專利名稱：：精密齒輪及精密齒輪的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種小型且高負(fù)荷、壽命長的精密齒輪以及精密齒輪的制造方法。
背景技術(shù)：
：在鐘表或者微型齒輪傳動(dòng)馬達(dá)等要求高精度的精密儀器中使用的精密齒輪中，模數(shù)超過0.2的金屬制精密齒輪，可以通過以電火花加工和切削加工為主的、加壓加工和軋制成形等各種手法，制造出具有優(yōu)異的特性和精度的產(chǎn)品。但是，對于模數(shù)為0.2以下的金屬制齒輪，關(guān)系到精度上的問題或制造成本等問題，實(shí)際使用上很難適用電火花加工和切削加工或者加壓加工和軋制成形。因此，通常廣泛使用通過成型加工能夠容易地制造出復(fù)雜且微小的結(jié)構(gòu)的樹脂制精密齒輪。該樹脂制精密齒輪價(jià)格便宜且可以大量生產(chǎn)，但是樹脂一體成型加工品相比于金屬材料，其機(jī)械強(qiáng)度和硬度非常低、對溫度變化，容易產(chǎn)生尺寸及形狀的變化、具有蠕變特性等，因此，絕對無法滿足模數(shù)為0.2以下且信賴性高的超精密齒輪的制作。另外，相比于金屬材料，表面硬度和抗拉強(qiáng)度非常小，且缺乏耐熱性，對耐久壽命影響很大。近年來，各種強(qiáng)化添加材料的開發(fā)不斷地發(fā)展，已有很多樹脂材料的機(jī)械強(qiáng)度也很優(yōu)秀的物質(zhì)被商品化，但是目前的現(xiàn)狀是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到以工具鋼為首的實(shí)用的金屬材料的水平。因此，越是高負(fù)荷用途，越期望金屬材料制的精密齒輪。金屬材料中有可成型加工的作為壓鑄用合金的鋁合金、鎂合金以及銅合金，但是其抗拉強(qiáng)度為750MPa左右，與樹脂相同非常低，另外，所得到的產(chǎn)品的表面粗糙度的精度為5iimRy左右，存在因結(jié)晶粒引起的不均勻收縮以及表面的尖凸部，不適合作為模數(shù)0.2以下的精密齒輪，期待出現(xiàn)具有與工具鋼同等程度以上的機(jī)械強(qiáng)度的精密齒輪。但是，由工具鋼制造的精密齒輪是通過機(jī)械加工來制備的，因此，很難以低廉的價(jià)格大量生產(chǎn)。另外，非常難以確保加工精度，例如即便是硬度很高，部件的表面粗糙度對滑動(dòng)等引起的材料的磨損影響很大，結(jié)果，產(chǎn)品的壽命變短。為了改善耐久性，也期望有抗拉強(qiáng)度更高且表面平滑性好的精密齒輪。以往報(bào)告有形成表面平滑性好且模數(shù)為O.l的金屬制齒輪(Proc.7thIEEEWorkshoponMicroMechanicalSystems,(1994)P343-348)禾口形成模數(shù)為0.01的金屬制齒輪(Proc.IEEE13thInt.Conf.onMicroMechanicalSystems,MEM2000,(2000)P288-293)的制造例。但它們是采用了LIGA工藝，并進(jìn)一步通過鍛造加工或塑性加工來形成的。此外，提出有考慮了大量生產(chǎn)的含金屬制齒輪形狀體的制造方法及其裝置(日本專利公開公報(bào)特開平10-296424號)，但沒有公開對齒輪的樣子和評價(jià)的詳細(xì)情況。形成在玻璃質(zhì)金屬組織或者玻璃質(zhì)金屬組織中具有100nm以下的納米結(jié)晶的金屬組織的合金成分已經(jīng)被提示(日本專利公報(bào)特開2000-345309號，特開2001-316784號公報(bào)，特開2002-256401號，特開2000-54089號，特開2001-40460，特開2000-129378號，特公平07-122120號，特開平08-74010號，特開2000-160308號)。但是還沒有提出使用了考慮大量生產(chǎn)的制造方法的、具有0.2以下的模數(shù)、2ymRy以下的表面平滑性的齒輪。進(jìn)一步，公開了基于具有高強(qiáng)度的燒結(jié)塊體的制造方法，來制造出齒輪形狀的部件的方案(日本專利公開公報(bào)特開平11-71602號公報(bào))，但是，因?yàn)樵跓Y(jié)時(shí)引起粉末間的縫隙量的體積收縮，所以很難得到尺寸精度。另外，在燒結(jié)成形的部件中具有空孔，容易產(chǎn)生視為因該空孔引起的裂紋，就算提高填充率，與金屬本來的強(qiáng)度相比，也無法否認(rèn)強(qiáng)度的降低。作為要求有高負(fù)荷、高信賴性的精密齒輪的用途，希望形成沒有空孔的均勻的組織。作為構(gòu)成復(fù)雜形狀的超精密齒輪之一的精密行星齒輪減速機(jī)中使用的恒星輪，如圖l所示，在輪的一側(cè)設(shè)置有恒星齒輪，在相反側(cè)設(shè)置有3個(gè)與行星齒輪嚙合的銷。以往的恒星輪由加壓加工了Fe系材料的輪和切削、切齒加工了Fe系棒材的恒星齒輪、切削加工了Fe系棒材的3根銷的3種、5個(gè)部件構(gòu)成，通過壓入進(jìn)行各種結(jié)合。通過壓入進(jìn)行的結(jié)合必須要極其高精度地精加工壓入部分的孔和軸的直徑和表面粗糙度，因此，從產(chǎn)品的信賴性方面考慮，必須要有徹底的部件管理和工程管理。另外，因?yàn)殇N本身非常小，壓入時(shí)的操作性、組裝性并不容易，是需要熟練工的工序。對于輪和恒星齒輪的壓入結(jié)合，也需要有對作為產(chǎn)品使用的最大負(fù)荷扭矩具有充分余量的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。
發(fā)明內(nèi)容鑒于上述問題，本發(fā)明目的在于通過以往的樹脂成形齒輪或工具鋼金屬齒輪沒有的新型材料齒輪，得到兼具有高硬度、高強(qiáng)度、高表面平滑性且加工性優(yōu)良的高精度金屬制精密齒輪及齒輪機(jī)構(gòu)。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在由以鐵族元素的Fe，Co，Ni以及Cu，Ti，Zr，Hf為主成分的3元或4元以上的組成的玻璃質(zhì)金屬合金構(gòu)成的齒輪中，可以形成具有與工具鋼匹配的強(qiáng)度、且最大限度地體現(xiàn)了優(yōu)異的加工性和機(jī)械性質(zhì)、動(dòng)態(tài)特性的模數(shù)0.2以下的精密齒輪。本發(fā)明所述由玻璃質(zhì)合金構(gòu)成的齒輪的特征在于，由XRD圖案顯示鹵原子圖案(halopattern)、即顯示寬的峰值的沒有一定規(guī)則性的無序組織形成。使用了這些的本發(fā)明所述精密齒輪，根據(jù)其工藝，可以至少在表面粗糙度為2ymRy、尺寸精度為±5ym的范圍內(nèi)制造，對能夠精度優(yōu)良地制造出加工性以及機(jī)械性質(zhì)、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異的模數(shù)0.2以下的精密齒輪非常有用。模數(shù)O.2以下的精密齒輪，需要使面壓分布均勻，極力抑制局部應(yīng)力的產(chǎn)生。本發(fā)明所述精密齒輪通過改善表面粗糙度以及尺寸精度，能夠?qū)崿F(xiàn)可潤滑地進(jìn)行齒輪傳遞，且損失小、耐久性高的齒輪。模數(shù)越小的精密齒輪，改善表面粗糙度引起的效果越顯著，但是，由于本發(fā)明的精密齒輪使用了由玻璃質(zhì)構(gòu)成的金屬材料，因此，能夠制造出沒有精密級的邊緣部位的極其緩和的凹凸面，由此，齒輪的壓力分布變得均勻，抑制了微觀損失等的損壞，發(fā)現(xiàn)了對耐久性的效果。本發(fā)明所述精密齒輪與由具有規(guī)則性的結(jié)晶金屬制造的精密齒輪不同，是沒有方位性的無序結(jié)構(gòu)，因此對來自所有方向的外部應(yīng)力具有強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。由此，得到了沒有裂紋、沒有缺陷的超精密且信賴性高的齒輪。進(jìn)而，作為工具鋼的替代物，具有維氏硬度為Hv500(相當(dāng)于洛氏硬度HRc49)、抗拉強(qiáng)度為1500MPa以上中的任意一種性質(zhì)的齒輪極其有用，尤其優(yōu)選滿足兩者的齒輪。在以上所示的由玻璃質(zhì)金屬合金構(gòu)成的精密齒輪中，在本發(fā)明所述由M，—JMJ但是，M是Fe，Co，Ni，Cu，Ti，Zr，Hf中的一種或者兩種以上元素，TM是由至少含有兩種以上由3，4，5，6，8，9，10，11族構(gòu)成的過渡金屬元素(但排除適用于M的元素)、以及由13，14，15族構(gòu)成的典型元素的群組構(gòu)成，n為5原子％以上或50原子％以下)構(gòu)成的3元或4元以上的組成的玻璃質(zhì)金屬組織構(gòu)成的模數(shù)0.2以下的精密齒輪中，若n不足5原子％，則難以得到由玻璃質(zhì)金屬形成的精密齒輪，因此不理想。即使n超過50原子X，也能夠充分得到由玻璃質(zhì)金屬形成的精密齒輪，但容易出現(xiàn)硬度以及強(qiáng)度的降低，或者尺寸精度的降低，故不理想，因此n限定在5原子％以上50原子％以下的范圍。另外，TM優(yōu)選含有Cr，Mo，Zr，Hf，Nb，Al，Sn，B中的任意一種或兩種以上，通過導(dǎo)入這些成分，能夠抑制因結(jié)晶化引起的無序結(jié)構(gòu)的秩序化，能夠提供更熱穩(wěn)定的、信賴性高的精密齒輪。通過滿足以上的條件，成功地形成了加工性以及機(jī)械性質(zhì)、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異的金屬制精密齒輪，進(jìn)而得到構(gòu)成了它的齒輪機(jī)構(gòu)。其中，在本發(fā)明中，主成分為Cu的精密齒輪顯示出1800MPa以上的抗拉強(qiáng)度和超過3.5%的非常大的延伸率，判定為高強(qiáng)度且耐破壞性非常優(yōu)秀。上述以Cu為主成分的耐破壞性優(yōu)秀的金屬制精密齒輪由CupTiqMl1Q?！猵—q(但是，Ml由Hf、Zr、鐵族、白金族、貴金屬(11族)、Al、Sn、Zn中的任意一種或兩種以上元素構(gòu)成，p為50原子X以上65原子X以下、9為2原子％以上20原子％以下)構(gòu)成。若p不足50原子％，則導(dǎo)致硬度以及強(qiáng)度的降低，若超過65原子％，則會(huì)喪失耐破壞性，故不理想。另外，若q不足2原子％，則導(dǎo)致延伸率極限的降低，若超過20原子％，則難以得到作為本發(fā)明齒輪中大的特征的優(yōu)異的表面平滑性，故不理想。另外，為了不喪失耐破壞性，優(yōu)選在M1中含有10原子％以上40原子％以下的Hf或Zr，更優(yōu)選含有20原子％以上35原子％以下。進(jìn)一步，在本發(fā)明中，主成分為Ni的精密齒輪的所有構(gòu)成元素為過渡金屬元素，因此粘結(jié)性強(qiáng)，且以Ni為主成分，因此，具有高的硬度和抗拉強(qiáng)度。以該Ni為主成分的高強(qiáng)度金屬制精密齒輪由Ni1Q。—s—t—uNbs(Zr，Hf)tM2u(但M2由Ti、鐵族、白金族、貴金屬(11族)中的一種或兩種以上的元素構(gòu)成，s是10原子％以上25原子％以下，t是5原子％以上20原子％以下，11是5原子％到25原子X以上，t和u之和為10原子％以上35原子％以下)構(gòu)成。尤其優(yōu)選M2中含有5原子％以上20原子％以下的11。Ni-Nb系在氧化環(huán)境中形成絕緣體膜，是一種極難因氧化引起材料的老化的材料。但是，在本發(fā)明中的最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠形成無潤滑的齒輪機(jī)構(gòu)，該無潤滑的齒輪機(jī)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮沒有因潤滑油的粘性引起的阻力的動(dòng)態(tài)特性。本發(fā)明的金屬制精密齒輪是用于形成無潤滑的齒輪機(jī)構(gòu)所需的必要的精密齒輪。在這里，即使是s比最大值大15原子X，t、u分別比最小值小或者不存在時(shí)，也能夠由玻璃質(zhì)金屬實(shí)現(xiàn)精密齒輪，但是，在已知的制造方法中加工條件變得非常嚴(yán)格，很難得到優(yōu)異的尺寸精度和表面精度。若在無潤滑條件下使用，則表面粗糙度的影響很大，因此，限定了2踐Ry以下的能夠得到充分的復(fù)制性的范圍。接著，在本發(fā)明中，主成分為Fe的精密齒輪具有在本發(fā)明的齒輪中最硬質(zhì)且很難產(chǎn)生彈性變形的齒。該硬質(zhì)且很難產(chǎn)生彈性變形的組成由式Fe1Q。—x—yM3xM4y(但是，M3是3，4，5，6族構(gòu)成的過渡金屬元素中的任意一種或兩種以上元素，M4由Mn，Ru，Rh，Pd，Ga，Al，Ge，Si，B，C中的任意一種或兩種以上的元素構(gòu)成，x是2原子％以上35原子％以下，y是5原子％以上30原子％以下)構(gòu)成。在M3元素中不含有6族元素的情況中，優(yōu)選20原子％以下，另夕卜，在M4中有B的情況下，優(yōu)選15原子％以上。M3、M4都是用于容易地形成本發(fā)明精密齒輪的必要元素，但尤其M3是用于提高耐熱性的重要元素。若x大于35原子％或小于2原子％，則得不到對耐熱性的貢獻(xiàn)，另外，若y大于30原子％或者小于5原子％，則尺寸精度、表面平滑性顯著降低，故不理想。在本發(fā)明中，特別是在制造組成分為Fe的精密齒輪時(shí)，通過用Co及Ni取代一部分Fe，發(fā)現(xiàn)熔點(diǎn)的降低和熔融金屬的粘度的降低，雖然硬度和強(qiáng)度稍微有所降低，但明確了能夠得到尺寸精度和表面平滑性更優(yōu)秀的精密齒輪。用Co及Ni取代主成分Fe時(shí)，由(Fei—a(Co，Ni)a)100—x—yM3xM4y構(gòu)成，F(xiàn)e和Co及Ni的混合比a為O.1以上O.7以下，優(yōu)選O.2以上0.6以下。當(dāng)不足0.1時(shí)，添加Co及Ni而產(chǎn)生的熔點(diǎn)的降低效果幾乎沒有，若超過0.7，則得不到Fe對強(qiáng)度起到的作用。進(jìn)一步，在本發(fā)明的金屬制精密齒輪中，尤其是M4由含有Si，B的元素群構(gòu)成的情況下，實(shí)際試驗(yàn)明確了以Fe為主成分的精密齒輪以及用Co及Ni取代了一部分Fe的精密齒輪，不僅價(jià)格便宜，這些準(zhǔn)金屬成分的存在更顯著地抑制了對負(fù)荷的彈性變形，這表明是擔(dān)心模數(shù)0.2以下的薄壁齒輪在嚙合前后產(chǎn)生的齒的彎曲在本發(fā)明精密齒輪中為最小的理想的齒輪。另外，表明了表面平滑性也極其良好，且在本發(fā)明的金屬制精密齒輪中也有利于更小型化。此時(shí)，優(yōu)選Fe，Co，Ni的含量的總和為70原子％以上，M3的含量為2原子％以上10原子X以下，當(dāng)M3的含量不足2原子％或者超過10原子％時(shí)，很難得到優(yōu)秀的精度及表面平滑性，故不理想。在本發(fā)明中，主成分為Zr或Hf的精密齒輪，在本發(fā)明的齒輪中，過冷卻液體溫度區(qū)域?qū)?，冷卻速度比較低，具有容易得到復(fù)雜形狀的特征，判斷出能夠得到尺寸精度和表面平滑性更優(yōu)秀的精密齒輪。以Zr或Hf為主成分的精密齒輪由(Zr，Hf)aM5bM6e(但是M5是3，5，6族以及鐵族、白金族、貴金屬(11族)、Ti、Mn中的任意一種或兩種以上的元素，M6由Be、Zn、Al、Ga、B、C、N中的任意一種或兩種以上的元素構(gòu)成，a為30原子％以上70原子X以下，b為15原子％以上65原子％以下，(3為1原子％以上30原子％以下)構(gòu)成，表面硬度約為Hv500，在至今為止的精密齒輪中最低，但是在主成分中具有耐腐蝕性高的元素(Zr，Hf)，所以能夠在屋外或腐蝕環(huán)境等中使用，在本發(fā)明齒輪中，可以由生物體毒性最低的元素形成齒輪，故有望在醫(yī)療用途中使用。若a不足30原子％，則優(yōu)秀的耐腐蝕性會(huì)喪失，若超過85原子％，則無法得到尺寸精度以及表面平滑性，故不理想。另外若b和c超出規(guī)定的值，則容易在齒部產(chǎn)生填充不良，對耐久性有影響，故不理想。在本發(fā)明中，主成分為Ti的精密齒輪，相繼以Fe族為主成分的精密齒輪，具有高的強(qiáng)度，另外，因?yàn)門i的比重低，所以在本發(fā)明的齒輪中變得更輕，表明能夠得到啟動(dòng)時(shí)扭矩?fù)p失最低的齒輪機(jī)構(gòu)。進(jìn)而，判斷為對在形成偏心了的齒輪機(jī)構(gòu)時(shí)隨著重心擺動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)的抑制起到重要的作用的齒輪。上述以Ti為主成分的精密齒輪由Ti膨i—j—kCUiM7jM8k(但是、M7為由Zr、Hf、鐵族、白金族構(gòu)成的過渡金屬元素中的一種以上元素，M8為3，5，6族以及Al，Sn，Ge，Si，B，Be中的兩種以上元素，i為5原子％以上35原子％以下，j為10原子％以上35原子％以下，k為1原子％以上20原子％以下)構(gòu)成。若i，j不足規(guī)定的最小原子％，則難以得到優(yōu)秀的表面平滑性，若超過最大原子％，則由于比重的增加，以Ti為主成分的優(yōu)越性消失，故不理想。另外，若k不足l原子％，或者大于20原子％，則很難得到齒輪形狀本身，故不理想。—般來說，在玻璃質(zhì)中具有結(jié)晶的金屬組織中，玻璃質(zhì)金屬材料所具有的所謂高強(qiáng)度的機(jī)械性質(zhì)變得降低。但是，只要玻璃質(zhì)金屬的體積比為50%以上，則幾乎看不到機(jī)械性質(zhì)的變化。另外，就算結(jié)晶的體積比超過50%以上，在結(jié)晶尺寸小的情況下，具體地說就算存在100nm的結(jié)晶粒，也幾乎看不到機(jī)械性質(zhì)的變化。已知在具有優(yōu)秀的韌性和延展性的結(jié)晶?；旌洗嬖谟诓Ａз|(zhì)金屬的基質(zhì)時(shí)，可提高機(jī)械性質(zhì)，此時(shí)的結(jié)晶尺寸優(yōu)選為20nm以下。若超過100nm，則對齒輪的表面粗糙度產(chǎn)生不良影響。因此，混合存在于玻璃質(zhì)金屬的基質(zhì)中的結(jié)晶粒優(yōu)選為100mm以下。另外，硬度越高，越發(fā)現(xiàn)顯著的脆化，對點(diǎn)蝕等的齒輪表面疲勞的耐性產(chǎn)生極壞影響是即知的事實(shí)。盡管如此，本發(fā)明的精密齒輪具有楊氏模量低的性質(zhì)，因此盡管其大部分都具有高的硬度，但是對點(diǎn)蝕等的齒輪表面疲勞的耐性也很優(yōu)秀。為了顯著地發(fā)現(xiàn)該效果，齒輪材料中含有的非金屬元素的量優(yōu)選為30原子％以下，在25原子％以下的情況下，表明了在以更硬質(zhì)的Fe為主成分的齒輪中，到屈服或者破斷為止的彎曲度為1.5%以上，判斷能夠形成柔韌的精密齒輪。如以上所述，只要是本發(fā)明的精密齒輪，與以往公知的齒輪相比，尺寸精度、表面平滑性以及機(jī)械性質(zhì)優(yōu)秀，能夠得到可以簡單的工序形成的模數(shù)為0.2以下的精密齒輪。在此，在形成本發(fā)明所述模數(shù)0.2以下的精密齒輪時(shí)，與該無序結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性無關(guān)，為了抑制來自液體的體積收縮，至少需要300°C/秒以上的冷卻速度，通過滿足該條件，能夠引出本發(fā)明精密齒輪的性質(zhì)。優(yōu)選冷卻速度為1041:/秒以上。但是，在鑄造成形中，若冷卻速度達(dá)到l(^C/秒以上，則在齒輪的形成中有被固化的現(xiàn)象，而很難填充到鑄型中，其結(jié)果，表面粗糙度和尺寸精度顯著降低。根據(jù)本發(fā)明，能夠得到兼具有高硬度、高強(qiáng)度、高表面平滑性，且加工性優(yōu)良的高精度金屬制精密齒輪以及齒輪機(jī)構(gòu)，作為行星齒輪減速機(jī)具有與以往的工具鋼同等程度以上的一般特性，能夠?qū)崿F(xiàn)消音性優(yōu)異的產(chǎn)品。另外，根據(jù)本發(fā)明的精密齒輪對外部應(yīng)力具有強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，因此難以產(chǎn)生裂紋、缺口，進(jìn)而形狀精度優(yōu)越，故信賴性高，作為產(chǎn)品的耐久壽命，有望大范圍地提高。進(jìn)而根據(jù)本發(fā)明，沒有了各部件的組裝工序，而能夠一體成形，故能夠減少圖2所示的工序數(shù)，進(jìn)而無需組裝精度的研究。圖1是本發(fā)明所述行星齒輪的分解立體圖。圖2是表示以往和本發(fā)明行星齒輪的工序的說明圖。圖3是使用了加壓鑄造成形裝置的恒星輪的制作概略圖。圖4是熱循環(huán)流程圖。圖5是本發(fā)明的恒星輪的放大側(cè)面照片。具體實(shí)施例方式在本發(fā)明所述齒輪的制作對象中，作為加工性以及機(jī)械性質(zhì)、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異的機(jī)械部件之一例，選擇了在行星齒輪減速機(jī)中具有復(fù)雜形狀的精密齒輪結(jié)構(gòu)體的一例的模數(shù)0.04的恒星輪。圖1表示安裝了由本發(fā)明形成的恒星輪的行星齒輪減速機(jī)的分解圖。在這里，1為齒輪箱，在內(nèi)周面形成有內(nèi)齒輪。2為軸承，固定在齒輪箱1上，可自由旋轉(zhuǎn)地軸支撐輸出軸輪3。4為小齒輪，被固定在未圖示的電動(dòng)機(jī)的軸上。通過未圖示的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，小齒輪4旋轉(zhuǎn)，可自由旋轉(zhuǎn)地插入到恒星輪5a的軸上的3個(gè)行星齒輪6a旋轉(zhuǎn)。該行星齒輪與齒輪箱l的內(nèi)齒輪同時(shí)嚙合，恒星輪5a在與小齒輪4相同的方向上一邊減速一邊旋轉(zhuǎn)。接著，通過恒星輪5a的恒星齒輪的旋轉(zhuǎn)，可自由旋轉(zhuǎn)地插入到恒星輪5b的軸上的3個(gè)行星齒輪6b旋轉(zhuǎn)。該行星齒輪與齒輪箱1的內(nèi)齒輪同時(shí)嚙合，恒星輪5b—邊進(jìn)一步減速，一邊旋轉(zhuǎn)。同樣地依次傳遞動(dòng)力，最終輸出軸輪3旋轉(zhuǎn)。在實(shí)施本發(fā)明之際，因考慮了大量的生產(chǎn)，所以選擇了加壓鑄造成形裝置。圖3表示了該制造裝置的概略圖。為了更簡明地表示本發(fā)明所需的機(jī)構(gòu)，在概略圖中省去了所謂水冷卻機(jī)構(gòu)和真空排氣系統(tǒng)以及切斷工具的復(fù)雜機(jī)構(gòu)。在11的套筒外周面具有高頻線圈12，套筒11中的金屬通過高頻介質(zhì)加熱變成熔融金屬13。在裝置中設(shè)置有觀察熔融金屬13的窗口，熔融金屬13的溫度可以通過目視或者放射溫度計(jì)來進(jìn)行測量?？梢栽谘b置上隔著套筒11設(shè)置熱電偶，來更準(zhǔn)確地測量溫度，但是在此次的實(shí)施中，采用了放射溫度計(jì)，而沒有采用熱電偶。在熔融金屬的下方保持熔融金屬的擠壓頭14和套筒11在射出時(shí)以最大4m/秒的速度共同上升，將熔融金屬13經(jīng)由鑄型15中的流道輸送到內(nèi)腔部16中。內(nèi)腔16被金屬板17充分固定，通過將熔融金屬填充到被形成為產(chǎn)品形狀的內(nèi)腔部16，來使之精密地成形。熔融金屬通過充分冷卻至常溫的鑄型以及內(nèi)腔以103104°C/秒左右的速度迅速冷卻凝固。在鑄型以及內(nèi)腔中使用熱作工具鋼(SKD-1)，根據(jù)需要，可以在內(nèi)腔部16實(shí)施平滑的簡易涂覆，另外，內(nèi)腔可以相互分解，是充分考慮了離形的結(jié)構(gòu)。正在迅速冷卻凝固中的壓力根據(jù)擠壓頭的油壓不同，但是設(shè)定成產(chǎn)品表面的壓力為lMPa左右。在制作內(nèi)腔部16之際，實(shí)施電火花加工、滾磨以及化學(xué)拋光加工，將恒星齒輪部的齒面粗糙度控制在lymRy以下，將軸部的表面粗糙度控制在0.5ymRy以下。鑄型的表面粗糙度可以采用非接觸式的測量來進(jìn)行調(diào)查，該測量采用具有表面粗糙度測量功能的廣角共焦顯微鏡來進(jìn)行確認(rèn)。作為比較例，在表l中表示了對由本發(fā)明得到的上述齒輪結(jié)構(gòu)體和以往的齒輪結(jié)構(gòu)體進(jìn)行試驗(yàn)評價(jià)的結(jié)果。尺寸誤差是通過工具顯微鏡測量了，輪內(nèi)周直徑的尺寸誤差。齒面粗糙度采用非接觸式粗糙度測量方法進(jìn)行測量，表面硬度采用顯微維氏硬度計(jì)以100glkg的負(fù)荷進(jìn)行了測量。進(jìn)一步，抗拉強(qiáng)度是使用附屬有分析功能的臺式抗拉試驗(yàn)儀，以0.2mm的寬度固定厚度為相當(dāng)于齒的壁厚的60um、寬度為50ym的箔體來進(jìn)行測量的。進(jìn)一歩，將使用了上述恒星輪的行星齒輪減速機(jī)安裝到^2mm無刷電動(dòng)機(jī)，考慮到實(shí)際使用環(huán)境，在圖4的條件中增加了熱循環(huán)，進(jìn)行48小時(shí)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，調(diào)查有無變形或動(dòng)作異常。有無變形可以通過在工具顯微鏡中對照投影圖案圖面和齒輪來進(jìn)行判斷，偏出到標(biāo)準(zhǔn)形狀外的判斷為有變形。一表l中的XRD圖案采用微小X線衍射裝置進(jìn)行測量，判斷出有表示鹵原子圖案(halopattern)的(G)、在鹵原子圖案中混合存在有峰值的(G+C)、完全顯示結(jié)晶的圖案的(C)。其中，(G)為表示非晶質(zhì)的標(biāo)記，(C)為表示結(jié)晶的標(biāo)記。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實(shí)施例AG是形成主成分為Fe，Co的精密齒輪的例子。特別是在Fe1TO—x—yM3xM4y中，M4由Si，B構(gòu)成的實(shí)施例A在本發(fā)明的齒輪中硬度最高，另外，尺寸精度和表面粗糙度也非常良好。進(jìn)而，通過用Co和Ni取代了實(shí)施例A中的一部分Fe，且使作為M3元素的Nb量適當(dāng)化了的實(shí)施例B、C，能夠形成大大改善了形狀精度及表面粗糙度的高效率且低磨損性的齒輪。具有白金族的實(shí)施例D能夠形成彎曲應(yīng)變極限大，且改善了截至破斷為止的耐破壞性被的齒輪。實(shí)施例AG中的任意一個(gè)均能形成Hvl000、抗拉強(qiáng)度為3000MPa左右、延伸率為1.6%以上、非常硬且強(qiáng)度高、且相對應(yīng)力的彎曲應(yīng)變量小的難以產(chǎn)生彈性變形的精密齒輪，其結(jié)果，在使用了本發(fā)明的齒輪的超精密齒輪機(jī)構(gòu)中，能夠得到具有最理想的動(dòng)態(tài)特性的齒輪機(jī)構(gòu)。實(shí)施例H、I是形成了以Ni為主成分，且所有的構(gòu)成元素由過渡金屬元素構(gòu)成的精密齒輪的例子。若與已知的金屬齒輪的諸多性質(zhì)進(jìn)行對比，即使與以Fe，Co為主成分的精密齒輪相比，具有完全不遜色的硬度和強(qiáng)度，能夠形成彎曲應(yīng)變極限大的精密齒輪。利用Ni-Nb系材料所具有的優(yōu)異的耐腐蝕性，嘗試了在無法使用潤滑油的海水中的適用，在過飽和地添加了食鹽的水溫40°C的食鹽水中，追加進(jìn)行了行星齒輪減速機(jī)的耐久動(dòng)作試驗(yàn)，但是，試驗(yàn)前后，完全沒有發(fā)現(xiàn)諸多特性的變化，另外，所有的齒輪均沒有發(fā)生變化，能夠得到可適用于海水中的齒輪機(jī)構(gòu)。實(shí)施例J，K是形成了以Ti為主成分的精密齒輪的例子。使用了這種以Ti為主成分的齒輪的齒輪機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)時(shí)，扭矩的損失小，所以齒輪機(jī)構(gòu)整體的反應(yīng)速度提高了5%左右，能夠得到反應(yīng)良好的齒輪機(jī)構(gòu)。實(shí)施例L，M是形成了以Cu為主成分的精密齒輪的例子。在本發(fā)明中，顯示了最大的延伸率，能夠形成具有超過以往材料的1500MPa的均達(dá)到1850MPa以上的抗拉強(qiáng)度的精密齒輪。特別是實(shí)施例L的延伸率極限達(dá)到了3.9X非常大，得到了在本發(fā)明中耐破壞性最優(yōu)秀的精密齒輪。其結(jié)果，能夠得到對破壞性動(dòng)作缺陷的信賴性極高的齒輪機(jī)構(gòu)。圖5是由掃描型電子顯微鏡得到的一體型恒星輪L的側(cè)面放大照片。7是恒星齒輪，8是托盤，9是3根軸。實(shí)施例N，0，P是形成了以Zr，Hf為主成分的精密齒輪的例子。其在本發(fā)明中均為易加工性最優(yōu)異的精密齒輪，能夠形成以對表面粗糙度、尺寸誤差以及酸的耐性強(qiáng)且生體適應(yīng)性高的成分為中心的精密齒輪，進(jìn)而能夠形成使用了該精密齒輪的齒輪機(jī)構(gòu)。如上所述，本發(fā)明的精密齒輪具有各種優(yōu)異的特征，通過組合利用這些優(yōu)異的性質(zhì)，能夠得到更優(yōu)良的齒輪機(jī)構(gòu)。比較例lalc是形成了以Fe，Co為主成分的本發(fā)明對象以外的精密齒輪的例子。準(zhǔn)金屬元素量比30原子％多的例la在離形時(shí)的階段無法成形，在M，—JMn中，n不足50原子％的比較例lb以及l(fā)c(進(jìn)而，在比較例lb的Fe1Q?！獂—yM3xM4y中x超過20原子％)在離形時(shí)受損，無法得到目的齒輪。比較例2d2f是形成了以Ni為主成分的本發(fā)明對象以外的精密齒輪的例子。在Ni咖，-t-uNbs(Zr，Hf)tM2u中，s不足10原子％的比較例2d在離形時(shí)受損，無法得到目的齒輪。另外，雖然s超過25原子％的比較例2e為玻璃質(zhì)且形成了接近于齒輪的形狀，但是無法得到2ymRy以下的優(yōu)異的表面平滑性，另外，無法填充到齒頂，而無法得到標(biāo)準(zhǔn)的齒形，因此，無法插入到齒輪中，使之動(dòng)作。進(jìn)而，在Ni1Q?！猻—t—uNbs(Zr，Hf)tM2u中，雖然t和u之和為35原子％以上的比較例2f10也為玻璃質(zhì)且能夠形成接近于齒輪的形狀，但是無法得到2ymRy以下的優(yōu)異的表面平滑性，另外，無法填充到齒頂，而無法得到標(biāo)準(zhǔn)的齒形，因此，無法插入到齒輪中，使之動(dòng)作。比較例3g是形成了以Ti為主成分的本發(fā)明對象以外的精密齒輪的例子。在Ti咖—卜j—kCUiM7jM8k中，k為20原子％以上的例3g在離形時(shí)受損，無法得到目的齒輪。另夕卜，雖然i不足5原子％的例3h和j不足10原子％的例3i也為玻璃質(zhì)且能夠形成接近于齒輪的形狀，但是無法得到2ymRy以下的優(yōu)異的表面平滑性，另外，無法填充到齒頂，而無法得到標(biāo)準(zhǔn)的齒形，因此，無法插入到齒輪中，使之動(dòng)作。比較例4j，4k是形成了以Cu為主成分的本發(fā)明對象以外的精密齒輪的例子。在CupTiqMl1Q?！猵—q中，雖然q不足2原子％的比較例4j為玻璃質(zhì)且表面平滑性也非常良好，但是離形時(shí)部分齒受損，無法得到目的齒輪。P超過65原子％的例4k在離形時(shí)也會(huì)有部分齒受損，而無法得到目的齒輪。比較例51是形成了以Zr為主成分的本發(fā)明對象以外的精密齒輪的例子。在(Zr，Hf)aM5bM6。中，雖然b不足15原子％的比較例51為玻璃質(zhì)且形成接近于齒輪的形狀，但是無法得到2ymRy以下的優(yōu)異的表面平滑性，另外，無法填充到齒頂，而無法得到標(biāo)準(zhǔn)的齒形，因此，無法插入到齒輪中，使之動(dòng)作。比較例6m，6n是關(guān)于以La，Pd為主成分且制造方法已被公開的精密齒輪的例子。其均能夠得到易加工性，良好的尺寸精度以及表面粗糙度。但是，以La為主成分的比較例6m在安裝試驗(yàn)后，產(chǎn)生視為因軟化引起的變形的顯著的齒形變形，還產(chǎn)生動(dòng)作異常，事實(shí)上無法應(yīng)用于精密齒輪中。以Pd為主成分的比較例6n也產(chǎn)生齒形變形，但是與比較例6m不同，其特征是產(chǎn)生摩擦了黏土那樣的齒形變形。對尺寸精度的影響相比于比較例6n小，但是在嚙合時(shí)，因變形而產(chǎn)生卡住的現(xiàn)象，而不適用于施加高負(fù)荷的精密齒輪。比較例70，7p是由主成分為通過燒結(jié)得到的Fe的玻璃質(zhì)金屬構(gòu)成的精密齒輪的例子。如事先預(yù)料到的那樣，相比于經(jīng)迅速冷卻凝固熔融金屬得到的本發(fā)明的精密齒輪，強(qiáng)度明顯小，多處發(fā)現(xiàn)視為崩刃的崩齒現(xiàn)象，很難適用于實(shí)用材料。比較例8q，8r是使用了已有的鑄造用結(jié)晶金屬材料的例子。用Fe系結(jié)晶合金的比較例8q嘗試了成形，但無法填充到鑄型中，無法得到目的齒輪。另外作為Al系的壓鑄結(jié)晶合金的比較例8r在離形時(shí)變形，無法得到目的齒輪。比較例9s，9t是由樹脂材料形成的例子。由常用的樹脂材料構(gòu)成的例9s的齒輪和由玻璃纖維強(qiáng)化樹脂構(gòu)成的例9t的齒輪均出現(xiàn)了齒形的變形，作為用途，被限定在低負(fù)荷的環(huán)境中。比較例10u，10v是將一般的Fe系金屬材料用現(xiàn)行的恒星輪的制造方法制造了的例子。在具有代表性的不銹鋼的比較例10u中，確認(rèn)出現(xiàn)了因強(qiáng)度不足引起的視為塑性變形的齒的壓垮現(xiàn)象，到底不及本發(fā)明的齒輪。作為一般工具的比較例10v是與現(xiàn)行齒輪中采用的材料最接近的材料。在表2中表示了在經(jīng)過上述流程制造的恒星輪中，表面復(fù)制性最良好的本發(fā)明例的恒星輪B和通過工具鋼的切削加工進(jìn)行組裝的以往產(chǎn)品(相當(dāng)于比較例10v)的組裝試驗(yàn)前的表面粗糙度的比較結(jié)果。表面粗糙度通過共焦顯微鏡測量相同的個(gè)數(shù)，括號外的數(shù)值表示實(shí)測值的平均值，括號內(nèi)的數(shù)值表示最大值和最小值之差。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>進(jìn)一步，將使用了上述恒星輪的行星齒輪減速機(jī)安裝到小2mm無刷電動(dòng)機(jī)上。小2mm電動(dòng)機(jī)的電路電壓為4V，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為3V，端子間電阻為110.6Q，行星齒輪減速機(jī)的齒輪比為18:1。在表3中表示了通過安裝試驗(yàn)得到的特性數(shù)據(jù)。通過將本發(fā)明精密齒輪中的一例的恒星輪適用于行星齒輪減速機(jī)，能夠得到與現(xiàn)行的行星齒輪減速機(jī)相同程度以上的一般特性。另外，也能夠減輕齒輪彼此嚙合時(shí)產(chǎn)生的特有的金屬音。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的齒輪比原有齒輪更小型，且能夠適用于要求強(qiáng)度、耐磨損性、潤滑性的結(jié)構(gòu)部件。權(quán)利要求一種精密齒輪，其特征在于由模數(shù)0.2以下的齒輪構(gòu)成，該齒輪由體積比為50％以上的玻璃質(zhì)金屬組織形成，由CupTiqM1100-p-q構(gòu)成，但是，M1由Hf、Zr、鐵族、白金族、11族的貴金屬、Al、Sn、Zn中的任意一種或兩種以上元素構(gòu)成，p為50原子％以上65原子％以下，q為2原子％以上20原子％以下。2.如權(quán)利要求l所述的精密齒輪，其特征在于由具有維氏硬度為Hv500以上、抗拉強(qiáng)度為1500MPa以上中的至少一個(gè)性質(zhì)的齒輪構(gòu)成。3.如權(quán)利要求1所述的精密齒輪，其特征在于其為用于行星齒輪減速機(jī)且由恒星齒輪和托盤構(gòu)成的恒星輪。4.如權(quán)利要求1所述的精密齒輪，其特征在于其以300°C/秒以上107°C/秒以下的冷卻速度形成。5.—種精密齒輪的制造方法，其特征在于通過以壓鑄法為代表的熔融金屬的射出成形，來形成權(quán)利要求1所述的精密齒輪。6.—種精密齒輪的制造方法，其特征在于在粘性流動(dòng)溫度區(qū)域，通過超塑性鍛造成形，來形成權(quán)利要求1所述的精密齒輪。全文摘要本發(fā)明提供了一種金屬制精密齒輪及精密齒輪的制造方法，其通過以往的樹脂成形齒輪或工具鋼金屬齒輪中沒有的新型材料齒輪，得到兼具高硬度、高強(qiáng)度、高表面平滑性，且加工性優(yōu)良的高精度金屬制精密齒輪及齒輪機(jī)構(gòu)。該齒輪由以鐵族元素的Fe、Co、Ni和Cu、Ti、Zr、Hf為主成分的3元或4元以上的組成的玻璃質(zhì)金屬合金構(gòu)成，由XRD譜圖在鹵原子圖案中顯示寬闊的峰值且沒有一定的規(guī)則性的無序組織形成模數(shù)0.2以下的精密齒輪。文檔編號B22D17/00GK101709773SQ20091022618公開日2010年5月19日申請日期2004年9月1日優(yōu)先權(quán)日2003年9月2日發(fā)明者井上明久,喜多和彥,早乙女康典,清水幸春,渡邊大智,石田央,竹田英樹申請人:并木精密寶石株式會(huì)社;井上明久;早乙女康典