专利名称：齿轮表面处理工序的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及齿轮和为增强耐磨性而对齿轮进行的处理。特别是，本发明涉及用于对齿轮基底表面进行处理的改进工序，所述改进工序有助于接收和保持施加的耐磨涂层。
背景技术：
长期以来在汽车和其它机械中使用齿轮以在部件之间传递外加转矩。齿轮常常成形为结合了被构造用以啮合组件内的配合表面的突出表面或齿的转轮、蜗轮或直齿条。通过这种啮合在部件之间传递动力。
典型地通过由适当的金属合金铸造或锻造出所需的整体形状并且随后通过机加工作业例如滚齿或剃齿而切出齿，从而成形出齿轮。在制造齿轮时常常使用可硬化的铁基合金，这是因为铁基合金在初始成形之后能够通过热处理技术而得到硬化。通常通过使经过机加工的元件在富含碳和/或其它处理组分的受控处理气氛中经受高温长达预定的一段时间，以便允许处理组分至少渗入达到预定的深度，从而进行热处理。然后对所述元件进行油淬从而锁定热处理特征。这样的处理大体上使所述元件的硬度有所增大。
所采用的热处理作业典型地在受到处理的元件表面上面留下多层氧化皮。该氧化皮可由氧化铁、烘焙油脂(baked on oil)、烟炱和其它杂质的组合物构成。必须在齿轮上施加任何保护性涂层之前除去该氧化皮。过去已经发现在不损伤齿轮表面的条件下，难以从齿轮上高效地将所述氧化皮清洗达到适当的水平，用以后续施加保护性涂层。
发明内容
通过采用以下工艺，即对经过热处理的齿轮或其它元件进行一系列分阶段进行的不连续的清洗步骤，从而产生基本上没有氧化皮的表面，使得所述表面适于后续施加保护性涂层，本发明相对于已公知技术而言具有一定优势和/或提供了优于已公知技术的其它可选方式。
被结合在本说明书内的且构成本说明书一部分的以下附图示出了根据本发明所述的示范性工艺，所述附图连同下面的说明书一起用于解释说明本发明的原理，其中图1是示出了用于制备经过热处理的齿轮的一种示范性工艺中的处理步骤的框图；和图2是示出了作为图1所示示范性工艺一部分的一种示范性一次化学清洗工序中的各步骤的框图。
虽然下文中的描述是结合所示流程图和一些潜在优选的工序而给出的，但是应该理解和意识到本发明绝不限于在此所示出和描述的这些工序。相反，本发明的保护范围旨在延伸至所有的可选方式和变型，如可以包括落入本发明的真实精神和范围内的更宽的保护范围。
具体实施例方式
下面参见图1，在图中所示的实践中，初始步骤优选包括通过进行作业如滚齿和剃齿以便成形出具有所需布置的突出齿轮齿，从而对由铁基合金材料或类似材料制成的齿轮进行机加工。在机加工作业之后，对所述齿轮进行批量热处理以增大硬度和耐磨性。在热处理过程中，可根据需要对齿轮进行渗碳和/或对齿轮进行碳氮共渗和/或对齿轮进行其它处理。在结束热处理时，齿轮上典型地至少局部覆盖有强韧地粘附着的氧化皮，所述氧化皮必须在施加任何可能需要的涂层之前被除去。为了高效且有效地除去所述氧化皮，在不损伤齿轮基底表面的情况下，优选对所述齿轮进行结合了化学清洗和机械清洗的多步清洗工艺。
作为所述清洗工艺中的初始步骤，对具有粘附着的氧化皮的齿轮进行结合了电流或阴极清洗以及酸液浸蚀的初步或一次化学清洗，从而使氧化皮部分溶解或有效软化。图2中示出了表示一种示范性的一次化学清洗工序的框图。仅通过实例的方式，而非限制性地，所述一次化学清洗优选包括将齿轮浸泡在标准碱性浸渍清洗剂中达约15分钟，随后在水中进行漂洗。在进行浸泡后，在标准碱性清洗溶液或类似溶液中对齿轮进行阴极清洗长达约60-90秒。已经发现在阴极清洗过程中施加的大小在约4-6伏特范围内的外加电压获得了较好的结果。在阴极清洗后，在水中对齿轮进行漂洗并且将齿轮浸泡在氢氯酸溶液体积百分比为约60％的酸性溶液中达约60-120秒。在一种特别优选的实践中，所述酸性溶液为在水中溶解有60％的37％试剂等级的氢氯酸。然而，如果需要的话，也可以使用其它适合的酸性溶液。之后在水中对齿轮进行漂洗并且通过将齿轮浸蘸在碱性浸渍清洗剂中而中和掉任何剩余的酸。之后对齿轮进行漂洗和干燥。
在进行初步化学清洗之后，对具有显著软化的氧化皮表面的齿轮进行蒸汽喷射表面处理。这种蒸汽喷射处理包括利用压缩气体如空气使水或其它适合流体中的微观磨料颗粒的悬浮体朝向处理表面产生加速。在进行蒸汽喷射期间，悬浮体颗粒沿所述表面受到阻曳，从而除去表面上相当大部分的较软的残留物。还可以撞掉表面上较大的凸起，由此进一步提高表面光洁度。优选使用比用于进行齿轮制造的钢中的最软成分更软的颗粒进行蒸汽喷射。另外，优选将使颗粒加速过程中所使用的空气压力设定为能够避免使表面受到潜在损伤的水平。仅通过实例的方式，而非限制性地，已发现通过使用水中的浮石颗粒(约5-20％)进行蒸汽喷射可获得良好的效果，其中使用20-60psi的空气压力对所述齿轮一个齿一个齿地进行蒸汽喷射。
据信在进行蒸汽喷射之前结合进行化学清洗可使蒸汽喷射工艺显著加速并且显著改善了其效果。该得到改善的效果使得能够使用如此低硬度的颗粒和如此低的空气压力，同时仍能提供优良的氧化皮去除性能。因此，在不牺牲氧化皮去除性能的情况下，大大降低了使基底材料受到损伤的潜在可能。如果需要的话，可重复进行化学清洗和蒸汽喷射步骤。
在进行初步化学清洗和蒸汽喷射后，优选对齿轮进行二次或最终化学清洗工序。在进行最终化学清洗期间，优选在标准碱性清洗溶液中对齿轮进行阴极清洗达约60秒，从而除去任何浮石残留物。另一种可选方式是，在进行蒸汽喷射之后，可以立即对齿轮进行清洗并且在无水醇或乙醇、2-丙醇与甲醇的混合物超声浴中进行脱水。
在蒸汽喷射和化学清洗结束之后，该齿轮通常仅保留一层薄的氧化物层，所述薄的氧化物层对应于在暴露于空气中的清洁金属表面上形成的初生氧化物层。根据潜在优选的实践方式，通过在真空条件下采用离子浸蚀工序，从而除去该氧化物层。如所意识到地，离子浸蚀是一种引导得到加速的离子朝向所述基底、使其撞击到所述基底上并且除去基底小颗粒的工艺。从表面上除去的材料厚度非常小并且通常为纳米级。因此，在不明显去除下层的基底材料的情况下，即便薄的氧化物层是也可以被有效地除去。仅通过实例的方式，根据一种预期的实践方式，可在压力达10-3托的充注有氩的真空室中在所述室中等离子体被引燃的条件下进行约30分钟离子浸蚀。所述齿轮被提供约-400V的负加速电压，且少量的Cr离子被加到等离子体中。
在实践了上面列出的工序之后，在进行蒸汽喷射后保留的氧化物层比进行化学浸蚀后残留的所述层要薄大约6倍，且比进行热处理后残留的所述层要薄8倍。之后通过进行离子浸蚀而大体上除去所述残留层。齿轮齿足够清洁，从而允许采用蒸汽沉积或其它适当的技术施加和附着耐磨和抗疲劳涂层，例如氮化铬、氮化钛等。
应该理解虽然已结合潜在优选的实施例和工序对本发明进行了图解说明和描述，但是这些实施例和工序仅是示例性的且本发明不是旨在限于这些实施例和工序。而是可以预期本领域的技术人员可以毫无疑问地作出体现本发明原理的多种变型和改型。因此，应该预期本发明的保护范围应该延伸至所有这些变型和改型，如可以包括落入本发明的真实精神和范围内的更宽的保护范围。
权利要求
1.一种对经过热硬化的合金齿轮构件进行处理用以接收保护性涂层的方法，所述齿轮构件上至少部分地覆盖有氧化皮，所述方法包括以下步骤(a)对所述合金齿轮构件进行化学处理，所述化学处理包括进行阴极清洗，之后进行酸液浸蚀，从而软化和至少部分地溶解所述氧化皮；(b)在进行化学处理步骤“a”之后，利用流体悬浮液中的磨料颗粒悬浮体对所述合金齿轮构件进行蒸汽喷射；(c)在进行蒸汽喷射之后对所述合金齿轮构件进行清洗从而除去附着的颗粒残留物；以及(d)在进行步骤“c”之后在真空室中对所述合金齿轮构件进行离子浸蚀，从而基本上除去任何剩留的氧化物层。
2.根据权利要求1所述的发明，其中在步骤“a”中，所述阴极清洗在碱性溶液中进行。
3.根据权利要求2所述的发明，其中在步骤“a”中，所述化学处理进一步包括在进行阴极清洗之前将所述合金齿轮构件浸泡在碱性溶液中。
4.根据权利要求2所述的发明，其中在步骤“a”中，所述化学处理进一步包括在进行酸液浸蚀之后将所述合金齿轮构件浸没在碱性溶液中，从而至少部分地中和任何剩余的酸。
5.根据权利要求1所述的发明，其中在进行蒸汽喷射过程中所使用的所述磨料颗粒比形成所述齿轮构件的合金材料更软。
6.根据权利要求5所述的发明，其中在进行蒸汽喷射过程中所使用的所述磨料颗粒是浮石颗粒。
7.根据权利要求5所述的发明，其中在约20至约60磅/平方英寸的空气压力下进行蒸汽喷射。
8.根据权利要求1所述的发明，其中在步骤“c”中，采用在碱性溶液中进行阴极清洗或在醇浴中进行超声清洗中的至少一种方法对所述合金齿轮构件进行清洗。
9.根据权利要求1所述的发明，其中在步骤“d”中，在真空室中点燃的其中已添加铬离子的等离子体中进行离子浸蚀。
10.根据权利要求9所述的发明，其中在步骤“d”中，在大约10-3托的压力下进行离子浸蚀。
11.根据权利要求9所述的发明，其中在步骤“d”中，在进行离子浸蚀的过程中向所述合金齿轮构件施加负的加速电压。
12.一种对经过热硬化的合金齿轮构件进行处理用以接收保护性涂层的方法，所述齿轮构件上至少部分地覆盖有氧化皮，所述方法包括以下步骤(a)对所述合金齿轮构件进行化学处理，所述化学处理包括以下步骤将所述合金齿轮构件浸泡在碱性溶液中，随后对所述合金齿轮构件进行阴极清洗，随后对所述合金齿轮构件进行酸液浸蚀，从而软化和至少部分地溶解所述氧化皮；(b)在进行化学处理步骤“a”之后，利用流体悬浮液中的磨料颗粒悬浮体对所述合金齿轮构件进行蒸汽喷射，其中在进行蒸汽喷射过程中所使用的所述颗粒比形成所述合金齿轮构件的合金材料更软；(c)在进行蒸汽喷射之后对所述合金齿轮构件进行清洗从而除去附着的颗粒残留物；以及(d)在进行步骤“c”之后在真空室中对所述合金齿轮构件进行离子浸蚀，从而基本上除去任何剩留的氧化物层，其中在真空室中点燃的其中已添加铬离子的等离子体中进行离子浸蚀。
13.根据权利要求12所述的发明，其中在步骤“a”中，所述化学处理进一步包括在进行酸液浸蚀之后将所述合金齿轮构件浸没在碱性溶液中，从而至少部分地中和任何剩余的酸。
14.根据权利要求12所述的发明，其中在进行蒸汽喷射过程中所使用的所述磨料颗粒是浮石颗粒。
15.根据权利要求14所述的发明，其中在约20至约60磅/平方英寸的空气压力下进行蒸汽喷射。
16.根据权利要求12所述的发明，其中在步骤“c”中，采用在碱性溶液中进行阴极清洗或在醇浴中进行超声清洗中的至少一种方法对所述合金齿轮构件进行清洗。
17.根据权利要求12所述的发明，其中在步骤“d”中，在大约10-3托的压力下进行离子浸蚀。
18.根据权利要求12所述的发明，其中在步骤“d”中，在进行离子浸蚀的过程中向所述合金齿轮构件施加负的加速电压。
19.一种对经过热硬化的合金齿轮构件进行处理用以接收保护性涂层的方法，所述齿轮构件上至少部分地覆盖有氧化皮，所述方法包括以下步骤(a)对所述合金齿轮构件进行化学处理，所述化学处理包括以下步骤将所述合金齿轮构件浸泡在碱性溶液中，随后在碱性溶液对所述合金齿轮构件进行阴极清洗，随后对所述合金齿轮构件进行酸液浸蚀，从而软化和至少部分地溶解所述氧化皮；(b)在进行化学处理步骤“a”之后，利用流体悬浮液中的浮石颗粒悬浮体对所述合金齿轮构件进行蒸汽喷射；(c)在进行蒸汽喷射之后对所述合金齿轮构件进行清洗从而除去附着的颗粒残留物；以及(d)在进行步骤“c”之后在真空室中对所述合金齿轮构件进行离子浸蚀，从而基本上除去任何剩留的氧化物层，其中在真空室中点燃的其中已添加铬离子的等离子体中进行离子浸蚀，其中在进行离子浸蚀的过程中向所述合金齿轮构件施加负的加速电压。
全文摘要
一种对经过热处理的构件进行表面处理以除去氧化皮的方法。对该经过热处理的构件进行一系列分阶段进行的不连续的化学和物理清洗步骤，从而产生基本上没有氧化皮的表面，所述表面适于后续施加保护性涂层。
文档编号B23H5/00GK101080331SQ200580043293
公开日2007年11月28日 申请日期2005年11月17日 优先权日2004年12月16日
发明者L·C·莱夫, M·J·卢基特施, Y·-T·程, A·M·维纳, R·F·帕拉奇 申请人:通用汽车公司