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
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:
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DR2-4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
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
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
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)
图7 3组材料的表面磨痕形貌
Fig.7 Morphologies of worn trace of three kinds of material (a) —Aging at 200 ℃ for 1 h; (b) —Imported gear; (c) —Cooling in air
HM59-2-1-0.5合金经热处理后获得优良的耐磨组织, 耐磨性优于进口齿环或与之相当, 为取代进口、 实现同步器齿环材料的国产化提供了可能。
3结论
1) 200 ℃时效1 h处理的HMn59-2-1-0.5合金齿环耐磨性优于进口齿环而空冷时合金的耐磨性与进口齿环相当。
2) HMn59-2-1-0.5合金齿环的磨损机理主要是磨粒磨损。
3) “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。
参考文献