简介概要

热处理工艺轿车同步器齿环用HMn59-2-1-0.5合金磨损性能的影响

来源期刊：中国有色金属学报2004年第4期

论文作者：杜令忠徐滨士董世运董企铭

文章页码：633 - 638

关键词：同步器齿环； HMn59-2-1-0.5合金；热处理；磨损性能

Key words：synchro converter ring; HMn59-2-1-0.5 alloy; heat treatment; wear performance

摘要：制定了国产HMn59-2-1-0.5合金同步器齿环的热处理工艺，对比了该合金齿环和进口齿环的磨损性能，分析了HMn59-2-1-0.5合金的磨损机理。结果表明：国产HMn59-2-1-0.5合金同步器齿环耐磨性优于进口同步器齿环或与之相当，磨损机理主要是磨粒磨损，热处理后形成的“硬质点＋软基体”和“软质点＋硬基体”的典型多相复合耐磨组织使合金具有良好的摩擦特性。

Abstract: The heat treatment technique of HMn59-2-1-0.5 alloy used in car synchro converter ring was determined. The wear properties between HM59-2-1-0.5 alloy and imported material used in car synchro converter ring were compared and the wear mechanism was analyzed. The results show that the wear properties of HM59-2-1-0.5 alloy equal to or are better than those of imported material and the main wear mechanism is abrasive wear. The composite microstructures of hard particle+soft matrix and soft particle+hard matrix make the alloy have excellent friction

中国有色金属学报 2004,(04),633-638 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.04.020

热处理工艺轿车同步器齿环用HMn59-2-1-0.5合金磨损性能的影响

徐滨士董世运董企铭

摘要：

制定了国产HMn59 2 1 0.5合金同步器齿环的热处理工艺, 对比了该合金齿环和进口齿环的磨损性能, 分析了HMn59 2 1 0.5合金的磨损机理。结果表明:国产HMn59 2 1 0.5合金同步器齿环耐磨性优于进口同步器齿环或与之相当, 磨损机理主要是磨粒磨损, 热处理后形成的"硬质点+软基体"和"软质点+硬基体"的典型多相复合耐磨组织使合金具有良好的摩擦特性。

关键词：

同步器齿环;HMn59210.5合金;热处理;磨损性能;

中图分类号： TG162

收稿日期：2003-07-30

基金：国家 (863) 计划资助项目 (8637150120140);

Effect of heat treatment technique on wear properties of HM59-2-1-0.5 alloy used in car synchro converter ring

Abstract：

The heat treatment technique of HMn59-2-1-0.5 alloy used in car synchro converter ring was determined. The wear properties between HM59-2-1-0.5 alloy and imported material used in car synchro converter ring were compared and the wear mechanism was analyzed. The results show that the wear properties of HM59-2-1-0.5 alloy equal to or are better than those of imported material and the main wear mechanism is abrasive wear. The composite microstructures of hard particle+soft matrix and soft particle+hard matrix make the alloy have excellent friction characteristic.

Keyword：

synchro converter ring; HMn59-2-1-0.5 alloy; heat treatment; wear performance;

Received： 2003-07-30

汽车工业是一个国家国民经济的支柱产业, 是一个国家工业生产能力和科学技术的综合体现。我国的轿车工业经过近年的发展, 已基本上从开始的整车引进, 逐步实现了大部分零件的国产化, 并且一些零部件的质量和性能已达到或接近国外先进水平, 降低了对国外的依赖性, 提高了民族汽车工业的自主性。但是, 目前尚有一些关键零部件及材料, 由于其技术难度较大, 尚未实现国产化。比如轿车用同步器齿环, 它是变速箱中的关键零件之一, 它的发明和使用是汽车变速系统技术进步的一个重要标志 ^[1,2] 。由于国产材料技术不过关, 我国的奥迪、捷达、桑塔纳轿车用同步器齿环材料主要依赖进口, 花费了大量外汇。为了实现轿车同步器齿环材料国产化, 降低成本, 我国自行研制了高强HMn59-2-1-0.5合金。由于轿车在换档过程中要求齿环具有优良的耐磨性 ^[3] 。因此本文作者主要研究了HMn59-2-1-0.5合金同步器齿环的热处理工艺, 对比了该合金齿环和进口齿环的磨损性能, 并分析了材料的磨损机理。

1实验

热处理采用 SX-2.5-10箱式电阻炉加热, 炉膛尺寸为200 mm×120 mm×80 mm, 用DR_2-4型电阻温度控制器控制温度。采用日产Vesmat-Ⅱ型金相显微镜观察微观组织; 用HB-3000型布氏硬度计测量硬度, 压头直径为2.5 mm, 载荷为625 N。

磨损性能在MM200型磨损试验机上测试, 工作压力为100～500 N, 转速为400 r/min。磨损量的测定采用磨痕宽度法, 磨痕宽度用显微读数计读出。由于同步器齿环是在油润滑条件下工作的, 因此主要进行油润滑磨损实验, 润滑油采用20号机油, 滴油量1 mL/5 min。磨损试样规格如图1所示, 块状试样为齿环材料, 表面粗糙度为Ral.63。与其对磨的是GCr15轴承钢滚轮, 在实验前经830 ℃固溶, 150 ℃时效3 h处理, 硬度为HRC60, 滚轮表面经精磨后使用。为了保证实验结果的可靠性和对比性, 必须使对磨材料在每次试验时表面状态相同, 为此, 每做一个试样均对滚轮表面采用同样工艺方法进行修整。摩擦系数μ通过测定扭矩的大小来计算, 即:

μ=M/f·R

式中 μ为摩擦系数; M为扭矩, N·mm; f为法向载荷, N; R为滚轮半径, mm。

磨损后表面的形貌在JSM-1型扫描电镜下观察。

实验中所用的磨损试样的形状、尺寸如图1所示, 试样表面光洁度为?8。

图1 磨损试样形状及尺寸

Fig.1 Shape and size of friction specimen (mm)

2结果与讨论

HMn59-2-1-0.5合金的成分 (质量分数, %) 为: 58～59Cu; 1.4～1.7Al; 1.8～2.2Mn; 0.6～0.9Si; 0.35～0.65Fe; 0.3～0.6Pb; 0.1～0.4Sn; 其余为Zn。采用热精锻工艺制备同步器齿环, 精锻温度为720 ℃。同步器齿环的金相组织对其性能, 特别是寿命指标有显著的影响, 因此, 采用必要的热处理工艺控制锻件的金相组织, 是保证同步器齿环性能充分发挥的重要环节 ^[4] 。实验采用了2种热处理制度: 1) 齿环精锻后直接进行水冷、风冷、空冷、灰冷、砂冷; 2) 将齿环重新加热到精锻温度720 ℃保温20 min, 水淬, 在不同温度下时效1 h, 然后在空气中冷却。

2.1锻后冷却方式对硬度的影响

齿环精锻后分别进行水冷, 油冷, 风冷, 空冷, 砂上冷, 灰冷及砂中冷20、 40 min的硬度如图2所示。

从图2中可以看出, 从水冷到砂中冷40 min, 随冷却速度减缓, 齿环硬度HB从188下降到160。

平衡状态下, HMn59-2-1-0.5合金的微观组织为白色针状的α相+黑色的β′基体 ^[5] 。齿环精锻后冷却时, 会发生部分高温β相向α相的组织转变, 同时β相转变为β′相。水冷时, 由于冷却速度很快, 抑制了α相的析出, 得到纯β′组织 (图3 (a) ) , 随着冷却速度的减慢, α相的转变量缓慢增加, 空冷时α相的含量约为5% (图3 (b) ) 。由于α相硬度 (HV 140) 小于β′相 (HV 200) , α相含量越多材料硬度越低, 同时, 较慢的冷却速度有利于锻造应力的松弛, 因此出现了随却冷度速降低硬度降低的现象 ^[6,7] 。

2.2时效温度对齿环性能的影响

图2 冷却方式对硬度的影响

Fig.2 Effects of cooling condition on hardness

图3 HM59-2-1-0.5合金直接冷却的微观组织

Fig.3 Microstructures of HM59-2-1-0.5alloy cooled directly (a) —Cooled in water; (b) —Cooled in air

为了进一步研究锻后热处理方式对齿环性能的影响, 又进行了以下实验: 将缓冷后的齿环重新加热到750 ℃固溶, 而后分别在150、 200、 250、 300、 350、 400 ℃下时效1 h, 其硬度如图4所示。

从图4可知, 硬度随着温度的升高而升高, 在200 ℃时出现峰值 (HB 176) , 超过200 ℃时硬度缓慢下降。

图4 时效温度对硬度的影响

Fig.4 Effects of aging temperatureon hardness

齿环冷却后重新加热固溶, α相分解, 溶入β′基体, 得到了纯β′相的微观组织。从图5可以看出: 在时效过程中α相从基体中析出, 200 ℃以下析出量很少, 超过200 ℃ α相析出量增加很快, 随着温度的升高, Mn₅Si₃ ^[8] (图中灰色颗粒) 等颗粒增强相析出量增加, α相析出使硬度降低, 而Mn₅Si₃颗粒析出使硬度升高 ^[9] , 在两者共同作用下, 硬度值出现先升后降的趋势。

200 ℃时效1 h具有较好的组织和性能, 而空冷工艺简单, 成本低, 非常适合工业生产。因此我们选择了200 ℃时效1 h以及直接空冷处理的合金试样与进口齿环 (取自桑塔纳轿车) 进行了对比磨损试验。

2.3对比磨损试验结果

图6所示是200 ℃时效1 h以及直接空冷处理的HMn59-2-1-0.5合金与进口齿环的对比磨损试验结果, 从图中可以看出, 随着加载载荷的增加及磨损时间的延长, 3组材料的磨损量都增加, 进口齿环的耐磨性略高于直接空冷试样而略低于200 ℃时效1 h处理的试样。

在载荷为400 N, 磨损时间为1 h的实验条件下, 材料达到稳定阶段时的摩擦系数分别为: 进口齿环0.011 5; 空冷0.121 26; 200 ℃时效1 h 0.010 875。 3组材料的摩擦系数相差不大, 200 ℃时效1 h的摩擦系数最低。

2.4磨损机理探讨

图5 HM59-2-1-0.5合金不同温度时效的微观组织

Fig.5 Microstructures of HM59-2-1-0.5 alloy aging at different temperatures (a) —Aging at 200 ℃ for 1 h; (b) —Aging at 250 ℃ for 1 h

图6 不同磨损条件下的磨损曲线

Fig.6 Wear curves in different conditions (a) —Worn trace width with sliding time (normal load: 400 N) (b) —Worn trace width with normal load (sliing time: 1 h)

图7所示是3组齿环试样的磨痕SEM形貌, 磨损表面是平行分布的犁沟, 其磨损机制为磨粒磨损, 从犁沟表面也可以看出: 200 ℃时效1 h的犁沟较细较浅, 耐磨性要优于进口齿环, 与磨损实验所得结论一致。

磨损过程中, 由于摩擦副GCr15的硬度远大于铜合金的硬度, 摩擦副表面的微凸体, 可以很容易的压入铜合金表面, 在切向力的作用下, 这些微凸体会对合金表面产生切削作用, 使合金表面发生塑性变形而形成犁沟。分布在软基体上的颗粒相Mn₅Si₃硬度很高, 而且很脆, 在摩擦副的反复冲击下, 很容易碎裂, 有时甚至整个从基体中脱落下来, 这些硬质颗粒相夹杂在润滑油中在接触面间滚动, 也会在合金表面留下犁沟。

热处理后的HM59-2-1-0.5合金, 软韧α相 (HB 140) 和高硬的Mn₅Si₃ (HV 800) 质点分布在较高强度的β′ (HB 300) ^[10] 的基体中, 形成了“硬质点+软基体” ^[11] 和“软质点+硬基体” ^[12] 的典型多相复合耐磨组织从而获得了良好的摩擦特性。硬质点Mn₅Si₃分布在软基体β′上, 可以提高材料表面的硬度, 使摩擦副表面的微凸体难以压入基体中, 减轻了微凸体对磨损表面的切削作用, 即使那些从材料表面脱落的Mn₅Si₃硬质颗粒相, 存在摩擦面间, 也可以产生类似与滚动摩擦的“微滚珠”效果 ^[13] , 使摩擦系数减小。而韧性α相由于较软, 分布在较硬基体β′上, 可以防止对磨材料的硬性接触, 经跑合后, α相首先被磨损而低洼, 可以作为存储润滑油的容器, 可以充分发挥油润滑功能, 另外, 韧性α相, 其本身就有抑制裂纹发展的作用, 在磨损过程中, 磨损表面形成的显微裂纹在向表面下方扩展, 如果遇到塑性的α相, 将会因α相发生塑性变形, 使裂纹尖端钝化而停止扩展 ^[14] 。进一步提高了该合金的耐磨性。