专利名称：：高疲劳强度齿轮的制作方法
技术领域：
：本发明涉及高疲劳强度齿轮。现有的高疲劳强度齿轮，大都由含Al、Cr等成分的中、低炭钢，如JISSACM645等钢号，适用于软氮化处理的钢材制成。但，向来所用钢材，单凭软氮化处理，并不能得到有很高的疲劳强度的齿轮，尚必须施加例如对钢材进行调质处理，以提高其内部硬度(亦即内部强度)的措施。然而，一般都是对经过机械加工的齿轮的中间体进行软氮化处理，所以，考虑到机械加工性，上述由调质处理而增加的硬度提高的程度，自有其限度，其结果，齿轮的疲劳强度，尤其是齿根的抗弯曲疲劳强度常不能符合要求，此抗弯曲疲劳强度常较渗炭处理的齿轮为低。这是现有技术存在的问题。本发明之目的旨在提供一种具有高疲劳强度且尺寸精确的齿轮，上述齿轮的制造材料为具有良好的塑性加工性能和机械加工性能，且在固溶处理后，可以进行兼做人工时效处理的软氮化处理的特定钢材。为达到上述目的，本发明是在使用下述成分钢材，经过塑性加工的齿轮上，施行固溶处理后，再施加兼作人工时效处理的软氮化处理，而提供出一种高疲劳强度的齿轮；该钢材成分如下C≤0.01％(重量比)、Si≤1％(重量比)，0.05％≤Mn≤0.5％(重量比)，P≤0.1％(重量比)，S≤0.03％(重量比)，0.02％≤sol.Al≤0.1％(重量比)，0.8％≤Cu≤1.7％(重量比)，0.02％≤Ti≤0.1％(重量比)，其余为Fe以及其它不可缺少元素等。含有上述成分的钢材，由于在金属组织上有铁素体单相组织，故具有和软钢大致相同的良好塑性加工性能，和机械加工性能。另外，上述钢材，由于伴随着Cu的过饱和固溶，发挥时效硬化性能，故在经过固溶淬火以后的齿轮中间产品上，再施加人工时效处理则可将齿轮的机械强度予以提高。更进一步，由于是在含炭量极低状态下含有Ti，上述钢材在固溶处理后的人工时效的温度下，有良好的软氮化特性。换言之，此种钢材的人工时效温度与软氮化温度约大略一致。依此原因，通过对齿轮中间产品施加兼作人工时效处理的软氮化处理以后，不做调质处理，也可将齿轮的疲劳强度提高很多。另外不言而喻，将两种处理过程合并在一起进行，可得到节能和降低造价的效果。从提高疲劳强度的角度看来，最好是表面硬化层(亦即全氮化层，下同)的深度d≥0.6mm。但是，该深度d的上限数值，譬如齿轮的厚度为2.2mm以上时，应定为d＝1.0mm。因当d＞1.0mm时齿轮将要脆化。另外，软氮化处理是在较低温下进行，所以齿轮产生的热处理变形也很小。因此，如果在软氮化处理以前做好剃齿加工(shaving)，则在齿轮软氮化处理后仍可保持高的尺寸精度。因此不需要渗炭处理后必需的齿面研磨精加工。现将上述钢材内含有的化学成分的作用效果，以及数量上所以有限制的理由简述如下C为了在钢材内将其金属组织形成铁素体单向组织而确保高的延展性，且加深依软氮化处理产生的表面硬化层，C之含量最好尽量地少。C之含量若为C＞0.01％(重量比)时，则钢材的延展性将变低，同时表面硬化层也将变薄。SiSi为使钢材强度提高的元素，可依所需强度而调配其含有量。但，Si的含量当在Si＞1％(重量比)时，钢材之延展性下降，从而钢材的塑性加工性能将下降。MnMn与Si一样都是可令钢材提高强度的元素，依所需强度要求可以调配其含有量。但Mn的含量若达到Mn＞0.5％(重量比)时，钢材的延展性能会低下，而当Mn＜0.05％(重量比)时，则失去掺加该元素的效果，同时在钢材的表面易生瑕疵。PP与Si、Mn一样是提高钢材强度的元素，依所需强度要求可以调配其含有量。但当P的含量为P＞0.1％(重量比)时将产生二次加工裂隙。S为提高钢材的延展性，S的含量低较好。当S的含量是S＞0.03％(重量比)时，钢材的延展性将会大幅度降低。AlAl具有提高钢材的软氮化处理的效果。但当Al的含量为Al＞0.1％(重量比)时，钢材的塑性加工性能和机械加工性能都下降，另一方面，若Al＜0.02％(重量比)则无掺入该元素的效果。Cu如前所述，Cu可赋予钢材以时效硬化性。但当Cu含量达到Cu＞1.7％(重量比)时，钢材表面的质量恶化，另一方面，若Cu含量Cu＜0.8％(重量比)时则无掺入该元素的效果。Ti如前所述，Ti在含炭极低条件下，可给钢材赋予良好的软氮化特性。即，Ti和Fe形成微细的复氮化物，有使表面硬化层加深的效果。但当Ti的含量Ti＜0.1％(重量比)时，表面硬化层过深，将使钢材变脆。另一方面，若Ti＞0.02％(重量比)则无掺入该元素的效果。上述钢材之中，作为其它掺入元素Ni，其含量可为0.15％(重量比)≤Ni≤0.7％(重量比)。Ni可提高钢材的表面质量，另外也具有防止热脆性的效果。在钢材为钢板的场合，固溶处理多在热轧之同时进行，在轧制加工过程中，是通过将钢板从精轧温度急冷至卷板温度来进行的。在钢材为钢条的场合，也可在轧制加工的最终阶段进行固溶处理，但若该钢条被用作热锻造加工时，则固溶处理是通过在热锻造加工完成后进行急冷，或在兼作结晶粒度调整用的再加热后进行急冷来进行的。对上述精加工温度及热锻造加工的最终温度，也即固溶处理温度T1，设定为780℃≤T1≤1050℃。但是，若固溶处理温度Ti＜780℃则不能使Cu过饱和地固溶，另一方面，若T1＞1050℃则产生结晶粒的粗大化现象从而导致强度和韧性下降。上述钢材的人工时效温度T2为550℃≤T2≤600℃之间。若人工时效温度T2＞600℃则成为过时效，内部硬度下降，故不能充分提高疲劳强度；另一方面，若T2＜550℃，则不能进行人工时效处理以及软人氮化处理。又，处理时间t最好为2小时≤t≤4小时。若处理时间t＜2小时，则表面硬化层之深度d将为d＜0.6mm，又；若t＞4小时，则该深度d将超出上述上限值d＝1.0mm。图1具有复合齿轮的曲轴的正面图。图2副齿轮的立体图。图3表示距表面距离与维氏硬度HV0.2关系的曲线。图4表示应力反复次数N与应力变化幅度σ0之间关系的曲线。如图1所示，曲轴1是用于串联四气缸内燃机的，该曲轴1的旋转扭矩，是通过设于一端部的曲臂2上，具有齿隙消除装置(图未示)的复合齿轮3而传给被动齿轮4的。复合齿轮3是由兼作曲臂2的主齿轮5，和与主齿轮5在同心连线上嵌合于曲轴1而同主齿轮5相接触的副齿轮6所组成。副齿轮6是一种塑性加工齿轮。如图2所示，该副齿轮6呈环形，在其中心部位设有嵌合孔7，并于其周围，在同一圆周上等间隔地形成有若干个方形窗8以及若干个圆形孔9。在各个方形窗8的一端，沿圆周方向设有弯起爪10。该弯起爪10作为齿隙消除装置的一部分而发挥其作用。各个圆形孔9是为减轻副齿轮6的重量而设置的。副齿轮6由于设置有上述嵌接孔7、以及多个方形窗8和多个圆形孔9等，因而要求必须具备相当高的疲劳强度。表1为制作副齿轮6所用钢板的成分组成。表1该钢板由于是使用带钢热轧机制作而成，故通过从精加工温度(固溶处理温度T1)910℃急冷至卷捆温度300℃而完成固溶处理。钢板厚度为3.5mm。当副齿轮6为冲切而成时，在制造该副齿轮6时，按冲床冲切加工，压床弯曲加工，机械加工，以及兼作人工时效处理的软氮化处理等工序依次进行。以下就其具体作业做简要说明。A.冲床冲切加工依次进行下列工序，即从上述钢板中冲切出直径110mm的毛坯；在毛坯上进行冲切加工制成具备轮齿的副齿轮中间品；在副齿轮中间品上进行冲切加工形成嵌合孔用预孔以及各个圆孔9和各个弯起爪用字形的切槽。B.压床弯曲加工对副齿轮中间品施行弯曲加工形成各个弯起爪10，同时形成各个方形窗。C.机械加工对副齿轮中间品的嵌合孔用预孔进行车床加工形成嵌合孔7，接着对副齿轮中间品的各个轮齿面(齿尖面及齿根面)施行剃齿加工。D.兼作人工时效处理的软氮化处理对副齿轮的中间品施行兼作人工时效处理的软氮化处理得到副齿轮6。处理操作的各种条件规定为周围气体环境为以N2为主体的NH3，人工时效温度T2＝580℃，处理时间t＝2小时。上述副齿轮6即作为本发明之实施例1。另外将上述处理作业的处理时间设定为t＝3小时，则可得另一种副齿轮6，将它作为实施例2。为了进行比较，列出以下比较例。比较例1使用3.5mm厚的软氮化用钢板制成与上述同样的副齿轮中间品，并将此副齿轮中间品进行软氮化处理从而得到副齿轮。上述所用钢板的组成成分如下0.3％(重量比)的C，1％(重量比)的Mn，1％(重量比)的Cr，0.1％(重量比)的V，0.001％(重量比)的B，其余部分为Fe。处理时间t＝3小时，除此之外，其它条件与上述全同。比较例2用铝铬钼钢(JISSACM645)的调质钢材，从3.5mm厚的钢板制出与上述同样的副齿轮中间品，并对该副齿轮中间品实施软氮化处理得到副齿轮。处理条件之中除处理时间t＝3小时之外，其它与上述相同。比较例3另外，用3.5mm厚渗炭钢(JISSCM415M)钢板制成与上述同样的副齿轮中间品，并对该副齿轮中间品施以渗炭淬火处理而得到副齿轮。处理条件为在渗炭环境中，910℃保持1.5小时；840℃保持0.5小时，然后急冷。图3示出实施例1、2，以及比较例1～3的距表面的距离与硬度HV0.2的关系。由图3可知，实施例1、2与比较例1～3相比，其表面硬化层深度d较深，但表面及其附近的硬度则较低。接着，对实施例1、2和比较例1～3，都施行了对称交变平面弯曲疲劳试验，测出副齿轮6的齿根11处的弯曲疲劳强度。图4示出实施例1、2以及比较例1～3的应力循环次数N与应力振幅σa之间之间的关系。表2说明实施例1、2以及比较例1～3的，在应力循环次数N＝107回时的应力振幅σa。表2应力循环次数为N＝107回时的应力振幅σa实施例1675实施例2686比较例1549比较例2640比较例3647</table></tables>从图4以及表2可知，实施例1、2即使与渗炭淬火处理后的比较例3相比，其弯曲疲劳强度也是高的。另外，如副齿轮6为热锻造齿轮时，制造该副齿轮6要依次进行下述作业热锻造加工，固溶处理，机械加工，最后是兼作人工时效处理的软氮化处理等。下面就各项作业加以具体说明。I.热锻造加工从具有表1所示成分的直径为50mm的圆钢切取长30mm一段钢片的工序；将该钢片加热到950℃的工序；除掉钢片上的氧化皮的工序；由高速锻造机进行模压的工序；用曲柄式冲床进行切毛边的工序；用曲柄式冲床进行整形的工序，这样得到与上述经过B工序以后的副齿轮中间品同样的部件。II固溶处理将热锻加工完后的最终温度(固溶温度T1)910℃的副齿轮中间品进行急冷，从而对该副齿轮中间品施以固溶处理。然后经过与上述C项和D项同样的各种作业而得到副齿轮6。只是将上述D项所述的处理时间t设定为t＝3小时。这样得到的副齿轮6也和上述一样具有很高的弯曲疲劳强度。依照本发明，可以提供使用具有良好的塑性加工性能和机械加工性能，且在固溶处理后，可施以兼作人工时效处理的软氮化处理的特定钢材做成的、具有高疲劳强度和尺寸精确的齿轮。同时因为将人工时效处理和软氮化处理合在一起进行，可节省能源、降低成本，提供一种价格较低的齿轮。权利要求1.一种高疲劳强度齿轮，其特征在于，C≤0.01％、Si≤1％、0.05％≤Mn≤0.5％、P≤0.1％、0.8％≤Cu≤1.7％、0.02％≤sol.Al≤0.1％、S≤0.03％、0.02％≤Ti≤0.1％，剩余部分为Fe以及其它不可缺少元素，在固溶处理后，对其施以兼作人工时效处理的软氮化处理。2.一种高疲劳强度齿轮，其特征在于它是使用由下列元素构成的钢材的塑性加工齿轮，上述钢材构成(重量百分比)为C≤0.01％、Si≤1％、0.05％≤Mn≤0.5％、P≤0.1％、S≤0.03％、0.02％≤sol.Al≤0.1％、0.8％≤Cu≤1.7％、0.02％≤Ti≤0.1％、0.15％≤Ni≤0.7％、剩余部分为Fe以及其它不可缺少元素，在固溶处理后，对其施以兼作人工时效处理的软氮化处理。3.如权利要求1或2所述的高疲劳强度齿轮，其特征在于，人工时效温度T2设定为550℃≤T2≤600℃。4.如权利要求1至3中任一项所述的高疲劳强度齿轮，其特征在于所述塑性加工齿轮为冲裁齿轮。5.如权利要求1至3中任一项所述的高疲劳强度齿轮，其特征在于所述塑性加工齿轮为热锻造齿轮。全文摘要本发明提供一种具有高疲劳强度,且较价廉的齿轮。该齿轮为塑性加工齿轮,在固溶处理后,施以兼作人工时效处理的软氮化处理,该齿轮具有充分深的表面硬化层,且因在制造过程中将人工时效处理与软氮化处理合二为一,可节能和降低造价。所用钢材的组成成分为各元素重量比为:C≤0.01%,Si≤1%,0.05%≤Mn≤0.5%,P≤0.1%,S≤0.03%,0.02%≤sol.Al≤0.1%,0.8%≤Cu≤1.7%,0.02%≤Sol.Ti≤0.1%,余量为Fe及其它不可缺元素。文档编号C22C38/00GK1172918SQ9711462公开日1998年2月11日申请日期1997年7月11日优先权日1996年7月12日发明者久野年生,天孝笃志,久保乾夫,久保克博申请人:本田技研工业株式会社