(57)【要約】【課題】粉末金属構成要素を組み込む組立体の製造方法において、鋼鉄の変形及び特性の劣化を回避し軽減すること。【解決手段】粉末金属から形成される第１の構成要素と、鋼鉄から形成され第１の構成要素にろう付けによって接続される第２の構成要素と、第２の構成要素に溶接されるトルク伝達要素とを有する組立体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末金属から形成される第１の構成要素と、鋼鉄から形成され前記第１の構成要素にろう付けによって接続される第２の構成要素と、前記第２の構成要素に溶接されるトルク伝達要素とを有する組立体。
【請求項２】
前記トルク伝達要素が、機械加工仕上げされたシャフトである、
ことを特徴とする請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記第２の構成要素が、圧延鋼板である、
ことを特徴とする請求項１に記載の組立体。
【請求項４】
前記鋼板が、０．１２％以上の炭素含有量を有する、
ことを特徴とする請求項３に記載の組立体。
【請求項５】
前記炭素含有量が、０．４５％よりも少ない、
ことを特徴とする請求項４に記載の組立体。
【請求項６】
前記炭素含有量が、０．１８％から０．２６％の間である、
ことを特徴とする請求項５に記載の組立体。
【請求項７】
前記炭素含有量が、０．１８％である、
ことを特徴とする請求項６に記載の組立体。
【請求項８】
前記鋼板には複数の凹部が形成され、前記第１の構成要素からの突起部が、前記凹部のそれぞれに受け入れられるように前記第１の構成要素を前記第２の構成要素に対して配置する、
ことを特徴とする請求項３に記載の組立体。
【請求項９】
前記凹部が、前記突起部を受けるための合わせ面を有し、前記合わせ面が粗面化される、
ことを特徴とする請求項８に記載の組立体。
【請求項１０】
前記ろう付けが前記凹部に配置される、
ことを特徴とする請求項８に記載の組立体。
【請求項１１】
前記ろう付けが、４０％よりも多い銅含有量を有する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の組立体。
【請求項１２】
１つが粉末金属構成要素でありもう１つが鋼鉄構成要素である複数の構成要素から組立体を形成する方法であって、前記方法が、
グリーン状態の前記粉末金属構成要素を前記鋼鉄構成要素上に支持するステップと、
前記構成要素間にろう付け用合金を配置するステップと、
前記構成要素を焼結炉に通して前記粉末金属構成要素を焼結させ、前記ろう付け用合金を溶融させるステップと、
前記構成要素を冷却して前記ろう付け用合金を凝固させるステップと、
その後でトルク伝達要素を前記鋼鉄構成要素に溶接して単一構造が得られるようにするステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記鋼鉄構成要素に凹部を形成して前記粉末金属構成要素からの突起部を受けるようにするステップを含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記突起部を配置する前に前記凹部の合わせ面を粗面化するステップを含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記突起部を配置した後に前記ろう付け用合金を前記凹部内に保持して焼結ろう付け作業を行うステップを含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記トルク伝達要素を前記鋼鉄構成要素にレーザ溶接するステップを含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
粉末金属から形成され、ベース及び該ベースから突出する脚部を備えるキャリアと、鋼鉄から形成されろう付けによって前記脚部の遠位端に接続される基材と、トルクの伝達のために前記基材に溶接されるシャフトとを有する遊星キャリア組立体。
【請求項１８】
前記基材が、前記脚部のそれぞれを受けるための凹部を備えて形成され、前記ろう付けが前記凹部内に配置される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の遊星キャリア組立体。
【請求項１９】
前記基材が、前記シャフトを受けるための中心アパーチャを有し、前記シャフトが、前記アパーチャの外周周囲で前記基材に溶接される、ことを特徴とする請求項１８に記載の遊星キャリア組立体。
【請求項２０】
前記基材が、０．１２％よりも多い炭素含有量を有する、
ことを特徴とする請求項１９に記載の遊星キャリア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末金属構成要素を組み込む組立体の製造方法に関し、更にこのような組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械装置に用いられる多くの部品は複雑な形状を有する。これらは、適当な機械加工によって鋼鉄の固体ビレットから作ることができるが、これは通常、特に大量生産では効率的な材料の利用ではない。或いは、複雑な形状は、鋳造された後に機械加工して仕上げ寸法にすることができる。これは、発生する廃棄物は少ないが、鋳造プロセスは労働集約的であり且つエネルギー集約的である。また、粉末金属製造プロセスを利用して複雑な形状の構成要素を作ることも良く知られている。かかるプロセスにおいて、鉄及び他の添加剤の粉末が加圧下で成形されて完成形状の「グリーンな」構成要素を生成し、次いで炉を通り、ここでグリーン構成要素が焼結される。完成構成要素は、錬鋼に近い特性を有することができ、動力伝達装置を含む多くの領域で幅広く用いられてきた。構成要素をニアネット形状に成形する能力は、材料の無駄な損失を最小限にし、生産効率を向上させる。
【０００３】
粉末金属構成要素（ＰＭＣ）の使用は、多くの応用において、これらの構造組立体の幾何形状及び設計並びにＰＭＣの製造に用いられる設備及びプロセスの開発の状況によって制限される。スタンピング、鍛造、又は鋳造プロセスを用いて作られる多くのトルク伝達構成要素及び組立体が存在し、ＰＭＣは錬鋼に容易には接合することができないので、このことによりかかる応用におけるＰＭＣの使用が制限される。機械的締結又はコンデンサ放電型溶接を用いてＰＭＣを非ＰＭＣ構成要素に接続する応用があるが、これは、トルク伝達性能の制限によって適用が制限されるか、又は生産コストの増大及び製造がより複雑になることによって高額なものになる。
【０００４】
米国特許第３，７１７，４４２号において、粉末金属構成要素を鋼鉄、鋳鉄、又は同様のものなどの固体鍛造基材に接合することができるろう付け用合金が開示されている。当該ろう付け用合金の改良は、米国特許第４，０２９，４７６号に開示され、これもまた第３，７１７，４４２号のろう付け用合金で遭遇した問題の一部に言及している。これらの参考文献の各々においては、粉末金属構成要素の焼結中に２つの構成要素をろう付けすることが提案されている。これは錬鋼構成要素を焼結表面内で高温に曝すことにより、鋼鉄の変形及び特性の劣化が生じる可能性がある。従って、上記の特許に記載されているプロセスは、粉末金属構成要素と共に精密機械加工された高負荷構成要素を利用する組立体の生産に好適であるとは考えられない。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３，７１７，４４２号公報
【特許文献２】米国特許第４，０２９，４７６号公報
【特許文献３】米国特許第３，７１７，４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って本発明の目的は、上記の欠点を未然に排除し且つ軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
概括的に言えば、本発明の一態様は、粉末金属構成要素が鋼鉄基材にろう付けされた後、トルク伝達要素が基材に溶接される組立体を提供する。
好ましくは、鋼鉄基材の炭素含有量は、０．１２％よりも多く０．４５％よりも少なく、より好ましくは０．１８％から０．２６％の間、最も好ましくは０．１８％である。
【０００８】
より好ましいものとして、トルク伝達要素はシャフト又はクラッチ機構或いは環状ギアとすることができ、基材にレーザ溶接される。
【０００９】
本発明の別の態様において、粉末金属から構成要素を成形するステップと、構成要素を鋼鉄基材上に支持するステップと、鋼鉄基材と構成要素との間にろう付け用合金を配置するステップと、構成要素及び基材を焼結炉に通して構成要素を焼結し基材を該基材にろう付けするステップと、その後で、トルク伝達要素を基材に溶接するステップとを含む、組立体製造方法が提供される。
好ましくは、本方法はトルク伝達要素をレーザ溶接するステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ここで添付図面を参照しながら本発明の実施形態を例証として説明する。
【００１１】
従って、図１を参照すると、遊星キャリア組立体１０は、ベース１４を有するキャリア１２を含む。脚部１６は、ある間隔を置いてベース１４から突出し、端面１８で終端する。キャリア１２は粉末金属から成形され、焼結前は「グリーン」状態にある。粉末は、鉄、銅、炭素、並びにモリブデン、マンガン、クロム、及びニッケルなどの利用可能な他の合金元素を含む鉄粉末金属合金である。
【００１２】
キャリア１２は、１９で示されるように、ろう付けによって比較的低い炭素含有量を有し、通常はＡＳＴＭ１０１８又はＡＳＴＭ１０２６等級である圧延鋼材からスタンプされた基材２０に接続される。一般的に炭素含有量は、０．１２％から０．４５％の間、好ましくは０．１８％から０．２６％の間である。焼結プロセス中のアニール後に適当な強度をもたらすと共に、基材の溶接性を保持するためにより高い炭素含有量が選択される。
【００１３】
基材２０は、シャフト２６のボス２４を受けるための中心アパーチャ２２を有する。ボス２４は、２５で示されるようにその外周周りで基材２０にレーザ溶接される。シャフト２６は、遊星キャリア１２とドライブ部材（図示せず）との間でトルクを伝達するために設けられ、ＡＳＴＭ４１３０など高張力鋼の鋼鉄ブランクから機械加工される。通常、シャフト２６は中空又は中実とすることができ、ドライブ部材及び該ドライブ部材内でシャフト２６を支持する軸受面３０と嵌合するために外面上にスプライン２８を含む。シャフト２６は通常、熱処理されて、キャリア組立体１０に組み込まれる前に製造過程寸法に部分的に機械加工される。
【００１４】
脚部１６の基材２０への接続を容易にするために、図４に最もよく見られるように脚部１６の各々の位置で凹部３２が基材に形成される。凹部３２は、脚部１６の端面１８に向かって方向付けられた陥凹合わせ面３４を有する。合わせ面３４は、ろう付け１９の接着性を改善するためにスタンプ／鋳造作業中又はその後に粗面化される。スタンプ鋼鉄基材の表面仕上げは通常、最大０．００１ｍｍの平均表面仕上げＲａ及び最大０．００５ｍｍの山谷粗度Ｒｙを有する。合わせ面３４の粗面化後、平均粗度Ｒａは通常０．００５ｍｍの値であり、山谷粗度Ｒｙは０．０１５と０．０８０ｍｍとの間である。
【００１５】
遊星キャリア組立体１０を形成するステップが図３に概略的に示される。最初に、キャリア１２は、所要の寸法に成形され、基材２０が圧延鋼材からスタンプされる。合わせ面３４が粗面化され、基材２０をプレートＰ上に配置する。ろう付けのペレット１９が脚部１６の端面１８の各々に形成されたポケット３５に配置され（図３ａ）、「グリーン」キャリア１２は、各脚部１６がそれぞれの凹部３２に受けられるように基材上に配置される（図３ｂ）。ろう付けペレット１９は、溶融されてろう付け用合金を形成し、これによって端面１８及び合わせ面３４を溶接する。
【００１６】
プラテンＰは、焼結炉Ｓに送給され（図３ｃ）、該焼結炉は高温に保持されて、グリーンキャリア１２を焼結し完成構成要素にする。炉Ｓを通過する間、基材２０はキャリア１２を安定した方法で支持し、キャリア１２の寸法精度を維持する。基材自体は、粒状構造の変化を引き起こす炉Ｓの温度まで上昇する。基材２０の微細構造は、微細なパーライトから粗い粒状構造に変化し、降伏強度及び最終引張強度の低下をもたらすことになる。しかしながら、基材に用いられる高い炭素含有量により、基材の物理的特性がＡＳＴＭ１０１０等級などの従来の非アニール圧延鋼に匹敵するレベルに維持される。
【００１７】
炉Ｓを通過中、ろう付けペレット１９は溶融し、キャリア１２の脚部１６の多孔質構造に部分的に吸収される。合わせ面３４は吸収性がないので、凹部３２は、脚部１６を基材２０に固定するためのろう付け１９のプールを提供するよう機能する。位置３４での基材の粗面テクスチャは、合わせ面の湿潤性を最適化するように設計され、堅牢なろう付け接合をもたらす。プラテンＰが炉Ｓから出てくると、ろう付け１９は凝固し、キャリア１２を基材２０に物理的に固定する。
【００１８】
非吸収合わせ面の存在及び炉Ｓでのキャリアの方向によって、修正ろう付け１９を用いて接続の負荷容量を増強することが可能となる。４０％より多い銅含有量を用いて、より強い強度を提供する。通常、かかる銅含有量は、表面張力が低下してろう付けのＰＭＣ本体への消散を可能にすることになるので許容可能ではない。しかしながら、ＰＭＣの下に配置される不浸透性の基材は、ろう付けの吸収を低減し、良好な表面被覆率及び溶接をもたらす高銅合金の使用を可能にする。好ましいろう付け組成は以下の通りである。
Ｎｉ  ３５．０％
Ｃｕ  ４１．９％
Ｍｎ  １３．１％
Ｂ    １．２％
Ｓｉ  １．５％
Ｆｅ  ７．３％
鉄含有量は、ろう付け接合の物理的特性を増強するように標準ろう付けより多い。
【００１９】
冷却及び機械加工後、シャフト２６のボス２４は、アパーチャ２２内に挿入され、レーザ溶接ヘッドＬでその外周周囲をレーザ溶接される（図３ｄ）。基材２０は、シャフト２６（又は他のトルク伝達要素）を取り付けるために溶接可能構造を提供し、レーザ溶接は、シャフト２６の変形を回避するための局所加熱を可能にする。シャフト２６（又は他のトルク伝達要素）を固定すると、遊星キャリア組立体が完成して仕上げ機械加工の準備が整い、通常の方法での動力伝達で使用するための遊星ギアを取り付けることができるようになる。
【００２０】
例示的な試験において、キャリア組立体は、上述のプロセスを用いて作られ、疲労試験を受けた。焼結炉Ｓは、Ｄｒｅｖｅｒから入手可能であるものなどのメッシュベルトコンベヤ炉であり、プラテンＰが炉を通過するときに４つの加熱ゾーンを提供した。温度プロファイルは図５に示され、各ゾーンで設定した温度を以下の表１に示す。
【表１】
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プラテンは、４．４から５．３インチ／分の間の速度で炉Ｓを通って移動し、炉を通過した総時間は２時間１５分であった。
【００２１】
試験の第１の設定において、基材２０は１０１８圧延鋼材からスタンプされ、シャフト２６は４１３０鋼鉄から作られた。シャフト２６は反転トルクを受けた。サンプルは不具合が出るまで試験された。比較のために、ＰＭＣキャリアではなく従来のスタンプ鋼鉄キャリアを用いて同じ試験を行った。以下の表にその結果を示す。
【表２】
2008545938.tif 000004
【００２２】
上記試験において、従来のスタンプ鋼鉄構成に比べてＰＭＣキャリアで優れた性能が得られ、適正な性能を示した。
【００２３】
従って、鋼鉄基材を提供することによって、ＰＭＣ構成要素にろう付され、精密な鋼鉄構成要素を溶接するためのベースとして機能することができることが分かる。遊星キャリアの製造について説明したが、同様の技術を他の複合組立体に用いることができる点は認識されるであろう。
【００２４】
例えば、図１に点線で示される内部スプラインを備えた環状ギアをアパーチャ２２内に嵌合させて、基材２０に溶接し、キャリアの代替構成を提供することができる。
【００２５】
本発明は特定の実施形態を参照しながら説明したが、当業者であれば、本明細書に添付された請求項で概説される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、その様々な修正形態が明らかであろう。上記の全ての参考文献の開示全体は引用により本明細書に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】遊星ギアキャリア組立体の分解斜視図である。
【図２】図１のキャリア組立体の長手方向断面図である。
【図３ａ】図１及び図２の組立体を製造するステップの概略図である。
【図３ｂ】図１及び図２の組立体を製造するステップの概略図である。
【図３ｃ】図１及び図２の組立体を製造するステップの概略図である。
【図３ｄ】図１及び図２の組立体を製造するステップの概略図である。
【図３ｅ】図１及び図２の組立体を製造するステップの概略図である。
【図４】図１及び図２に示すキャリア組立体の一部の詳細図である。
【図５】図１の組立体の製造に用いられる焼結炉の温度プロファイルである。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
2008545938.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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