈輪及其制造方法為目的。
本發明的無聲鏈用燒結鏈輪，如權利要求1所記載，其特征在于，燒結合金組成由(1)含有Mo1.0～2.0質量％的Fe-Mo-C系燒結合金，(2)含有Mo超過1.0質量％、且小于或等于2.0質量％、Ni超過1.0質量％、小于或等于2.5質量％的Fe-Mo-Ni-C系燒結合金，(3)含有Mo0.3～1.0質量％、Ni大于或等于1.5質量％、且不到3.0質量％、Cu1.0～2.5質量％的Fe-Mo-Ni-Cu-C系燒結合金的任一種構成，齒部的表面層通過滾軋成形使相對密度致密化至大于或等于95％，表面硬度是大于或等于700HV。
另外，該無聲鏈用燒結鏈輪的制造方法，如權利要求2所記載，其特征在于，使用按質量比，粉末的組成是(1)Mo1.0～2.0％、余量為Fe和不可避免的雜質，(2)1.0％＜Mo≤2％、1.0％＜Ni≤2.5％、余量為Fe和不可避免的雜質，或者(3)Mo0.3～1.0％、1.5％≤Ni＜3.0％、Cu1.0～2.5％、余量為Fe和不可避免的雜質的任一種合金鐵粉，將上述合金鐵粉和石墨粉混合粉末進行成形或者燒結的坯料進行滾軋成形使表面致密化后，進行滲碳淬火，使表面硬度達到大于或等于700HV。
在這樣的無聲鏈用燒結鏈輪的制造方法中，如權利要求3所記載，優選成形是溫成形；如權利要求4所記載，優選滲碳淬火處理是在燒結合金的奧氏體化溫度區域，在2級不同的溫度保持后，進行急冷的方式；如權利要求5所記載，優選滾軋成形是使齒部表面的相對密度達到大于或等于95％的方式。
具體實施例方式
以下，說明構成本發明的各必要條件和實施方式。
(1)燒結合金的成分成為本發明的對象的燒結合金是Fe-Mo-C系、Fe-Mo-Ni-C系和Fe-Mo-Ni-Cu-C系的3種，這些合金是合金添加元素數少的構成方式，通過調整各元素的含量，各自塑性加工性良好且強韌，而且是作為淬透性良好的材料選擇的。如果將上述各組成的3者進行比較，從前往后依次是強度越來越高，塑性加工性和淬透性分別優良。
再者，為了確保強度韌性和塑性加工性，燒結體的碳量為0.5～0.6質量％是最合適的。另外，通過滲碳淬火，表層部的碳量再變多0.1～0.2質量％左右，但最好通過淬火，使表層部成為馬氏體組織。
所含元素的效果如下。
Mo強化鐵合金的基體，在提高強度的同時，淬透性也提高。但是，如果含量過高，就發生脆化，利用滾軋成形進行致密化就變得困難。
Ni提高燒結密度和韌性。但是，如果含量過高，由于脆化，就難以利用滾軋成進行致密化。
Cu強化鐵合金的基體，而謀求高強度化，同時也提高淬透性。但是，如果含量過高，燒結時的尺寸膨脹增大，因此帶來尺寸變化的變動，變得容易產生滾軋成形誤差。
(2)燒結合金的組成范圍和混合粉第1合金Fe-Mo-C系是含有元素最少的。Mo含量是1.0～2.0質量％。如果含量不到1.0質量％，就得不到上述效果，在多于2.0質量％時，有上述的缺點，是不可取的。
在制造中使用的粉末，如果以Mo粉末的形態添加，在燒結時的合金化不完全，就難以確保足夠的強度，因此希望用Fe-Mo合金鐵粉的形態。即使是合金鐵粉，如果采用后述的溫粉末成形，也不能充分地得到粉末的壓縮性。和后述的其他合金系的情況相同，碳以石墨粉的形態添加，為了得到燒結體的結合碳量是0.5～0.6質量％左右，混合0.6～1.0質量％石墨粉。另外，像通常那樣混合用于在100～150℃加熱混合粉進行壓縮成形，即用于溫成形的成形潤滑劑。
第2合金Fe-Mo-Ni-C系是除上述第1燒結合金組成外，含有用于提高韌性的Ni。在成分組合中，Mo含量是多于1.0質量％、且小于或等于2.0質量％，Ni的含量是多于1.0質量％、小于或等于2.5質量％。
在此情況下，Mo和Ni的含量如果分別設定得多，塑性加工性就稍微惡化，因此進行上述的各自范圍中間的含量的組合，或者最好將其中一個的含量設定得少，將另一個的含量設定得多。
在制造中使用的粉末，優選使用在Fe和Mo的合金粉末的周圍擴散結合了Ni金屬粒子的鐵粉。與混合各個金屬粉的粉末相比，不易引起成分偏析，與使用在Fe和Ni的合金粉末周圍擴散結合了Mo的金屬粒子的鐵粉相比，在燒結時Ni在Fe-Mo合金粒子的表面進行擴散，因此有由燒結產生的密度提高的優點，以及伴隨此的強度和韌性提高的優點。
第3合金Fe-Mo-Ni-Cu-C系是相對于上述第2合金組成，為了提高強度，使Mo含量稍微變少、含有Cu的合金。在該成分組合中，Mo含量是0.3～1.0質量％，Ni含量是大于或等于1.5質量％、且小于3.0質量％，Cu含量是1.0～2.5質量％。各個含量如果少，塑性加工性就良好，但強度或淬透性的提高少，含量如果過高，滾軋成形就變得困難。
在制造中使用的粉末，優選使用在鐵粉粒子的周圍擴散結合Ni、Mo、Cu的金屬粒子的鐵粉。與混合各個金屬粉的粉末相比，不易引起成分偏析，與合金鐵粉相比，有壓縮性良好這樣的優點。
(3)溫成形在合金鐵粉中混合了具備溫度穩定性的潤滑劑和石墨粉的粉末在高于或等于100℃進行加熱，使用加熱至高于或等于120℃的壓制模具進行壓縮成形。如采用該溫粉末成形，粉末的壓縮性就變得良好。例如，以成形壓力490MPa(5000kgf/cm2)得到的成形密度比常溫成形時高約0.1Mg/m3程度，因此能夠比使用以往的壓制成形得到更高的密度。換言之，能夠使用低壓力使通常密度的成形體進行成形。另外，與用常溫粉末制成的燒結體相比，粗大的氣孔少，也看到粒子間的冶金的結合為良好這樣的優點。
(4)燒結采用通常的方法進行燒結。燒結溫度規定為1120～1150℃左右。該溫度是比上述的現有技術的燒結溫度低的通常鐵系燒結合金的燒結溫度。
(5)燒結體的齒輪滾軋成形鏈輪燒結體固定在轉動自由的軸上，可以使用將二個齒輪壓緊在燒結體的齒部并進行轉動的通常的滾軋成形機進行燒結體的齒輪滾軋成形。由此，燒結鏈輪的齒部表面發生塑性變形而致密化。已致密化的表面層，如果是更高密度，耐面壓疲勞變得更優良，但已致密化的表層部的相對密度如果是大于或等于95％，熱處理品的耐磨性也變得充分。
在滾軋成形余量變多時，在被滾軋成形的鏈輪坯料的端部往往產生飛邊的突出，考慮該飛邊的突出，希望預先使壓粉成形體的齒部邊緣形成倒棱的形狀。另外，例如像特開平11-347674號公報中所記載，也優選采用使附設在滾軋成形裝置上的切削車刀接觸被滾軋成形的燒結鏈輪，使在齒部端面突出的飛邊在鍛造成形中被切削除去的方法。
(6)熱處理經滾軋成形的鏈輪坯料，根據需要將端面等進行切削加工，實施淬火和回火。進行燒結和滾軋成形后原封不動，得不到足夠的耐磨性，因此為了確保耐面壓、耐點蝕性，至少齒部表面形成是馬氏體組織的硬質是必要的。在此所謂硬質是表面硬度相當于大于或等于700HV。
可以利用通常的滲碳淬火進行淬火，但優選是在燒結合金的奧氏體化溫度區域(A3相變點以上的區域)，以2級不同的溫度保持后，進行急冷的方法。即，在滲碳淬火處理中，在使第1級的加熱達到較高溫度而致密化的表面部進行滲碳后，第2級加熱是通常的淬火溫度。如果保持在比前者低的溫度后進行淬火，效率良好、均勻地進行滲碳，淬火硬度高，不發生鐵的殘留奧氏體，得到熱處理變形少的尺寸精度良好的燒結合金。在此情況下，第1級加熱的前半段，作為滲碳性氣體氣氛進行滲碳，后半段形成不脫碳程度的保護氣體，主要能夠謀求擴散。加熱時間規定為晶粒不發生粗化的范圍。第1級加熱是900～950℃(A3相變點+約100℃)左右，第2級的加熱是830～870℃(A3相變點+約50℃)左右。
回火和在鋼鐵材料上實施的回火相同，將溫度規定為180℃左右，可以在空氣中進行。
以下，參照實施例更具體的說明本發明。實施例和對比例的燒結鏈輪是齒數44、齒頂徑89mm、內徑20mm，平均厚度8.5mm，在齒部附近和內徑附近形成有臺階的形狀。另外，燒結合金的物理性能值是利用和燒結鏈輪相同的方法制成的試樣進行測定的值。
以下，合金組成是質量％，但為了簡化，以％表示。
實施例1的試樣實施例的鏈輪，在其制作時，首先在含1.5％的Fe-Mo合金鐵粉中含有0.8％的石墨粉和潤滑劑的混合粉在溫度130℃進行加熱，使用加熱至150℃的壓制模具進行壓縮成形后，在溫度1140℃進行燒結。接著，已燒結的鏈輪坯料的齒部進行滾軋成形。然后，對已滾軋成形的鏈輪坯料實施熱處理。滲碳淬火，最初在930℃進行加熱并保持，接著使溫度下降在850℃保持后，在油中急冷。淬火品在180℃進行60分鐘回火。
實施例2的試樣實施例2的鏈輪也以和實施例1的鏈輪相同的順序進行制作。實施例2的鏈輪和實施例的鏈輪的不同之處是，以在Fe和Mo的合金粉末的周圍擴散結合了Ni的金屬粒子的合金鐵粉中，含有0.8％的石墨粉和潤滑劑的粉末作為使用的混合粉末。上述的合金鐵粉的組成，Ni為2％，Mo為1.5％。
實施例3的試樣實施例3的鏈輪也以和實施例1的鏈輪相同的順序進行制作。混合粉末是在鐵粉粒子的周圍擴散結合了Ni、Mo、Cu的金屬粒子的鐵粉中含有0.8％的石墨粉和潤滑劑的粉末。上述的合金鐵粉的組成，Ni為2％，Mo為0.5％，Cu為2％。
實施例4的試樣實施例4的鏈輪以和實施例2的鏈輪相同的順序進行制作。實施例4的鏈輪以和實施例2的鏈輪的不同之處是以1190℃作為燒結溫度。
對比例1～3分別是相當于特開2001-295915號公報(上述專利文獻1)中記載的實施例1、實施例4、實施例3的試樣。再者，硬度換算成HRA。
對比例1的試樣是相當于上述的公開公報中的實施例1的試樣，使用在鐵粉粒子周圍擴散結合了Ni、Mo、Cu的金屬粒子的鐵粉中，含有1％的石墨粉和潤滑劑的混合粉。上述合金鐵粉的組成，Ni為4％，Mo為0.5％，Cu規定為2％。和各實施例相同地進行溫粉末成形，在溫度1195℃進行燒結，得到燒結體。
對比例2的試樣是相當于上述的公開公報中的實施例4的試樣。是在1200℃將使用和對比例1相同的方法得到的壓坯燒結而制成的燒結體的齒部實施高頻淬火回火的試樣。
對比例3的試樣是相當于上述的公開公報中的實施例3的試樣。是使用在Fe-Mo合金粉末的周圍擴散結合Ni粉末粒子，在1.5％Mo、2％Ni的鐵合金粉末中含有1％的石墨粉和潤滑劑的混合粉，在溫度1260℃燒結已進行溫成形的成形體后，實施通常的滲碳淬火、回火的試樣。
實施例試樣的斷面顯微鏡組織各實施例的鏈輪的齒部的斷面顯微鏡組織是各燒結體的結合碳量是0.6％左右的珠光體組織，已滾軋成形的表層部的氣孔量是1～3面積％左右。另外，已淬火的鏈輪的齒部附近是馬氏體組織。
評價方法將各燒結鏈輪搭載在市售的汽車用汽油發動機上，使用形狀測定機，在下述的(1)～(5)的條件下測定實際運轉時的鏈輪齒部的磨損量。
(1)試驗時的無聲鏈張力(單面張力)1500N(2)發動機轉數6000rpm(3)試驗時間100小時(4)試驗用油5W-30SG(5)試驗溫度110℃評價結果在表1中表示燒結合金中的Cu、Ni、Mo的含量、燒結溫度、有無滾軋成形、淬火方法、以和鏈輪相同的方法制成的試樣的物理性能和鏈輪的磨損量。鏈輪的磨損量以對比例1的磨損量作為100的指數表示。
表1

如從表1所清楚，各實施例與對比例相比，密度低，燒結體的抗拉強度稍微降低。但是，各實施例，齒部由于滾軋成形而致密化，而且進行滲碳淬火，因而關于磨損量，在燒結溫度是和各對比例同等高溫的實施例4顯示最小的優良結果。另外，關于燒結溫度是1140℃(實施例1～3)的磨損量，實施例1比對比例2、3的熱處理品多，但比對比例1少，關于實施例2和實施例3大致顯示優良的結果。
如從這些結果所清楚，如果利用溫成形的優點而提高密度，當然能夠更減少磨損量。
權利要求
1.內燃機的曲軸、凸輪軸、平衡器(バランサ一)軸、或者水泵軸的任一種軸上使用的無聲鏈用燒結鏈輪，其特征在于，由下述(1)～(3)中的任一種燒結合金構成，齒部的表層部通過滾軋成形使相對密度致密化到大于或等于95％、表面硬度是大于或等于700HV，(1)含有Mo1.0～2.0質量％的Fe-Mo-C系燒結合金，(2)含有Mo超過1.0質量％、且小于或等于2.0質量％，Ni超過1.0質量％、且小于或等于2.5質量％的Fe-Mo-Ni-C系燒結合金，(3)含有Mo0.3～1.0質量％、Ni大于或等于1.5質量％、且不到3.0質量％、Cu1.0～2.5質量％的Fe-Mo-Ni-Cu-C系燒結合金。
2.無聲鏈用燒結鏈輪的制造方法，其特征在于，按質量比使用粉末的組成是下述(1)～(3)中的任一種合金鐵粉，上述合金鐵粉和石墨粉的混合粉末進行成形以及燒結的坯料實施滾軋成形，使表面致密化后，進行滲碳淬火和回火，使表面硬度是大于或等于700HV，(1)Mo1.0～2.0％、余量為Fe和不可避免的雜質，(2)1.0％＜Mo≤2％、1.0＜Ni≤2.5％、余量為Fe和不可避免的雜質，(3)Mo0.3～1.0％、1.5≤Ni＜3.0％、Cu1.0～2.5％、余量為Fe和不可避免的雜質。
3.根據權利要求2所述的無聲鏈用燒結鏈輪的制造方法，其特征在于，混合粉末的壓粉成形是溫成形。
4.根據權利要求2所述的無聲鏈用燒結鏈輪的制造方法，其特征在于，滲碳淬火處理是在燒結合金的奧氏體化溫度區域，在2階段不同的溫度保持后，進行急冷的方式。
5.根據權利要求2所述的無聲鏈用燒結鏈輪的制造方法，其特征在于，通過滾軋成形使齒部表面的相對密度達到大于或等于95％。
6.根據權利要求2所述的無聲鏈用燒結鏈輪的制造方法，其特征在于，預先考慮由滾軋成形而產生的飛邊的突出，將滾軋成形的鏈輪坯料的齒部進行倒棱。
7.根據權利要求2所述的無聲鏈用燒結鏈輪的制造方法，其特征在于，在進行滾軋成形之中，使用附設在滾軋成形機上的去除工具去除由滾軋成形導致的在工件的齒部端面突出的飛邊。
全文摘要
本發明是能夠確保高的全體密度、有優良的耐面壓性的燒結鏈輪。由下述(1)～(3)中的任一種燒結合金構成，通過滾軋成形使齒部的表層部致密化到相對密度大于或等于95％，表面硬度達到大于或等于700HV；(1)含有Mo1.0～2.0質量％的Fe－Mo－C系燒結合金，(2)含有Mo超過1.0質量％、小于或等于2.0質量％，Ni超過1.0質量％、小于或等于2.5質量％的Fe－Mo－Ni－C系燒結合金，(3)含有Mo0.3～1.0質量％、Ni大于或等于1.5質量％、不到3.0質量％、Cu1.0～2.5質量％的Fe－Mo－Ni－Cu－C系燒結合金。
文檔編號F16H55/06GK1576650SQ200410054518
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月22日 優先權日2003年7月22日
發明者藤木章, 前川幸廣, 馬渕豐, 村田貴志, 鈴木貴志, 山田淳一, 筒井唯之, 石井啟 申請人:日產自動車株式會社, 日立粉末冶金株式會社