具有适配涂层的构件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种构件（2），具有一个构件体（14），该构件体具有齿部（4），其中，在齿部（4）上至少部分涂覆有适配涂层（6），该适配涂层具有最大5μm的层厚。
【专利说明】具有适配涂层的构件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种构件，该构件具有一个构件体，该构件体具有齿部，以及本发明涉及一种组件，该组件包括至少两个分别具有齿部的构件，其中，所述至少两个齿部相互啮
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【背景技术】
[0002]按照DIN3963，齿轮的齿部质量通常分为12个质量级，其中，I级表示最精细齿部质量而12级表示最粗糙齿部质量。按照生产方法来分，其中，质量1-6级齿轮的齿部要珩磨，质量2-7级齿轮的齿部要研磨，质量5-7级齿轮的齿部要刮削，质量5-9级齿轮的齿部要滚铣、滚刨或滚冲，质量7-12级齿轮的齿部要模铣或模冲，和质量8-12级齿轮的齿部要冲压、挤压、烧结、压铸，其中，也可进行加工方法的组合。换言之，齿轮的高齿部质量只能通过强化的加工才能获得，由此会造成较高的生产成本。
[0003]在现有技术中已经描述一些涂层，以便调节啮合的齿部的齿隙。这些涂层通常是基于聚合物构成的并且在磨合阶段后被磨损，因为否则不是在涂层(或双涂层，当两个啮合的齿部都涂层时)的厚度中生产所期望的齿隙。这类涂层因此不适于改善齿部质量。
[0004]在按照现有技术生产齿轮时，改善齿部的微几何形状就意味着很大的费用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种具有改善了齿部的微几何形状的齿轮。
[0006]微几何形状在本发明意义上理解为表面不平度或粗糙度和形状偏差在直至10 μ m的微尺度。
[0007]这个目的一方面通过开始提到的构件而另一方面通过组件实现，其中，在构件的齿部上至少部分涂覆有适配涂层，该适配涂层具有最大5 μ m的层厚，并且其中，组件的其中至少一个构件按照本发明构成。
[0008]通过以表明的最大层厚设置适配涂层将实现:通过涂层塑性变形，齿部的支承部分，即支承面的部分，在与一个另外的构件的齿部啮合期间增大，由此单位面积负荷减小。在涂层变形期间，材料从粗糙峰进入到在两个峰之间的谷中(在涂层沉积时，基底不平度通常仿形)，此外还会发生涂层的加强，由此同样可以提高构件的机械负荷能力，也就是构件齿部的负荷能力。此外，通过这种变形，实现至少部分整平表面粗糙。利用本发明也可以通过涂层将齿部质量改善至少一个质量级，例如，具有8级质量的齿部通过该涂层达到7至6级质量。换言之，通过以表明的最大层厚设置适配涂层，明显改善齿部表面的微几何形状。因而，构件本身可以利用成本合算的方法生产，并且通过将适配涂层沉积在齿部上，不需要另外进行昂贵的硬精加工来达到更高的齿部质量。此外，适配涂层还具有的优点是，这种适配涂层只在运行中齿部受极大负荷的区域才有磨料磨损，也就是说，“平整效应”在构件长时间运行期间保持不变。齿部的通过利用适配涂层达到的较高齿部质量此外还改善了具有这种构件的组件的声学性能。在齿部不同质量时，适配涂层的最大层厚匹配相应的质量，即分别匹配现有的表面粗糙度。由于在涂层期间齿部的表面粗糙度也传递到涂层上(优选至少大致在每个涂层的部位都产生相同的层厚)，所以通过适配涂层变形之后产生的支承层在齿部的最高粗糙峰之上延伸。此外，通过适配涂层，可以通过减小心脏式挤压(Herz' schen Pressung)实现关于所谓孔穴腐蚀方面的改善。
[0009]必要时，可以例如通过轧制对齿部进行预定径。
[0010]优选的是，适配涂层的层厚选自在下限I μ m和上限4 μ m的范围。
[0011]优选的是，在组件中，将齿部具有较高质量的构件用作第二构件，该第二构件的齿部与根据本发明的构件的齿部啮合，因为该较高质量的齿部可以起用于适配涂层的“挤压齿部”的作用，继而组件的齿部的质量可以总体得到改善。
[0012]按照一种实施变化方案设定，适配涂层从外涂层表面朝构件体方向具有逐渐增加硬度的硬度梯度。由此实现适配涂层在外涂层表面上可以构成为相对软的，从而粗糙轮廓的轮廓峰可以迅速发生变形，也就是削平，所述外涂层表面在构件的装入状态与一个另外的构件的另外的齿部啮合，并且此外，通过在相对构件体的界面上的较高硬度，实现涂层在其上更好的附着性或实现更好的抗疲劳强度。除此之外由此还可以在位于涂层表面下的层中具有涂层的更高强度，从而可以在运行中改善其机械负荷能力。
[0013]在这种情况下，为改善这些性能，优选的是，适配涂层在外涂层表面上具有选自具有HV40下限和HV1000上限范围的硬度，特别是选自具有HV100下限和HV300上限范围的硬度，或按照另一种优选的实施变化方案，在与外涂层表面对置的、指向构件体方向的第二表面上具有选自具有HV400下限和HV1600上限范围的硬度，特别是选自具有HV650下限和HV1000上限范围的硬度。
[0014]可能的是，适配涂层由多个不同的分层构成。尽管这不是本发明优选的实施形式，因为优选的是从涂层表面朝构件体方向存在特性的连续过渡，所以利用这种实施形式可以简化适配涂层的生产，因为可以用不同的组分依次地沉积在构件体上，由此在涂层期间可以减少调节或控制费用。
[0015]在优选的实施形式中，适配涂层至少部分构成为金属的。与聚合物层相比，借此获得适配涂层更长的寿命。此外，借此还可获得在涂层组分方面更大的变化性，因为对于构件的设定应用，只考虑不多的聚合物。也可通过适配涂层的所述至少部分的金属的实施形式，更好地考虑构件的不同负荷情况，从而本发明可以应用在更广泛的领域。在此还有利的是，适配涂层借此具有更好的热导性，从而可以更好地避免在涂层中出现的不希望的相变，并且涂层因此在更长时期至少大致具有原始的相组分，从而其性能在运行中在更长时期至少大致保持不变。
[0016]在针对本发明进行的试验过程中已表明，如果涂层通过多成分系统构成，则适配涂层特别适用，其中，至少一种成分选自包括过渡金属、过渡金属氮化物、过渡金属碳化物、过渡金属氧化物以及其混合物的组，其中，按照本发明的一种实施变化方案，多成分系统的一种另外的成分选自包括Sn、Mg、Al、In、B1、S1、N1、Ag、Cr和Fe的组。特别是适配涂层含有Ag和Cr或CrN成分，或Ag、Sn和Cr或CrN成分，其中，Ag含量从外涂层表面朝构件体方向逐渐减少，或Sn和Cr成分或Cu和Cr和必要时还有Sn成分，其中，Sn含量从外涂层表面朝构件体方向逐渐减少，或Ag和Ti和必要时还有Sn成分,其中，Ag含量从外涂层表面朝构件体方向逐渐减少。另外已表明还有利的是，适配涂层由一种锡青铜或铝青铜构成，其中，必要时含有氮化铬、Fe、Cr、N1、Ag成分中的至少一种。
[0017]然而在无先决条件下，即在涂层内至少其中一种成分的份额是变化的，适配涂层通常也可以含有成分Ag和Cr，或Ag和Sn和Cr，或Cu和Cr，或Cu和Sn和Cr，或Cu和Al和Fe和Cr，或Ag和Ti，或Ag和Sn和Ti。
[0018]按照构件的另一种实施变化方案设定，适配涂层至少大致或完全没有磨料颗粒，也就是没有会在组件的另外的构件的与所述构件的齿部啮合的齿部上引起磨损的磨料颗粒。因此就是说主要通过适配涂层本身的变形功而不是通过在啮合的齿部区域内的适当的材料磨蚀实现提高质量，从而所述另外的构件，也说是例如先前描述的带有“挤压齿部”的构件，至少在很大程度保持完好无损。通过阻止材料磨蚀来减少赃物进入到设置用于润滑齿部的润滑油中，从而润滑油可以使用更长时间。由于润滑油本身不带有由一种这类磨损产生的赃物，所以适配涂层以后在外涂层表面可以构成得更硬，因为不必设置用于防止这些赃物颗粒嵌入涂层的软的基质组成部分中的防御措施，由此适配涂层的负荷能力又可以得到改善。
[0019]为了改善适配涂层在构件体上的附着力，在适配涂层和构件体之间设置一个增附剂层。
[0020]如果适配涂层设有孔隙度，其中，孔隙度特别是在0.5%和20%之间，优选的在5%和12%之间，就获得了适配涂层的更好的吸油能力或更好的含油能力，继而减少磨损。在此在适配层中的气孔优选具有最大2 μ m特别是最大0.5 μ m的直径。
[0021]为此在一种实施变化方案中，孔隙度从外涂层表面朝构件体方向逐渐减小。换言之，在适配涂层中形成孔隙度梯度。由此一方面可以实现上述改善的含油能力，而另一方面可以实现适配涂层在构件体上改善的附着力。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为更好理解本专利，借助下列附图更详细地说明本发明。
[0023]分别以示意简化的图示出:
[0024]图1由两个齿轮构成的具有相互啮合的齿部的组件的侧视图，
[0025]图2设有适配涂层的构件的表面轮廓的片断，
[0026]图3适配涂层的两条硬度变化曲线，
[0027]图4组件的另一种实施变化方案的侧视图，
[0028]图5 —个实例涂层的硬度变化曲线，
[0029]图6—个另外的实例涂层的硬度变化曲线，
[0030]图7布置分析的图，
[0031]图8对于按照图6的布置分析的第一次试验的原信号，
[0032]图9对于按照图6的布置分析的第二次试验的原信号，
[0033]图10作为关于所有简谐的基本振荡和谐波振荡的总电平的高速运行测量的变化曲线，
[0034]图11对于按照图9的总电平的第一布置的高速运行测量的变化曲线，
[0035]图12对于按照图9的总电平的第二布置的高速运行测量的变化曲线，
[0036]图13对于按照图9的总电平的第三布置的高速运行测量的变化曲线，[0037]图14对于按照图9的总电平的第三布置的高速运行测量的变化曲线。
【具体实施方式】
[0038]开始要确定，在多种不同描述的实施方式中，相同部件设有相同的附图标记或者相同的构件名称，其中，在整个说明书中包含的公开内容按照意义可以传递到具有相同附图标记或相同构件名称的相同部件上。在说明书中选择的位置说明，例如上、下、侧等涉及直接描述和示出的图并且在位置变化时应按照意义传递到新位置上。
[0039]在具体描述中，对数值范围的所有说明应如此理解，以致这些数值范围将由此得出的任意的和所有的部分范围包括在内，例如说明I至10应这样理解，将由下限I和上限10开始的所有部分范围都包括在内，也就是所有部分范围以下限I或更大开始并且在上限10或更小结束，例如I至1.7，或3.2至8.1或5.5至10。
[0040]图1示出了包括一个构件2以及一个另外的构件3的组件I。构件2具有正齿部形式的齿部4。同样，构件3也具有正齿部形式的齿部5。两个齿部4、5在构件2、3的运行中相互啮合，从而当构件3与一个未示出的驱动装置连接时，则例如由构件3驱动构件2。构件2的齿部4在正面具有一个适配涂层6。
[0041]两个构件2、3构成为制有直齿部的正齿轮。然而，本发明并不局限于正齿部。，通常适配涂层6可以涂覆到所有已知类型的、必要时设有高度球面性和/或宽度球面性的齿部上，这样例如也可以涂覆到斜齿部等上。此外，适配涂层6既可涂覆到外齿部上，也可涂覆到内齿部上。
[0042]尽管设计为齿轮的构件2是本发明优选的实施形式，但是通常一些不同的具有齿部的构件例如齿条也可以设有适配涂层6。
[0043]优选的是，齿部4在正面在整个圆周上设有适配涂层6。但是在本发明范围内也存在仅对齿部4的正表面的一些部分进行涂层的可能性，也就是例如仅对齿侧面进行涂层，或者仅对其中一个齿侧面进行涂层，例如在不设定齿轮沿两个旋转方向运转时。
[0044]在本发明所示的实施方案中，另外的构件3的齿部5没有适配涂层6，特别是当这一构件3是被驱动构件3，而构件2是被构件3推动的构件2时，如先前所述那样。在这种情况下，另外的构件3的齿部5具有比构件2的齿部4更高的齿部质量，从而构件3在组件I的运行中起用于构件2的齿部4的“挤压轮”的作用。
[0045]然而也可以是，其齿部5至少部分设有适配涂层6，其中必要时该适配涂层6的组分或特性曲线可以区别于构件3的齿部4的那些适配涂层，虽然两个齿部4、5也可以具有拥有同一特性曲线的同一适配涂层6。在该实施方案中还具有优点的是，另外的构件3起“挤压轮”的作用，为此，又是其具有两个齿部4、5中更高齿部质量的齿部5和/或另外的构件3的齿部5的适配涂层6至少在外区域，也就是在与构件2的齿部4贴靠的那个区域，可以具有比构件2的齿部的适配涂层更高的硬度。
[0046]如以上已描述的那样，利用适配涂层6可以以一定特征改善构件2的齿部4的齿部质量，通过的方式是使这一适配涂层已在啮合的齿部4、5的磨合阶段期间至少部分变形。在此构件2的齿部4的表面不均匀性通过另外的构件3的齿部5的挤压而至少部分得以补偿，也就是被整平。在此处要提及的是，两个构件2、3即两个齿轮保持固定的轴距，从而就是说两个构件2、3中没有一个总是朝另外一个构件2、3运动。[0047]为清楚说明这一效应，图2示出来自具有其上涂覆的适配涂层6的齿部4的表面几何形状的示意片断。如可清楚地看出的那样，齿部4的微几何形状具有带突起部7和凹陷部8的粗糙轮廓。依赖于生产条件，齿部4的整个表面至少大致以相同的层厚9进行涂层，微几何形状的这种外形至少大致传布到适配涂层6的在运行中与另外的构件3即对应齿轮的齿部5的表面接触的外涂层表面10上。这样在运行中，另外的构件的与齿部4啮合的齿部5通过在此传递的力将材料从适配涂层6的轮廓峰11传送到特别是邻接的轮廓谷12，从而在适配涂层6的外涂层表面10上的外形至少大致被整平，继而产生一个至少大致平的外支承层13，如在图2中虚线所示。由于这一原因还具有的优点是，另外的构件3的齿部5，也就是特别是被驱动的对应轮，比齿部4具有更高的齿部质量，因为该另外的构件3起“挤压轮”的作用。然而要提及的是，外支承层13的平整度取决于齿部4的齿部质量，因此完全可能的是，该外支承层13 —如以既往地具有造型，然而该造型小于原始造型，但其中，无论如何都实现了齿部质量的改善。例如，从质量8级齿部2借助适配涂层6在磨合中可以以明显合算的生产成本最终达到质量7至6级齿部2。适配涂层6发生变形之后，构件2或适配涂层6在这一区域更硬的层的硬基底抵抗进一步变形，如下面还要详细说明的那样。
[0048]除了将材料从轮廓峰11传送到轮廓谷12外，如果生产具有孔隙度的适配涂层6，则还存在至少部分压缩轮廓峰11的可能性，其中，通过这种孔隙度同时获得适配涂层6的更好的含油能力。在此优选的是，孔隙度在0.5%和20%之间，特别是在5%和12%之间，这意味着，在适配涂层6中存在0.5%和20%之间，特别是在5%和12%之间的自由气孔容积，其中，关于适配涂层6的整个气孔容积，特别是存在至少大部分，即至少直至20%份额的敞开的气孔。在此还具有的优点是，在适配涂层6中的气孔具有最大2 μ m特别是最大0.5 μ m的直径。尽管有孔隙度，为了总体改善适配涂层6的附着力或适配涂层6的强度，具有优点的是，孔隙度从外涂层表面10朝构件2的构件体14方向逐渐减少。例如，孔隙度可以从在外涂层表面10的20%的值减少到在相对于位于其下面的构件体14的界面的0%的值，或相对一个在适配涂层6和构件体14之间的中间层的界面连续地例如线性地或指数地或逐步地例如步进地减少到5%。通过提高的压力或低的涂层温度或通过附加添加可化学去除或可热去除成分(例如一种金属或聚合物)可以在适配涂层6中产生所述孔隙度。如果在沉积期间降低温度和/或升高压力或者如果在沉积期间减小偏压，例如将获得孔隙度梯度。
[0049]为构成所述的支承层13，适配涂层6以最大为5 μ m的层厚9进行沉积。但层厚9最终取决于齿部4的要涂层的齿部质量。例如在质量6级齿部2中，具有50mm至125mm的节圆直径和2至3.55的标准模数，可以具有8 μ m的最大轮廓形状偏差ff和7 μ m的单个分度偏差fp，使用最大5 μ m的层厚9，特别是在3 μ m至4 μ m之间的范围内选择的层厚9。然而优选支承层13在齿部4的表面轮廓的最高峰7上方至少0.5 μ m特别是至少2 μ m构成。出于这一原因，即使粗糙轮廓在峰7和谷8之间具有明显较小的高度差，也使用直至最大5μπι的层厚9。
[0050]优选的是，适配涂层6至少部分是金属的，就是说优选使用的多成分系统的至少单个成分由金属或金属合金构成。但是原则上聚合物材料也可用作适配涂层9，像例如置入金属基质中的有或没有添加剂的PAI或PEEK、Teflon，或置入聚合物材料中的添加剂如金属或金属硫化物、金属碳化物或金属氮化物。
[0051]多成分系统的至少一种成分选自包括过渡金属、过渡金属氮化物、过渡金属碳化物、过渡金属氧化物以及其混合物的组。适配涂层6中的这种成分的份额在的O重量％和90重量％之间，特别是在的4重量％和30重量％之间。优选的是这种成分颗粒状存在，具有最大0.3 μ m的颗粒尺寸，特别是具有在0.03 μ m和0.1 μ m之间的颗粒尺寸。
[0052]多成分系统中的一种另外的成分优选选自包括Sn、Mg、Al、In、B1、S1、N1、Ag、Cr和Fe的组，其中，其在适配涂层6中的份额在5重量％和80重量％之间，特别是在20重量％和50重量％之间。该另外的成分的颗粒尺寸为最大0.5 μ m，特别是这种成分具有在0.01 μ m和0.2 μ m之间的颗粒尺寸。
[0053]按照优选的第一实施变化方案，适配涂层6含有Ag和Cr或CrN成分，其中，Ag含量从外涂层表面朝构件体方向逐渐减少。在此,Ag分额可以在2重量％和98重量％之间。其余为Cr或CrN。
[0054]按照另一种优选的实施变化方案，适配涂层6具有Sn和Cr成分，其中，Sn含量从外涂层表面朝构件体方向逐渐减少。在此，Sn份额可以6重量％和94重量％之间。其余为Cr。
[0055]证明有利的还在于，适配涂层6含有Ag和Ti成分，其中，Ag含量从外涂层表面朝构件体方向逐渐减少。在此，Ag分额可以在3重量％和97%重量％之间。其余为Ti。
[0056]还优先的是，适配涂层6由青铜或铝青铜构成，必要时具有Cr份额。青铜的Cu份额可以在98重量％和60重量％之间，Sn的份额在O重量％和12重量％之间，或铝青铜的Al份额可以在0.5重量％和20重量％之间。只要含有Cr，其份额就在0.1重量％和80重量％之间。
[0057]适配涂层的优选的组分由下面的表1给出。用于组合的所有说明可以理解为重量％。各个成分的份额的优选范围置放入括号内。
[0058]表1:适配涂层6的组分
[0059]
【权利要求】
1.构件(2)，具有一个构件体(14)，该构件体具有齿部(4)，其特征在于，在该齿部(4)上至少部分涂覆有适配涂层(6)，该适配涂层具有最大5 μ m的层厚。
2.按照权利要求1所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)从外涂层表面(10)朝构件体(14)方向具有逐渐增加硬度的硬度梯度。
3.按照权利要求2所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)在外涂层表面(10)上具有选自具有HV40下限和HV1000上限范围的硬度。
4.按照权利要求2或3所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)在与外涂层表面(10)对置的、指向构件体(14)方向的第二表面上具有选自具有HV400下限和HV1000上限范围的硬度。
5.按照权利要求1至4之一所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)由多个不同的分层构成。
6.按照权利要求1至5之一所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)至少部分是金属的。
7.按照权利要求1至6之一所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)通过一个多成分系统构成，其中，至少一种成分选自包括过渡金属、过渡金属氮化物、过渡金属碳化物、过渡金属氧化物以及其混合物的组。
8.按照权利要求7所述的构件(2)，其特征在于，多成分系统的一种另外的成分选自包括 Sn、Mg、Al、In、B1、S1、N1、Ag、Cr 和 Fe 的组。
9.按照权利要求1至6之一所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)含有Ag和Cr或CrN成分，或Ag、Sn和Cr或CrN成分，其中，Ag含量从外涂层表面(10)朝构件体(14)方向逐渐减少。
10.按照权利要求1至6之一所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)含有Sn和Cr成分,或Cu和Cr和必要时含有Sn成分,其中，Sn含量从外涂层表面朝构件体(14)方向逐渐减少。
11.按照权利要求1至6之一所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)含有Ag和Ti和必要时有Sn成分，其中，Ag含量从外涂层表面(10)朝构件体(14)方向逐渐减少。
12.按照权利要求1至6之一所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)由锡青铜或铝青铜构成。
13.按照权利要求12所述的构件(2)，其特征在于，锡青铜或铝青铜含有氮化铬、Fe、Cr、N1、Ag成分中的至少一种。
14.按照权利要求1至13之一所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)至少大致或完全没有磨料颗粒。
15.按照权利要求1至14之一所述的构件(2)，其特征在于，在适配涂层(6)和构件体(14)之间设置一个增附剂层。
16.按照权利要求1至15之一所述的构件(2)，其特征在于，适配涂层(6)具有在0.5%和20%之间的孔隙度。
17.按照权利要求16所述的构件(2)，其特征在于，在适配涂层中的气孔具有最大2μ m的直径。
18.按照权利要求16或17所述的构件(2)，其特征在于，孔隙度从外涂层表面(10)朝构件体(14)方向逐渐减小。
19.组件(1)，包括至少两个分别具有齿部(4、5)的构件(2、3)，其中，所述至少两个齿部(4、5)相互啮 合，其特征在于，其中至少一个构件(2、3)按照权利要求1至18之一构成。
【文档编号】F16H55/06GK103547837SQ201280022583
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年5月10日 优先权日:2011年5月11日
【发明者】G·艾特青格尔, K·普赖因法尔克 申请人:高科涂层有限公司