DE68913474T2

DE68913474T2 - Teile einer Zahnradpumpe.

Info

Publication number: DE68913474T2
Application number: DE68913474T
Authority: DE
Inventors: Kiyoaki C O Itami Works Akechi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1989-12-19
Publication date: 1994-09-01
Anticipated expiration: 2009-12-20
Also published as: US5199971A; DE68913474D1; JPH07101035B2; JPH02169881A; EP0375337B1; EP0375337A3; EP0375337A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bauteile zur Verwendung in einer Zahnradpumpe, die gute Gleiteigenschaften gegenüber einem aus Leichtmetallen, wie z.B. Aluminiumlegierungen, geformten Pumpengehäuse zeigen, und insbesondere auf Bauteile, wie z.B. ein angetriebenes Zahnrad und ein antreibendes Zahnrad, zur Verwendung in einer Zahnradpumpe, die durch Extrudieren von Aluminiumlegierungspulvern, die schnell verfestigt wurden, und/oder durch Pulverschmieden erhalten wurden.
Ein antreibendes Zahnrad (innerer Rotor) und ein angetriebenes Zahnrad (äußerer Rotor) in einer Zahnradpumpe werden häufig beide aus dem gleichen Eisenmaterial geformt. Solche Zahnradpumpen erhöhen gewöhnlich die Schwierigkeiten, wie z.B. verstärktes Geräusch oder Verlust an Antriebsleistung während des Betriebs.
Es wurde darauf hingewiesen, daß Geräusche, die erzeugt werden, wenn das angetriebene Zahnrad mit dem antreibenden Zahnrad im Eingriff ist, besonders laut sind. Außerdem ergibt sich der Verlust an Antriebsleistung aus einer Erhöhung des während des Betriebs erforderlichen Drehmoments.
Diese Nachteile werden hauptsächlich im Bereich der gezahnten Form des angetriebenen Zahnrads und des antreibenden Zahnrads und Fehlern bei dieser gezahnten Form gesehen. Folglich wurde auch über Gegenmaßnahmen gegen diese Probleme zum größten Teil im Bereich der Zahnform nachgedacht, so daß keine wirkliche Lösung erzielt wurde.
JP-A-60-128983 offenbart die Verwendung von Leichtmetallen, wie z.B. Aluminiumlegierungen, und gesinterten Legierungen, wie z.B. Keramiken, mit kleinen spezifischen Dichten als ein Verfahren, das Gewicht der antreibenden und angetriebenen Zahnräder zu verringern und damit das Geräusch und den Verlust an Antriebsleistung zu verringern.
JP-A-63-213604 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Elements aus einer Al-Si-Legierung mit einer Oberflächenschicht mit hoher Verschleißfestigkeit und einer damit in einem Stück ausgebildeten inneren Schicht, indem ein geformter Körper aus einem gemischten Al/Si-Pulver mit einem größeren Si-Korndurchmesser nahe der Oberfläche als nahe dem Mittelpunkt einer starken plastischen Verformung durch Warmstrangpressen bzw. Warmextrudieren ausgesetzt wird.
Bei Pumpen mit einem Eisengehäuse sind das herkömmliche, aus gesinterten Aluminiumlegierungen geformte antreibende Zahnrad und das angetriebene Zahnrad beim Abrieb und den Gleiteigenschaften überlegen, wenn aber das Pumpengehäuse, um sein Gewicht zu verringern, aus einem Leichtmetall, wie z.B. einer Aluminiumlegierung, geformt ist, neigt das Pumpengehäuse dazu, an dem angetriebenen Zahnrad hängenzubleiben, was zu erhöhtem Abrieb und verschlechterten Gleiteigenschaften führt. Ein ähnliches Problem tritt leicht zwischen dem angetriebenen Zahnrad und dem antreibenden Zahnrad auf.
Die vorliegende Erfindung besteht in einem Bauteil zur Verwendung in einer Zahnradpumpe, wie z.B. ein angetriebenes Zahnrad mit guten Gleiteigenschaften gegenüber einem Pumpengehäuse aus Leichtmetall oder ein antreibendes Zahnrad mit guten Gleiteigenschaften gegenüber dem genannten angetriebenen Zahnrad, wobei das genannte Bauteil aus einem Aluminiumlegierungspulver geformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Legierungsmaterial erhalten wird, indem Aluminiumlegierungspulver, das bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit bzw. Abkühlrate von 100ºC/s oder mehr schnell verfestigt wurde und eine Partikelgröße von 350 um oder weniger aufweist, dem Pulverschmieden oder der Pulververdichtung bzw. dem Pulverpressen, gefolgt von einem Warmextrudieren, unterzogen wird.
Die Erfindung stellt auch ein Paar Bauteile aus einer Aluminiumlegierung zur Verwendung in einer Zahnradpumpe bereit, wie z.B. ein angetriebenes Zahnrad und ein antreibendes Zahnrad, wobei das eine genannte Bauteil wie oben definiert und dadurch hergestellt ist, indem das schnell verfestigte Aluminiumlegierungspulver dem Pulverpressen, dann dem Warmextrudieren und danach dem Warmschmieden unterzogen wird und das andere Bauteil aus einer durch Schmelzen erhaltenen Aluminiumlegierung geformt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht ist, die eine Zahnradpumpe mit einbeschriebener Trochoidenverzahnung zeigt, und
Fig. 2 eine Draufsicht ist, die ein angetriebenes Zahnrad zeigt, das aus zwei aus verschiedenen Materialien gebildeten Schichten besteht.
Mit Bezug auf die Zeichnungen im Detail ist Fig. 1 eine Draufsicht, die eine Zahnradpumpe vom einbeschriebenen Trochoidenverzahnungstyp als ein Beispiel einer Zahnradpumpe zeigt.
Bei dieser Zahnradpumpe wird ein antreibendes Zahnrad (innerer Rotor) 2 von einer Antriebswelle 1 angetrieben, und ein angetriebenes Zahnrad (äußerer Rotor) 3 wird mit dem Antrieb des genannten antreibenden Zahnrads 2 angetrieben.
Dieses angetriebene Zahnrad 3 ist in einem in einem Pumpengehäuse 4 ausgebildeten Raum untergebracht. Ein Fluid wird durch die Drehung des antreibenden Zahnrads 2 und des angetriebenen Zahnrads 3 durch eine Ansaugöffnung (nicht gezeigt) angesaugt und durch eine Ausströmöffnung abgegeben.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Materialien durch die Verwendung von Aluminiumlegierungspulvern, die schnell verfestigt wurden, hergestellt, und das angetriebene Zahnrad und das an treibende Zahnrad werden aus diesen Materialien hergestellt.
Die Aluminiumlegierungspulver, die schnell verfestigt wurden, werden normalerweise durch das Zerstäubungsverfahren hergestellt. Beim Luftzerstäubungsverfahren ist die Abkühlrate 100ºC/s oder mehr. Oder, wenn die Aluminiumlegierungspulver Partikeldurchmesser von 350 um oder weniger aufweisen, sind sie Pulver, die schnell verfestigt wurden.
Es wird bevorzugt, wenn die Abkühlrate 1000ºC/s oder mehr und der Partikeldurchmesser 150 um oder weniger beträgt.
Aluminiumlegierungen mit einem großen Anteil an zugegebenem Legierungsbestandteil, die bisher nicht durch durch Barrenverhüttung (ingot metallurgical process) erhaltene gewöhnliche Materialen (Gußmaterialien, Knetmaterialien) erhalten wurden, können durch schnelle Erstarrung bzw. Verfestigung erhalten werden. Außerdem kann eine gleichmäßige und feine Struktur erhalten werden.
Um zum Beispiel die Al-Al-Gleiteigenschaften zu verbessern, können Legierungen, die Si in einer Menge von 11 bis 42%, und Übergangsmetalle, wie z.B. Fe und Ni, in einer Menge von 1 bis 12% enthalten, erhalten werden.
Si-Kristalle und intermetallische Verbindungen dieser Legierungen (pulverextrudierte Materialien und pulvergeschmiedete Materialien) weisen Größen von 20 um oder weniger auf. Folglich zeigen diese Legierungen sowohl eine hohe Abrieb- und Verschleißbeständigkeit, einen hohen Youngschen Modul und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgrund eines hohen Gehalts an Legierungselementen und überlegenen mechanischen Eigenschaften, wie z.B. hohe Festigkeit und hohe Wärmebeständigkeit, als auch eine überlegene maschinelle Bearbeitbarkeit aufgrund der Abwesenheit einer Seigerung und der gleichmäßigen und feinen Mikrostruktur trotz eines hohen Gehalts an Legierungselementen.
Auch können die oben beschriebenen Legierungen mit darin dispergierten harten Partikeln und selbstschmierenden Partikeln abhängig von den Bedingungen, unter welchen sie verwendet werden, hergestellt werden.
Um die Gleiteigenschaften gegenüber den Leichtmetallen zu verbessern, wie z.B. Aluminium gegenüber jenem des Pumpengehäuses, wird die Menge der Al-Atome auf der Gleitfläche, die eine hohe wechselseitige Kohäsion aufweisen, so weit wie möglich verringert. Das heißt, es werden Legierungen erhalten, die eine große Menge an kovalent gebundenem Si-Kristall und intermetallischen Verbindungen (Al&sub3;Fe, Al&sub3;Ni u.ä.) enthalten.
Die herkömmlichen Aluminiumlegierungen enthalten jedoch Si in einer Menge von höchstens 12%, und wenn das gegossene Produkt von einfacher Form ist, enthalten sie Si in einer Menge von höchstens 17% und Fe in einer Menge von höchstens 1%.
Ein Verfahren der Herstellung von Materialien durch die Verwendung von Aluminiumlegierungspulvern, die schnell verfestigt wurden, überwand diese Einschränkungen der Legierungen bei den Mengen an Si und Übergangsmetallen, wie z.B. Fe.
Die Aluminiumlegierungspulver, die schnell verfestigt wurden, werden dem Pulverpressen unterzogen, um einen Barren zu bilden, der dem Warmextrudieren unterzogen wird, um das Material zu erhalten.
Die Materialien können auch durch Pressen bzw. Gießen der Pulver in einen Hohlraum einer Form erhalten werden, wobei das Bindemittel entfernt und dann der Pulverpreßling (powder compacting) dem Warm-Pulverschmieden (hot powder forging) unterzogen wird. In jedem Fall kann annähernd die reine Form erhalten werden, jedoch ist die Maßgenauigkeit nicht zufriedenstellend, so daß eine nachfolgende maschinelle Bearbeitung erforderlich ist.
Bei jedem Fall des Pulverextrudierverfahrens und des Pulverschmiedeverfahrens, wie in Fig. 2 besonders beim angetriebenen Zahnrad 3 gezeigt, können eine Seite 3a, die mit dem Pumpengehäuse in Kontakt gebracht wird, und eine Seite 3b, die mit dem antreibenden Zahnrad in Kontakt gebracht wird, aus den den jeweiligen anderen Bauteilen entsprechenden Materialien in einer Doppelschichtstruktur ausgebildet werden.
Außerdem sind die Materialien in Pulverform, so daß eine Pulvermischung, die zwei oder mehr verschiedene Pulverarten umfaßt, die schnell verfestigt wurden, eine Pulvermischung, der Keramikpartikel, wie z.B. Al&sub2;O&sub3;-Pulver, SiO&sub2;-Pulver, Si&sub3;N&sub4;-Pulver und SiC-Pulver, zugegeben wurden, eine Pulvermischung, der selbstschmierende Partikel, wie z.B. Graphit, BN und MoS&sub2;, zugegeben wurden, oder Mischungen, die alle der oben beschriebenen Materialien umfassen, durch Pulverextrudieren und Pulverschmieden hergestellt werden.
Es versteht sich, daß in dem Fall, daß die erforderlichen Eigenschaften selbst nicht durch die Verwendung der Aluminiumlegierungspulver, die schnell verfestigt wurden, erfüllt werden, Oberflächenbehandlungen ähnlich jenen, die für herkömmliche Aluminiumlegierungen verwendet werden, z.B. eine Eloxier- bzw. anodische Behandlung, eine Beschichtungsbehandlung oder Überziehen mit Fluorharzen übernommen werden können.
In diesem Fall wird der Wärmeausdehnungskoeffizient der durch das Pulverextrudieren und das Pulverschmieden erhaltenen Materialien gegenüber dem von Eisen aufgrund des hohen Gehalts an zugegebenem Si verringert. Verschiedene Eigenschaften, wie z.B. der hohe Youngsche Modul, die hohe Festigkeit trotz eines hohen Gehalts an Legierungselementen und die gute maschinelle Bearbeitbarkeit, bleiben erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist weiter mit Bezug auf bestimmte Beispiele beschrieben.
Die jeweiligen Kombinationen des angetriebenen Zahnrads 3 und des antreibenden Zahnrads 2, die aus den in Tabelle 1 gezeigten Materialien geformt wurden und einen Außendurchmesser von 80 mm und eine Wanddicke von 10 mm aufweisen, wurden dem Pumpenversuch 20 Stunden lang bei 4000 U/min unterzogen.
Nach dem Versuch wurde der Oberflächenzustand untersucht, wobei zu sehen ist, daß ein bemerkenswert guter Oberflächenzustand erhalten wird, wenn das angetriebene Zahnrad und das antreibende Zahnrad gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Tabelle 1 Pumpengehäuse angetriebenes Zahnrad antreibendes Zahnrad Oberflächenzustand Vorliegende Erfindung Vergleichsbeispiel Durch Pulverextrudieren od. Pulverschmieden hergest. Aluminiumlegierung Eisen Gußeisen (FCA) # 125 + 4% Graphit + 3% SiC # 210, mit Fluorharzen überzogen Gesinterte Eisenlegierung Antrieb d. Kohäsion
Bemerkungen: Die Symbole in der obigen Tabelle bezeichnen die folgenden Gehalte:
A2017: Durch Barrenmetallurgie hergestellte Aluminiumlegierung (Duralumin Al-4%Cu-0,6%Mg-0,6%Mn)
ACD12: dto. (Al-11%Si-2,5%Cu-0,2%Mg-0,2%Mn)
A4032: dto. (Al-12%Si-1%Cu-1 %Mg-1%Ni)
A 390: dto. (Al-17%Si-4%Cu-1%Mg)
# 250: Durch Pulverextrudieren oder Pulverschmieden hergestellte Aluminiumlegierung (Al-20%Si-5%Fe-2%Ni)
# 210: dto. (Al-12%Si-5%Fe-3%Cu-1 %Mg-0,4%Mn)
# 125: dto. (Al-25 %Si-3%Cu-0,5 %Mg-0,4%Mn)
Wie oben beschrieben, können gemäß der vorliegenden Erfindung die Gleiteigenschaften zwischen dem Pumpengehäuse und dem angetriebenen Zahnrad und die Gleiteigenschaften zwischen dem angetriebenen Zahnrad und dem antreibenden Zahnrad bemerkenswert verbessert werden, indem das angetriebene Zahnrad und das antreibende Zahnrad aus Materialien hergestellt werden, die erhalten werden, indem die Aluminiumlegierungspulver, die schnell verfestigt werden und Partikelgrößen von 350 um oder weniger aufweisen, dem Pulverschmieden oder dem Pressen, gefolgt von Warmextrudieren und wahlweise weiterem Warmschmieden, unterzogen werden.

Claims

1. Bauteil zur Verwendung in einer Zahnradpumpe, z. B. ein angetriebenes Zahnrad (3) mit guten Gleiteigenschaften gegenüber einem Pumpengehäuse (4) aus Leichtmetall oder ein antreibendes Zahnrad (2) mit guten Gleiteigenschaften gegenüber dem angetriebenen Zahnrad, wobei die Bauteile (2, 3, 4) aus einer Aluminiumpulverlegierung geformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Legierungsmaterial durch Unterwerfen des Aluminiumlegierungspulvers, welches bei einer Abkühlrate von 100ºC/sek oder mehr schnell abgekühlt worden ist und eine Partikelgröße von 350 um oder weniger aufweist, dem Pulverschmieden oder dem Pulverpressen erhalten wird, wonach ein Warmextrudieren erfolgt.

2. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Aluminiumlegierunspulver einen Siliziumgehalt von 11%-42% aufweist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Aluminiumlegierungspulver Keramikpartikel als harte Partikel und/oder Graphitpartikel als selbstschmierende Partikel enthält.

4. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Aluminiumlegierung einen Übergangsmetallgehalt von 1%-12% aufweist.

5. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, das eine anodisierte Oberfläche aufweist.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das eine plattierte Oberfläche aufweist.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das eine Oberfläche aufweist, die mit einem fluoriniertem Harz überzogen ist.

8. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, das durch Unterwerfen des schnell abgekühlten Aluminiumlegierungspulvers der Pulverpressbehandlung, gefolgt von Warmextrudieren und danach einem Warmschmiedevorgang hergestellt ist.

9. Bauteil nach Anspruch 8 in Kombination mit einem anderen Zahnradpumpenteil, das aus einer durch Schmelzen erhaltenen Aluminiumlegierung geformt ist.