CN102618748A

CN102618748A - 一种汽车同步器用齿环合金材料

Info

Publication number: CN102618748A
Application number: CN2012101096623A
Authority: CN
Inventors: 贺永东; 杨志强
Original assignee: Jinchuan Group Co Ltd
Current assignee: Jinchuan Group Co Ltd
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明公开了一种汽车同步器用齿环合金材料，所述合金材料包含元素的质量百分比为Cu51.0-63.0%、Sn0.1-0.9%、Ti0.5-1.2%、Zr0.01-0.08%、B0.005-0.08%、Sb0.02-0.06、Ni0.2-4.3%、Mn1.0-5.0%、Fe0.5-1.5%、Si0.3-1.6%、Al1.3-6.0%、Pb0.1-1.0%、稀土0.05-0.20%，杂质总量不大于0.05%，余量为锌。本发明通过多组元合金化-多级热处理和高温固溶-双级时效工艺，实现齿环合金多相、多尺度强韧化，使粒子的硬度与基体的韧性得到最佳的配合，在极端恶劣的冲击条件下保持良好的使用性能和较长的使用寿命。

Description

一种汽车同步器用齿环合金材料

技术领域

本发明属于金属材料合金化技术领域，尤其涉及一种汽车同步器用齿环合金材料。

背景技术

同步器齿环是汽车变速箱的重要部件，能降低汽车换挡过程中的冲击、震动和噪声，提高汽车操纵的稳定性和行驶的安全性。由于换挡齿轮与连接齿轮要在一至两秒钟内加速、减速至同步换挡，这种快速、多变的摩擦、应力作用，使同步器齿面处于极端恶劣的工作条件下，对同步器齿环材料的设计提出了更高的标准，高可靠性和长寿命是对齿环材料设计的基本要求。一般认为，齿环的寿命取决于材料的耐磨性，齿环的耐磨原理是软基体+硬颗粒。目前，黄铜同步器齿环的寿命并不能令人满意，且同步器齿环的磨损机制是严重的粘着磨损。硬颗粒之间不会发生粘着磨损；只有硬颗粒与软基体之间、软基体与软基体之间才会发生粘着磨损。说明齿环的软基体不足以支撑硬颗粒，齿环材料的基体强度不足是影响齿环寿命的主要原因。

传统的黄铜齿环合金多是双相黄铜，α相在合金基体中的比例最高可达23%，其余为β相。众所周知，α相是面心立方晶格的Cu基固溶体，晶格常数为3.608-3.693A；而β相是体心立方晶格的Cu-Zn基固溶体，晶格常数为2.942-2.949A。由于两种固溶体的合金基体不同、晶体结构不同、结晶形貌不同（α相呈细长的针状析出，β相呈不规则的块状分布）、固溶特性不同、时效析出产物不同，导致两种固溶体的基体强度和耐磨性能不同，从而对齿环的寿命产生影响。

合金牌号为HMn57-2-2-0.5、HMn59-2-1.5-0.5、HMn64-8-5-1.5是三种典型的双相黄铜齿环合金，三种合金均是通过向合金基体中加入0.3%-0.8%的铅，依靠铅在材料基体中形成自润滑减磨质点，达到提高齿环寿命的目的。由于铅在高温下可以大量固溶于β相中，在α相中铅几乎不溶。铅在α黄铜中是有害杂质，常以颗粒状分布在晶界上，含量达到0.03%时即使合金产生热脆性，铅只对β相黄铜具有润滑作用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种耐蚀抗磨长寿命汽车同步器用齿环合金材料。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种汽车同步器用齿环合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的质量百分比为Cu 51.0-63.0%、Sn 0.1-0.9%、Ti 0.5-1.2%、Zr 0.01-0.08%、B 0.005-0.08%、Sb 0.02-0.06、Ni 0.2-4.3%、Mn 1.0-5.0%、Fe 0.5-1.5%、Si 0.3-1.6%、Al 1.3-6.0%、Pb0.1-1.0%、稀土0.05-0.20%，杂质总量不大于0.05%，余量为锌。

一种汽车同步器用齿环合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的质量百分比为Cu 51.0-56.0%、Sn 0.3-0.5%、Ti 0.5-0.8%、Zr 0.03-0.05%、 B 0.03-0.06%、Ni 0.6-1.1%、Mn 1.6-2.0%、Fe 0.4-0.7%、Si 0.6-0.9%、Al 1.4-1.7%、 Pb 0.3-0.6%、稀土0.05-0.12%，杂质总量不大于0.03%，余量为锌。

一种汽车同步器用齿环合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的质量百分比为Cu 58.0-63.0%、Sn 0.3-0.6%、Ti 0.7-1.0%、Zr 0.03-0.05%、B 0.03-0.05%、Sb 0.02-0.04、Ni 0.9-1.3%、Mn 3.0-5.0%、Fe 0.5-1.5%、Si 0.3-0.6%、Al 2.5-4.0%、稀土0.05-0.12%，杂质总量不大于0.03%，余量为锌。

本发明的有益效果：本发明通过合金的固态相变，使铅由晶界转移至晶粒内，对合金起到自润滑作用，改善合金的切削性能。通过多组元合金化-多级热处理和高温固溶-双级时效工艺，实现齿环合金多相、多尺度强韧化，使粒子的硬度与基体的韧性得到最佳的配合，在极端恶劣的冲击条件下保持良好的使用性能和较长的使用寿命。

具体实施方式

本发明的汽车同步器用齿环合金材料包含元素的质量百分比为Cu 51.0-63.0%、Sn 0.1-0.9%、Ti 0.5-1.2%、Zr 0.01-0.08%、B 0.005-0.08%、Sb 0.02-0.06、Ni 0.2-4.3%、Mn 1.0-5.0%、Fe 0.5-1.5%、Si 0.3-1.6%、Al 1.3-6.0%、Pb0.1-1.0%、稀土0.05-0.20%，杂质总量不大于0.05%，余量为锌。

另一种实施例的合金材料包含元素的质量百分比为Cu 51.0-56.0%、Sn 0.3-0.5%、Ti 0.5-0.8%、Zr 0.03-0.05%、 B 0.03-0.06%、Ni 0.6-1.1%、Mn 1.6-2.0%、Fe 0.4-0.7%、Si 0.6-0.9%、Al 1.4-1.7%、 Pb 0.3-0.6%、稀土0.05-0.12%，杂质总量不大于0.03%，余量为锌。

另一种实施例的合金材料包含元素的质量百分比为Cu 58.0-63.0%、Sn 0.3-0.6%、Ti 0.7-1.0%、Zr 0.03-0.05%、B 0.03-0.05%、Sb 0.02-0.04、Ni 0.9-1.3%、Mn 3.0-5.0%、Fe 0.5-1.5%、Si 0.3-0.6%、Al 2.5-4.0%、稀土0.05-0.12%，杂质总量不大于0.03%，余量为锌。

制备上述合金的工艺流程：

Figure 2012101096623100002DEST_PATH_IMAGE001

⑴通过合金在加热、冷却过程中发生的固态相变（α+β β），首先使铅大量固溶于β相中，依靠相变重结晶过程，将铅由晶界转移至晶粒内，对合金起到自润滑作用，同时改善合金的切削性能。

⑵通过多组元合金化以及后续的多级热处理工艺，实现齿环合金多相、多尺度强韧化。主要的强化相包括：TiSn、Ni₃Ti、Ni₃Al、MnNi、Mn₅Si₃及Fe₃Si等，这些强化相硬度高、稳定性好，与基体材料有较好的共格关系。有些强化相强化合金基体，有些提高合金的耐磨性能。

⑶通过采用高温固溶-双级时效工艺，使合金元素从过饱和固溶体中析出，形成多相、多尺度的强化相。较大尺度的强化相周围因为脱溶反应形成固溶体的贫化微区，该微区处在基体固溶体与沉淀析出相之间，与基体固溶体和沉淀析出相之间均保持良好的共格适配关系，使粒子的硬度与基体的韧性得到最佳的配合。

⑷采用多组元复合添加方式、并在此基础上复合添加适量的微量元素，在合金化、微合金化、固溶强化的基础上，引入了多相、多尺度沉淀强化机理，在坚硬的沉淀粒子周围，通过形成纳米级的无析出微区对粒子进行“包裹”，该微区实质上是一种固溶体的贫化区，较基体和粒子软（有较好的弹性和塑性），处在基体固溶体与沉淀析出相之间，与基体固溶体和沉淀析出相之间均保持良好的共格适配关系。该微区与粒子结合在一起，使沉淀析出相既硬且韧，使合金在极端恶劣的冲击条件下保持良好的使用性能和较长的使用寿命。

⑸合金的锻造加热与高温固溶过程应该在惰性气体保护的环境下进行，防止在高温条件下合金发生晶界氧化现象，影响齿环合金的耐磨性能。

⑹合金在固溶过程中要控制好固溶温度和固溶时间，防止出现晶粒醋化现象。

⑺合金在回火和二次时效的过程中，要防止早期析出的粒子粗化，过分粗化的粒子会失去与基体的共格关系，不但不能提高合金的性能，本身反而成为一种裂纹源。

⑻合金在双级时效时要控制好时效温度和时效时间，防止在双级时效时形成的晶界无析出带和粒子周围的无析出微区尺寸过大。过大的无析出区会损害晶粒与晶粒之间、粒子与基体之间的最佳的配合性能，降低合金的寿命和耐磨性。

⑼不同成分合金的锻造变形、固溶处理、时效、回火以及再时效工艺之间要合理匹配，使析出相的形态、粒度、分配状态以及无析出区的尺寸最优。析出相为球状，无析出区和析出相为纳米级，无析出微区的宽度为粒子直径的五分之一至六分之一为最佳。

实施例1

将质量百分比为50%的Cu放入工频炉中熔炼，待铜开始软化后，在铜表面覆盖一层木炭。木炭的用量为每吨铜15-25kg。熔炼温度为1180-1200℃。向熔化的铜液中加入质量百分比4.3%的Ni，使金属镍通过合金化而溶解入铜液中。待Ni熔化后，向熔化的铜液中加入质量百分比1.1%的Fe，使金属铁通过合金化而溶解入铜液中。向铜液中加入质量百分比为3.5%的Al和13%的Cu；利用铝的溶解热熔化冷料铜，达到降低能耗和金属烧损的目的。待加入的Al和Cu熔化后，向铜液中加入质量百分比20 %的Zn，熔炼温度为1160-1180℃；采用先加铝后加锌，可以利用铝脱氧并在铜液表面形成氧化铝保护膜，减少铜液吸气和随后的锌损失。待金属Zn熔化后，向铜液中加入Cu-Mn和Cu-Ti中间合金，使成品合金中Mn和Ti的质量百分比为4 %和1.1%；向铜液中加入Si，使成品合金中Si的质量百分比为1.5%；向铜液中加入Pb，使成品合金中Pb的质量百分比为0.9%；向铜液中加入Sn或Cu-Sn中间合金，使成品合金中Sn的质量百分比为0.7%；向铜液中加入Sb，使成品合金中Sb的质量百分比为0.04%；向铜液中加入Cu-Zr中间合金，使成品合金中Zr的质量百分比为0.06%；向铜液中加入Cu-B中间合金，使成品合金中B的质量百分比为0.06%。向铜液中加入镧、铈稀土或镧、铈稀土氧化物，使成品合金中镧或铈的质量百分比为0.08%；

待加入的中间合金熔化后，将铜液温度调整到1160-1180℃之间，用高纯氮气或者氩气作为载气，向铜液中吹入0.1%-0.2%的冰晶石精炼剂，清除铜液中的氧化铝夹杂。吹入时，要注意不留死角和盲区。气体吹炼时间为3-5分钟。

取样分析，待合金成分符合标准要求后，将铜液升温至1160-1180℃，随后，出炉。

按照此方法所制备的铜合金成分为（质量百分比）：4.1%的Ni、1.03%的Fe 、1.14%的Ti、4.02%的Mn、2.7%的Al、19.3%的Zn、1.5%的Si、0.87%的Pb、0.72%的Sn、0.04%的Sb、0.063%的Zr、0.059%的B、稀土总量0.082%（含镧和铈），余量为铜。

实施例2

将质量百分比为45%的Cu放入工频炉中熔炼，待铜开始软化后，在铜表面覆盖一层木炭。木炭的用量为每吨铜15-25kg。熔炼温度为1180-1200℃。向熔化的铜液中加入质量百分比1.1%的Ni，使金属镍通过合金化而溶解入铜液中。待Ni熔化后，向熔化的铜液中加入质量百分比0.7%的Fe，使金属铁通过合金化而溶解入铜液中。向铜液中加入质量百分比为2.0%的Al和11%的Cu；利用铝的溶解热熔化冷料铜，达到降低能耗和金属烧损的目的。待加入的Al和Cu熔化后，向铜液中加入质量百分比38 %的Zn，熔炼温度为1060-1100℃。待金属Zn熔化后，向铜液中加入Cu-Mn和Cu-Ti中间合金，使成品合金中Mn和Ti的质量百分比为2%和0.8%；向铜液中加入Si，使成品合金中Si的质量百分比为0.9%；向铜液中加入Pb，使成品合金中Pb的质量百分比为0.5%；向铜液中加入Sn或Cu-Sn中间合金，使成品合金中Sn的质量百分比为0.4%；向铜液中加入Cu-Zr中间合金，使成品合金中Zr的质量百分比为0.04%；向铜液中加入Cu-B中间合金，使成品合金中B的质量百分比为0.04%。向铜液中加入镧、铈稀土或镧、铈稀土氧化物，使成品合金中镧或铈的质量百分比为0.09%；

待加入的中间合金熔化后，将铜液温度调整到1060-1100℃之间，用高纯氮气或者氩气作为载气，向铜液中吹入0.1%-0.2%的冰晶石精炼剂，清除铜液中的氧化铝夹杂。吹入时，要注意不留死角和盲区。气体吹炼时间为3-5分钟。

取样分析，待合金成分符合标准要求后，将铜液升温至1060-1100℃，随后，出炉。

按照此方法所制备的铜合金成分为（质量百分比）：1.0%的Ni、0.67%的Fe 、0.78%的Ti、1.94%的Mn、1.5%的Al、37.2%的Zn、0.86%的Si、0.52%的Pb、0.39%的Sn、0.043%的Zr、0.039%的B、稀土总量0.088%（含镧和铈），余量为铜。

实施例3

将质量百分比为50%的Cu放入工频炉中熔炼，待铜开始软化后，在铜表面覆盖一层木炭。木炭的用量为每吨铜15-25kg。熔炼温度为1180-1200℃。向熔化的铜液中加入质量百分比1.1%的Ni，使金属镍通过合金化而溶解入铜液中。待Ni熔化后，向熔化的铜液中加入质量百分比1.2%的Fe，使金属铁通过合金化而溶解入铜液中。向铜液中加入质量百分比为4.0%的Al和13%的Cu；待加入的Al和Cu熔化后，向铜液中加入质量百分比28 %的Zn，熔炼温度为1120-1170℃。待金属Zn熔化后，向铜液中加入Cu-Mn和Cu-Ti中间合金，使成品合金中Mn和Ti的质量百分比为4%和0.9%；向铜液中加入Si，使成品合金中Si的质量百分比为0.5%；向铜液中加入Sn或Cu-Sn中间合金，使成品合金中Sn的质量百分比为0.5%；向铜液中加入Sb，使成品合金中Sb的质量百分比为0.03%；向铜液中加入Cu-Zr中间合金，使成品合金中Zr的质量百分比为0.04%；向铜液中加入Cu-B中间合金，使成品合金中B的质量百分比为0.04%。向铜液中加入镧、铈稀土或镧、铈稀土氧化物，使成品合金中镧或铈的质量百分比为0.09%；

按照此方法所制备的铜合金成分为（质量百分比）：1.03%的Ni、1.12%的Fe 、0.88%的Ti、4.03%的Mn、3.1%的Al、27.1%的Zn、0.48%的Si、0.03%的Sb、0.49%的Sn、0.041%的Zr、0.04%的B、稀土总量0.089%（含镧和铈），余量为铜。

Claims

1.一种汽车同步器用齿环合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的质量百分比为Cu 51.0-63.0%、Sn 0.1-0.9%、Ti 0.5-1.2%、Zr 0.01-0.08%、B 0.005-0.08%、Sb 0.02-0.06、Ni 0.2-4.3%、Mn 1.0-5.0%、Fe 0.5-1.5%、Si 0.3-1.6%、Al 1.3-6.0%、Pb0.1-1.0%、稀土0.05-0.20%，杂质总量不大于0.05%，余量为锌。

2.一种汽车同步器用齿环合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的质量百分比为Cu 51.0-56.0%、Sn 0.3-0.5%、Ti 0.5-0.8%、Zr 0.03-0.05%、 B 0.03-0.06%、Ni 0.6-1.1%、Mn 1.6-2.0%、Fe 0.4-0.7%、Si 0.6-0.9%、Al 1.4-1.7%、 Pb 0.3-0.6%、稀土0.05-0.12%，杂质总量不大于0.03%，余量为锌。

3.一种汽车同步器用齿环合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的质量百分比为Cu 58.0-63.0%、Sn 0.3-0.6%、Ti 0.7-1.0%、Zr 0.03-0.05%、B 0.03-0.05%、Sb 0.02-0.04、Ni 0.9-1.3%、Mn 3.0-5.0%、Fe 0.5-1.5%、Si 0.3-0.6%、Al 2.5-4.0%、稀土0.05-0.12%，杂质总量不大于0.03%，余量为锌。