用于单向离合器的粉末金属座圈及其制造方法

摘要

本发明公开了一种制造单向离合器机构中离合器座圈的方法，其包括步骤：对一种铁基粉末金属执行压实和烧结，将其制为近乎成型的形状，由此获得了密度约在6.8g/cc到7.6g/cc之间的心部和一形状近乎成型的座圈表面。按照一定方式对凸轮表面执行冷作加工，以便于增大表面处的局部密度，从而形成一基本上被完全致密的高致密层，且最终的表面光洁度在经过热处理之后就能直接适用于单向离合器的工作条件，而无需进行其它加工。单向离合器机构的内外离合器座圈都可按照这种方式制出，此工艺制出的座圈具有优异的强度、韧性、疲劳强度以及耐磨性。

说明书

本发明专利申请是申请人为PMG印第安那公司提交的国际申请号为PCT/US2003/020227、国际申请日为2003年6月30日、进入中国国家阶段的申请号为03825244.9、题为“用于单向离合器的粉末金属座圈及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及一种单向离合器，更具体而言，本发明涉及这种离合器中座圈的制造。

背景技术

单向离合器的基本工作原理对本领域普通技术人员来讲是公知的。离合器内部元件与外部元件在一个方向上的相对转动是被禁止的，从而能通过该离合器来传递扭矩，而在相反的方向上，内部元件和外部元件之间则能超越或自由转动。现代乘用车上几乎所有的自动变速器都采用了一个或多个单向离合器，以便于当变速器在其工作范围内换档时能从某一传动路线平稳地过渡到另一传动路线。单向离合器也被称为超越离合器或空程离合器，最为常见的单向离合器类型是：

1)滚柱单向离合器

2)斜撑单向离合器

3)棘轮单向离合器

早在二十世纪五十年代就已制出了滚柱型单向离合器和斜撑型单向离合器。在上世纪九十年代的中期开始出现了棘轮型单向离合器。所有这些单向离合器组件都能根据它们特定的应用场合而取得令人满意的工作效果。所有这些离合器的基本构造都包括一外座圈、一内座圈、一组可与座圈互锁的锁止元件(滚柱、斜撑件或棘爪)、以及用于触动锁止元件的弹簧。

起初，用于滚柱型和斜撑型单向离合器的座圈是用锻钢制成的，且是按照传统的机加工方法(车削加工、拉削加工等)制得的。今天的生产过程仍然沿用了这一工艺。通常所使用的钢材是SAE1060、SAE5060、SAE5120、SAE5130和SAE5160。为了使座圈表面具有必需的接触疲劳强度、并使座圈的体积内部具有足够的拉伸疲劳强度，通常要对部件执行热处理，使其表面达到HRC55-60、心部达到HRC25-32。

第3772935号美国专利介绍了一种对座圈的制造具有重大改善的技术方案。该专利所公开的工艺涉及了这样的技术：对粉末金属执行加压和烧结而制出一个预成型的坯件，然后，对坯件执行热锻，以对部件进行成形，由此制出一个完整且密度通体均等的座圈。最后，对座圈执行热处理。粉末锻造工艺地主要优点在于减少了机加工量。第3992763和第4002471号美国专利公开了对这种工艺中的热处理步骤的改进。

第5966581号美国专利介绍了一种可选的粉末锻造工艺。在执行锻压步骤之前，利用一滚子抛光工具对加压、烧结而成的坯件进行加工。与锻压工艺相结合的滚子抛光工艺被认为可提高经过热锻的、且整体致密的离合器座圈的疲劳寿命。

第5966581号美国专利中还讨论另一种可选的方案，该方案在于：通过利用玻璃珠丸或砂粒对表面执行喷丸处理，实现了对加压、烧结成的坯件的冷作处理，随后对坯件执行热锻，其中，玻璃珠丸或砂粒可对表面进行加工。这种解决途径的效果在于：能获得与滚子抛光工艺大体上相当的表面光洁度。

因而，本领域已认可用粉末金属制造单向离合器座圈的设计，其中的粉末金属被加压、烧结成预成型坯件，该坯件被执行滚压抛光处理，然后再经过热锻而形成具有理想形状的、整体致密的零部件，与此同时，现有技术还提示了这样的可能性：制造一种形状成型的、用粉末金属加压烧结而成的离合器座圈部件，其最终的表面经过了冷作处理，以使其相对于预期的使用条件具有合适的机械性能和表面加工状况。

本发明的一个目的是通过对用粉末金属制造单向离合器座圈的工艺进行改进来促进现有技术的进步。

发明内容

根据本发明的、制造粉末金属单向离合器座圈的方法包括步骤：制备一种经过烧结的铁基粉末金属，其被处理为近乎成型的形状，以便于制出一种单向离合器座圈部件，该部件心部的密度约在7.0g/cc到7.6g/cc之间，座圈部件具有一座圈表面。然后，对座圈表面执行冷作处理，以形成一结构层，其密度超过心部密度，并获得了定型的表面光洁度。本发明还设计了一种具有上述特性的离合器座圈部件。

本发明的优点在于：提供了一种制造单向离合器座圈部件的简单工艺，以实现优异的机械性能，并获得了经过冷作处理的、可接受的凸轮表面光洁度。

本发明另外的优点在于：提供了这样的单向离合器座圈部件，其具有变化的密度，其心部的密度相对较高，但并非整体高密度，这样的心部与位于凸轮表面上的皮层或表层相结合，该结构层经过了冷作处理而具有更大的密度，以便于获得所需的机械性能，并在座圈表面上形成成型的表面抛光效果。这种变密度设计所制得的单向离合器座圈具有优良的强度、疲劳抗力和耐磨性，且无需通过对部件执行锻压来获得所需的强度和耐磨性。无需热锻步骤的设计能简化单向离合器中凸轮座圈的制造过程，并降低其生产成本。本领域普通技术人员所能接受的、制造粉末锻造部件的成本为利用加压烧结法制造部件的成本的1.5到2.0倍。额外增大的成本与锻压步骤和热锻工具较短的使用寿命有关。

取消锻压步骤具有另一个优点：使部件的整体尺寸误差限从粉末锻造件的一般范围缩窄到加压烧结件的一般范围。另外，经过冷作处理的表面具有更为严格的误差限。

取消锻压步骤的另一益处在于：加压、烧结工艺能制造出形状成型的几何特征(凸台、油槽、台阶等)，这些几何特征要比可用锻压法制出的几何特征复杂的多，由此可极大地降低对二次机加工的需求。

如同用于滚柱型单向离合器中凸轮的情况，在制得成型的座圈表面的情况下，本发明所述的处理座圈表面的冷成型工艺使座圈表面的抛光获得了极大的改善。表1概括了各种表面光洁度，分别对应于：普通的拉削工艺、粉末锻造工艺、第5966581号美国专利所改进的粉末锻造工艺、以及本发明的工艺。

  表面光洁度  拉削  粉末锻造 第5966581号美国专利所改进 的粉末锻造工艺  本发明  Ra(μm)  1-3  2-3.2  0.9-1.0  0.7-0.8  Ra(μinch，  40-120  77-127  35-41  27-30  微英寸)

表1.利用拉削工艺、粉末锻造工艺、以及根据本发明的工艺制得的滚柱型单向离合器凸轮的典型表面光洁度。

表面光洁度的改善使得离合器座圈具有超强的抗接触疲劳性(抗热震性)，这反过来使得给定的离合器具有更大的扭矩传递承载能力。

取消锻压步骤将使得轴承座圈材料具有优越的冶金学质量。公知的是：粉末热锻工艺会带来两种有害的效果。首先，由于钢质坯件被加热到1000-1130℃，并在锻压过程中被暴露在空气中，所以会在部件的表面上形成氧化物。这些氧化物将露在表面上，也会被作为夹杂物而包封到内部，其所在的深度通常在0.1-0.2mm之间。其次，随着坯件流动并接触到模具，表面上的材料被迅速冷却。这一冷却将导致材料的屈服强度快速增大，而对于气孔的消除而言，屈服强度的增大将是有害的。因此，对于粉末锻造工艺，材料表面上的气孔深度约为0.2-0.4mm。氧化物和气孔这两种微观缺陷对座圈的接触疲劳强度产生不良的影响。在本发明中，通过取消热锻步骤，并引入一冷成型操作，可获得显著质量的座圈的表面，且冷作形成的结构层中实质上不含有任何气孔和氧化物夹杂物(即基本上为零缺陷)。下面的表2和表3表示了本发明材料与对比性的普通粉末锻造合金在气孔和氧化物夹杂物数的改进情况。

  与部件表面的距离  [mm]  粉末锻造件的气孔率范围  [％]  本发明的气孔率范围  [％]  0  2-10  0  0.1  1-8  0  0.2  0.5-5  0  0.3  0.2-3  0  0.4  0-0.5  0  0.5  0  0

表2.粉末锻造材料和本发明的粉末金属合金中的一般气孔数

  材料  夹杂物/cm²  直径＞100μm  夹杂物/cm²  直径＞150μm  粉末锻造材料  0.83  0  本发明的材料  0.0-0.1  0

表3.粉末锻造材料和本发明的粉末金属合金中的一般夹杂物数

本发明获得了更为严格的尺寸误差限、改善的表面抛光效果、以及优异的冶金学微观结构，这些因素结合到一起而使单向离合器的扭矩传递承载能力增大。表面光洁度的改善使得离合器座圈具有优异的抗接触疲劳性(抗热震性)强度，这反过来使得给定的离合器具有更大的扭矩传递承载能力，对带有粉末锻造座圈和根据本发明工艺制得的座圈的滚柱型单向离合器进行了冲击试验(stroker testing)，初步的试验结果证实了上述的预期结果。

最后，本发明带来的另一重要的成本优势在于：可在压实体处于未加工状态(烧结之前)时执行机加工操作(例如对径向润滑剂孔执行初步钻制)。在成本方面的这一重要节约来源于很高的切削速度、以及非常低的刀具磨损。而如果坯件是锻制的，则对坯料执行初步机加工则是不可能的。

附图说明

如结合下文的详细描述和附图来理解本发明，则能更加容易地领会上述内容及本发明其它的特征和优点，在附图中：

图1A中的轴测图示例地表示了一种滚柱型单向离合器，其具有根据本发明制造的离合器座圈部件；

图1B是对图1所示单向离合器所作的剖视图，表示出了凸轮表面上的初步钻制出的径向润滑剂孔；

图2中的剖视图示例性地表示了斜撑型单向离合器，其具有根据本发明制造的离合器座圈部件；

图3中的剖视图示例性地表示了棘轮型单向离合器，其具有根据本发明制造的离合器座圈部件；

图4中的示意性剖视图表示了外凸轮座圈及其相关的压密工具；

图5是沿图4中的5-5线所作的剖视图；

图6中的剖视图表示了离合器内座圈及其相关的压密工具；

图7是沿图6中的7-7线所作的剖视图；

图8中的威布尔图表示了对锻钢和根据本发明的铁基烧结合金执行接触疲劳测试所获得的结果；

图9中典型的图线代表了对用本发明方法制得的单向离合器凸轮的表面光洁度进行测量所得的结果；

图10中典型的图线代表了对用粉末锻造方法制得的单向离合器凸轮的表面光洁度进行测量所得的结果；

图11是对根据本发明的凸轮座圈部件所作的示意性局部剖视图；

图12表示了座圈表面的密度分布图，其中的密度是通过对压密层的显微照片执行图像处理而确定出的。

具体实施方式

图1a和1b均表示了一种代表性的滚柱型单向离合器机构10，该单向离合器具有一环绕中心轴线A布置的离合器内座圈部件12和一离合器外座圈或凸轮部件14，部件14被布置成同心地环绕着离合器内座圈部件12。内座圈12与外座圈或凸轮14具有座圈表面16、18，两表面通常是相互面对着的，并与一个或多个滚柱20配合地工作，这些滚柱允许两座圈12、14在一个方向上相对于对方自由地转动，但锁止两座圈12、14的反向转动。滚柱型单向离合器的基本构造和工作原理对本领域技术人员来讲是公知的，因而文中不对此作进一步的详述。可从背景文件1来了解有关这种滚柱型单向离合器机构进一步的细节情况。

除了图1a和1b所示的滚柱型单向离合器机构之外，本发明还设想了为其它各种单向离合器制造离合器座圈的可能性，其它的单向离合器包括图2所示的斜撑型单向离合器10″、以及图3所示的棘轮型单向离合器10″，在斜撑型离合器中，多个斜撑元件在两座圈表面之间发挥作用，以允许在一个方向上转动、但阻止在相反方向上的转动，在棘轮型单向离合器中，多个棘爪构件与带有多个凹槽的内座圈、以及带有多个凹处表面的外座圈共同作用，以允许在一个方向上转动、但阻止在相反方向上的转动。当然，内座圈12和外座圈14上座圈表面的具体构造会随单向离合器具体类型的不同而不同，而单向离合器的类型则取决于所涉及的应用条件的特定要求。

下面更为详细地介绍按照本发明优选的方法来制造离合器座圈的内容，图4是对离合器外座圈或凸轮14所作的剖视图，图中，铁基粉末金属的外座圈14已被压实，且被烧结成近乎成型的形状，其中的铁基粉末金属或者可包括预合金的钢粉末、由铁元素粉末和一种或多种掺合到铁元素粉末中的金属合金粉末添加物组成的混合物，或者可包括一种由预合金铁粉和铁元素粉末组成的组合物(带有或不带有其它的粉末金属合金组成添加物)。粉末金属还可包括石墨和适当的切削性改良添加剂，例如MnS、CaF₂等。本发明并不有意于被限定为任何特定的铁基合成物，只要该材料适于被用作单向离合器的座圈即可。

近乎成型的形状则意味着被压实和烧结的离合器座圈部件14的形状已被制成接近于烧结后的最终形状，且粉末金属的大部分被压实和烧结为离合器座圈应用条件所需的最终密度。主要的例外情况是凸轮表面18，其要受到下述的冷加工处理，以使其为热处理作好准备。这样，在压实和烧结之后，离合器外座圈14在图4所示阶段中的心部密度在6.8到7.6g/cc之间(该数值约等于材料完整理论密度的87％-97％)，这就使得材料具备了离合器座圈使用条件所需的必要拉伸疲劳强度和韧性。优选地是，凸轮表面18还被在压实、烧结状态下制为一种形状，该形状近似地接近于最终所需的形状，但在后来要缩小几十分之一毫米，以便于对凸轮表面18执行进一步的致密化处理，下文将对此进行介绍。

形状近乎成型的、经过压实和烧结后的离合器外座圈部件14的凸轮表面18被冷加工处理，从而在凸轮表面18上形成一致密层22，在该致密层22中，粉末金属材料的密度超过心部密度，并获得了成型的最终表面光洁度，因而，为了将离合器外座圈14投入应用，除了冷加工之外，不再需要对凸轮表面18执行任何机加工。优选地是，最终制得表面的光洁度在20到35μinch之间。优选地是，致密层22中基本上完全致密的(即大于完整理论密度99％的)区域深度在0.2mm到1.5mm之间，更为优选地是在0.35mm到0.8mm之间。凸轮表面18上的高度致密薄层22背衬着离合器座圈部件14中密度略小但强度很高的心部23，这样的设计使离合器座圈具备了适于其使用条件的必要的强度和韧度特性，同时还具有理想的最终形状、表面光洁度和抗接触疲劳性。图8中的图线表示了对本发明制造的合金执行滚压接触疲劳试验、并与高质量锻压轴承钢进行对比所获得的结果。接触疲劳试验是在球-棒(ball-on-rod)测试设备上进行的。表4中进一步地概括了测试结果，从表中可看出，根据本发明制造的座圈在接触疲劳强度方面赶上或超过锻钢以及粉末锻造合金。

  材料  在5419Mpa压力下的B10寿命  [10⁶次循环]  本发明的DM-207  13.73  本发明的DM-205  9.65  锻件AISI4620  8.12  锻件AISI8620  10.17  锻造材料FL-4680  2.47  锻件AISI52100  6.7-9.3

表4.表示了本发明材料、粉末锻造材料以及锻压轴承钢合金的B10滚压接触疲劳寿命。其中，本发明的合金是按照本发明所提出的工艺制成的。试验是在球-棒测试设备上进行的。

在经过对层22致密化处理之后，凸轮表面18的表面光洁度在20到35μinch的范围内，更为优选地是在20到30μinch的范围内。图9中的一般图线表示了对按照本发明所提方法制造的单向离合器凸轮的表面光洁度进行测量所得的结果。为了进行对比，图10中的一般图线表示了对用粉末锻造方法制得的单向离合器凸轮的表面光洁度进行测量所得的结果。

对外座圈14的表面层22执行致密化处理的优选方法是将一个致密化工具24在横向上顶推经过凸轮表面18，由此使凸轮表面18遇到一个或多个造型部分26a、26b、26c等，这些部分能对表面进一步地加压和压密，使得致密层22相对于最终的使用条件具有理想的尺寸和表面光洁度。如图5所示，造型部分26被制成所需凸轮表面18的形状，但略微缩小，以便于使致密层22达到理想的致密效果。

按照基本上相同的方式制出离合器的内座圈12，以便于在座圈表面16上形成一致密层28。这样，上文有关离合器外座圈14特性和制造过程的描述同样适用于离合器内座圈12的制造，上文的那部分内容被结合到此处作为参考。由于离合器内座圈12具有一外凸轮表面18，所以用于制成致密层28的致密化工具30与用于制造离合器外座圈14上致密层22的工具略有不同，该工具30被示意性地表示在图6和图7中。工具30具有一个或多个造型部分32a、32b、32c等，这些造型部分的形状基本上等同于所要制造的、用在单向离合器场合中的最终座圈表面16的形状，但造型部分32a、32b、32c被略微地缩小，以便于对表面层28施加致密化作用。图11是一个放大的局部剖视图，其表示出了在内外离合器座圈12、14的座圈表面16或18上形成的致密层22或28，该致密层22、28背衬着座圈中已被压实和烧结的心部，如上文讨论的那样，这部分材料的密度略小于致密层的密度。图12表示了座圈表面上的密度分布线。其中的密度是通过对致密层的显微照片执行图像处理而确定出的。

图1b还表示出了本发明所具有的一项性能：可在执行烧结之前在坯件上预加工出结构形貌。图中表示的是对径向润滑剂孔34执行预加工的情况，在烧结之前，这些润滑剂孔被制成近乎成型的形状，且无需在烧结后进行任何机加工或抛光加工。

很显然，在上文内容的启示下，可对本发明作出多种改动和变型。因而，可以理解：在后附权利要求的范围内，可按照除上文具体指出的方式之外的其他形式实施本发明。本发明由权利要求书进行限定。