专利名称：：包含粉末金属部件的复合组合件的制作方法
技术领域：
：本发明涉及制造包含粉末金属部件的组合件的方法以及该组合件。
背景技术：
：在机械装置中使用的许多部件具有复杂的形状。这些部件可以通过适当的机械加工从实心钢坯制成，但这通常不能有效使用材料，特别是对于大量生产。作为替代方案，可以铸造复杂的形状并随后加工到其最终尺寸。这产生较小的浪费，但铸造过程是劳动和能量密集的过程。利用粉末金属制造过程以制成复杂形状的部件也是众所周知的。在该过程中，铁和其它添加剂的粉末在压力下成型以产生最终形状的"生坯"部件，然后穿过烧结生坯部件的炉子。最终部件可具有接近锻钢特性的特性并且已经被广泛用于包括动力传动的许多领域中。将部件成型到其近净形状(nearnetshape)的能力使材料的浪费最小化并增加生产效率。由于这些结构组合件的几何形状和设计以及在粉末金属部件(PMC)的制造中所用设备和工艺的;^现状，因此PMC的使用在许多应用中受到限制。存在许多通过使用沖压、锻造或铸造工艺制成的扭矩传递部件和组合件，但是由于PMC不能容易地与锻钢接合，因此这已经限制了PMC在这类应用中的使用。存在使用机械紧固件或电容放电焊接将PMC连接到非PMC部件的应用，其或者由于有限的扭矩承载能力而具有有限的应用，或者由于增加的生产成本和制造的复杂性而难以实用。在美国专利3717442中>5^开了可将粉末金属部件接合到诸如钢、铸铁等的实心锻造基材的铜焊合金。在美国专利4029476中公开了对该铜焊合金的改进，其还提到3717442的铜焊合M到的一些困难。在每个这些文献中，提出在粉末金属部件的烧结过程中铜焊两个部件。这使锻钢部件在烧结表面内经历高温，其可导致钢的变形和性能退化。因此，在以上专利中说明的工艺被认为不适合用于生产使用精密加工的高载荷部件和粉末金属部件的组合件。因此，本发明的目的是消除和减轻上述缺点。
发明内容一般而言，本发明的一个方面提供一种组合件，其中粉末金属部件4皮铜焊到钢基材上，随后将扭矩传递元件焊接到基材上。优选钢基材具有大于12%和小于45%、更优选18~26%和最优选18%的碳含量。作为进一步的优选，扭矩传递部件可以是轴或离合器机构或内齿圏(aimulusgear)并被激光焊接到基材上。在本发明的另一方面中提供一种组合件的制造方法，该方法包括以下步骤从粉末金属成型部件；将所述部件支撑在钢基材上；在所述钢基材和所述部件之间设置铜焊合金；使所述部件和基材通过烧结炉以烧结所述部件并将所述基材铜焊到所述基材上；和随后将扭矩传递元件焊接到所述基材上。优选地，所述方法包括激光焊接扭矩传递元件的步骤。现在将仅以举例的方式参照附图来说明本发明的实施方案，其中图l是行星齿轮托架组合件的分解透视图；图2是图1的托架组合件的纵剖面；图3是生产图l和2的组合件的步骤示意图；图4是图1和2所示托架组合件的一部分的详细视图；图5是用于生产图l组合fr的烧结炉的温度曲线图。具体实施方式因此参照图1,行星齿轮托架组合件10包括具有基座14的托架12。支腿16以隔开的间隔从基座14上伸出并止于端面18。托架12由粉末金属成型，并且在烧结之前处于"生坯"状态。粉末是包含铁、铜、碳和其它可能的诸如钼、锰、铬和镍的合金化元素的铁粉金属合金。托架12通过在19指示的铜焊连接到从轧制钢料压制的基材20，该基材20具有相对较低的、典型为ASTM1018或ASTM1026级的碳含量。一般地，碳含量在12%和45%之间，优选在18%和26%之间。选择较高的碳含量以在烧结过程中在退火后提供足够的强度，同时保持基材的可焊接性。基材20具有容纳轴26的凸台24的中心孔22。凸台24沿其外缘被激光焊接到基材20上，如25所示。轴26设置为在行星齿轮托架12和驱动件(未示出)之间传递扭矩，并由i者如ASTM4130的高抗拉钢的钢料加工而成。一般地，轴26可以是中空的或实心的，并包括其外表面上用于配合驱动件的脊部28和在驱动件中支撑轴26的轴承面30。一般热处理轴26，并在装配到托架组^fr10中之前被部分加工至'J加工尺寸(in-processdimension)。为有利于支腿16与基材20的连接，在基材中每个支腿16的位置处形成凹槽32，如在图4中最清楚地看到的。凹槽32具有面向支腿16的端面18的凹陷配合面34。配合面34在冲压/精压^Mt的过程期间或之后被粗糙化以提高铜焊19的结合。冲压得到的钢基材的表面光洁度一般具有最大0.001mm的平均表面光洁度Ra和最大0.005mm的峰谷^BJ^度(peaktovalleyroughness)Ry。在配合面34被粗糙化之后，平均粗糙度Ra将具有一般为0.005mm的值和在0.015和0.080mm之间的峰谷^L^;度Ry。在图3中用示意图显示形成行星齿轮托架组合件10的步骤。最初，将托架12成型为需要的尺寸，并从轧制钢料沖压得到基材20。将配合面34粗糙化，并将基材20放在板P上。将铜焊粒料19放在形成于支腿16的每个端面18中的凹穴35内(图3a)，并将"生坯"托架12放在基材上，使每个支腿16被容纳在各自的凹槽32中(图3b)。铜焊粒料19熔化并形成铜焊合金，由此焊接端面18和配合面34。将台板Pi^v并穿过保持高温的烧结炉S(图3c)以将生坯托架12烧结成最终部件。在穿过炉子S的过程中，基材20以稳定的方式支撑托架12以维持托架12的尺寸精度。基材自身被升到炉子S的温度，引起晶粒结构的变化。基材20的显微结构从精细的珠光体变为较粗的晶粒结构，从而导致屈服强度和极限抗拉强度的降低。但是，在基材中使用的较高的碳含量将基材的物理性能维持在与诸如ASTM1010级的常规非退火轧制钢相当的水平。在穿过炉子S的过程中，铜焊粒料19熔化并部分吸收i^v托架12的支腿16的多孔结构。配合面34不是吸收性的，因此凹槽32用于提供将支腿16固定到基材20上的钎料19的池。基材在位置34处的粗*面结构被设计为优化配合面的润湿性，并产生坚固的铜焊接合。当台板P从炉子S出来时，钎料19固化并以物理方式将托架12固定到基极20上。不吸收配合面的存在以及托架在炉子S内的取向容许使用改进的钎料19以增强连接的负荷能力。使用大于40%的铜含量以提供更好的强度。一般地，该铜含量是不可接受的，因为由于表面张力将被降低并容许钎料^t到PMC体内。但是，位于PMC下方的不可渗透基材降低钎料的吸收，从而容许使用产生良好的表面覆盖度和焊缝的高铜含量合金。优选的钎料组成如下Ni35.0%Cu41.9%Mn13.1%B1.2%Si1.5%Fe7.3%铁含量比典型的钎料大，以增加铜焊接头的物理特性。在冷却和机械加工后，将轴26的凸台24插入孔22中，并且用激光焊接头L沿其外缘进行激光焊接(图3d)。基材20提供用于连接轴26的可焊接结构(或其它扭矩传递元件)，并且激光焊接提供局部加热以避免轴26的变形。随着轴26(或其它扭矩传递元件)被固定，行星齿轮托架组合件完整并准备进行精加工，使它可以以常规方式装备用于动力传动的行星齿轮。在示例性试验中，利用上述过程制成托架组合件并使其经历疲劳试验。烧结炉S是网带传送式炉，例如可从Drever购买的网带传送式炉，其在台板P穿过炉子时提供四个加热区域。在图5中示出温度曲线图并在下列表l中示出在每个区域中设置的温度:区域最低(摄氏度)最高(摄氏度)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>台板以4.4~5.3英寸/分钟之间的速率穿过炉子S，并且穿过炉子的总时间为2小时15分4K在第一组试验中，从1018轧制钢料冲压得到的基材20并从4130钢制成轴26。使轴26经历反转扭矩。对试样进行试验直到失效。为进行比较，使用常规的沖压钢托架而不是PMC托架进行相同的试验。结果在下表中示出<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在上述试验中，与常规的冲压钢结构相比，PMC托架获得优越的性能，其表明具有足够的性能。因此，可以看出，通过设置钢基材，它可被铜焊到PMC部件上并用作用于焊接精密钢部件的基座。尽管是以制造行星齿轮托架进行说明的，但将会认识到，类似的技术可用于其它复合组合件。例如，具有图1虛线轮廓(ghostedoutline)中所示内花键(internalspline)的内齿圈可被装配到孔22内并焊接到基材20上以提供替代性托架结构。虽然已经参照某些特定的实施方案来说明本发明，但在不背离所附权利要求概述的本发明的精神和范围的条件下，其各种修改对于本领域技术人员是显而易见的。上文引用的全部参考文献的全部公开内容通过引用并入本文。权利要求1.一种组合件，其具有由粉末金属形成的第一部件、由钢形成的并通过铜焊连接到所述第一部件的第二部件和焊接到所述第二部件的扭矩传递元件。2.根据权利要求l的组合件，其中所述扭矩传递元件是具有加工光洁度的轴。3.根据权利要求l的组合件，其中所述第二部件是轧制钢板。4.根据权利要求3的组合件，其中所述板具有12%或更高的碳含量。5.根据权利要求4的组合件，其中所述碳含量少于45%。6.根据权利要求5的组合件，其中所述碳含量在18%和26%之间。7.根据权利要求6的组合件，其中所述碳含量为18%。8.根据权利要求3的组合件，其中所述板具有多个形成于其中的凹槽，并且所述第一部件的突起容纳于各自的所述凹槽中以相对于所述第二部件定位所述第一部件。9.根据权利要求8的组合件，其中所述凹槽具有容纳所述突起的配合面，并且所述配合面被^:化。10.根据权利要求8的组合件，其中所述钎料位于所述凹槽中。11.根据权利要求10的组合件，其中所述钎料具有大于40%的铜含12.—种从多个部件形成组合件的方法，其中所述部件中的一个是粉末金属部件，而另外一个是钢部件，所述方法包括以下步骤将处于生坯状态的所述粉末金属部件支撑在所述钢部件上；将铜焊合金布置在所述部件之间；使所述部件穿过烧结炉以烧结所述粉末金属部件并熔化所述铜焊合金；冷却所述部件以固化所述铜焊合金；和随后将扭矩传递构件焊接到所述钢部件上，由此获得整体结构。213.根据权利要求12的方法，其包括在所述钢部件中形成凹槽以容纳所述粉末金属部件突起的步骤。14.根据权利要求13的方法，其包括在将所述突起定位在所述凹槽配合面上之前使所述凹槽的配合面M化的步骤。15.根据权利要求13的方法，其包括在将所述突起定位在所述凹槽内和烧结铜焊操作之后将所述铜焊合金保持在所述凹槽内的步骤。16.根据权利要求12的方法，其包括将所述扭矩传递元件激光焊接到所述钢部件上的步骤。17.—种行星齿轮托架组合件，其具有由粉末金属形成的并具有基座和从所述基座伸出的支腿的托架、由钢形成的并通过铜焊与所述支腿的远端连接的基材和焊接到所述基材上用于传递扭矩的轴。18.根据权利要求17的行星齿轮托架组合件，其中所述基材形成有用于容纳各自的所述支腿的凹槽，并且所述钎料位于所述凹槽内。19.根据权利要求18的行星齿轮托架组合件，其中所述基材具有用于容纳所述轴的中心孔，并且所述轴沿所述孔径的外缘被焊接到所述基材上。20.根据权利要求19的行星齿轮托架组合件，其中所述基材具有大于12%的碳含量。全文摘要一种组合件，其具有由粉末金属形成的第一部件、由钢形成的并通过铜焊与第一部件连接的第二部件和焊接到第二部件上的扭矩传递元件。文档编号B22F7/06GK101218050SQ200680025126公开日2008年7月9日申请日期2006年6月2日优先权日2005年6月6日发明者塞米赫·德米尔,杰米·麦克弗森,格里·瓦尔德,迈克·法罗加申请人:斯泰克普尔有限公司