CN104032210A - 离合器用拨叉及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种离合器用拨叉及其制造方法，根据本发明的某一例子提供一种离合器用拨叉，以重量比为准，其包括：C:3.4～3.9%、Si:2.1～2.5%、Mn:0.2～0.7%、P:0.01%以下、S:0.009～0.02%、Cu:0.2～0.4%，及残余量的Fe及不可避免的不纯物，所述拨叉具有在奥氏体基体组织上析出有球状石墨的形态的组织。

Description

离合器用拨叉及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种离合器用拨叉及其制造方法，尤其是涉及构成用于汽车变速装置上的离合器的拨叉及其制造方法。
背景技术
通常，车辆手动变速器的离合器利用压力板将离合器盘紧贴至调速轮来传递动力，通过解除调速轮对离合器盘的紧贴而切断动力，从而转换为变速模式。由此，需要变速时，驾驶员踩下离合器，则其踏板力传递至拨叉而运行离合器分离轴承，从而解除离合器。
因此，上述拨叉不仅要具备耐磨性而防止与相对部件之间的摩擦引起的磨损，还要具备可承受变速时传递过来的冲击的耐冲击性。为此，以往是通过锻造高强度的钢来制造拨叉，但存在有因工序过多及材料收益率的低下而生产成本增加的问题点。
发明内容
本发明为了克服如上所述的现有技术的问题点而提出的，其课题在于，提供一种相比于以往，可低廉且方便地生产的离合器用拨叉。
并且，本发明的又一课题在于提供一种上述离合器用拨叉的制造方法。
为了达到上述技术课题，本发明提供一种离合器用拨叉，以重量比为准，其包括：C:3.4～3.9%、Si:2.1～2.5%、Mn:0.2～0.7%、P:0.01%以下、S:0.009～0.02%、Cu:0.2～0.4%，残余部分的Fe及不可避免的不纯物，所述拨叉具有在奥氏体基体组织上析出有球状石墨的形态的组织。
在本发明的上述技术方案中，利用具有上述成分及组织的球墨铸铁制造拨叉，与以往的锻造相比可以缩短制造工序及时间，并且使得拨叉具备作为拨叉的充分的强度及耐磨性。由此，可低廉容易地制造拨叉。
在这里，上述成分可以利用废料、生铁及废钢等调整为上述范围。所谓废料是指在机械加工过程中产生的屑等，废钢是指使用后被废弃的钢材等，因这些材料低廉且容易获得，更能节减制造费用。
并且，上述组织可包括针状铁素体组织。
并且，上述离合器用拨叉以重量比为准，进一步包括Mg:0.04～0.07%。
根据本发明的另一方案，提供一种离合器用拨叉的制造方法，其特征在于，包括：以重量比为准，混合包括C:3.4～4.0%、Si:1.5～1.9%、Mn:0.5%以下、P:0.05%以下、S:0.009～0.02%、Cu:0.2～0.4%，及残余量的Fe的原料并熔炼得到原液熔液的步骤；在熔炼的原液熔液中投入球化剂及孕育剂得到熔液的步骤；将熔液注入至铸模，得到拨叉半成品的铸造步骤；对所述拨叉半成品进行机械加工而形成预定形状的步骤；及对机械加工的拨叉半成品进行等温淬火的步骤。
在上述得到原液熔液的步骤中，所述原液熔液是在1490～1530℃温度下取出。
并且，作为上述球化剂，投入原液熔液质量的1.0～1.1%的稀土类硅铁镁合金(FeSiMg6RE1)。
并且，上述等温淬火步骤包括：将上述拨叉半成品加热至890～930℃，并维持1.5～2.5小时的步骤；将上述拨叉半成品投入至340～360℃温度的液体中维持1～2小时的步骤；及，在大气中冷却至常温的步骤。
并且，上述液体为将KNO3及NaNO3以1:1的质量比混合生成的硝酸盐溶液。
并且，在注入所述球化剂和孕育剂的状态下，熔液的成分，以重量比为准包括：C:3.4～3.9%、Si:2.1～2.5%、Mn:0.2～0.7%、P:0.01%以下、S:0.05%以下、Cu:0.2～0.4%及Mg:0.04～0.07%，及残余量的Fe。
所述离合器用拨叉的制造方法，可进一步包括将完成等温淬火的拨叉半成品研磨成最终形状的步骤
在本发明的上述方案中，利用具有上述特性的球墨铸铁制造拨叉，与以往的锻造相比可以缩短制造工序及时间，并且使得拨叉具备充分的强度及耐磨性。由此，可低廉容易地制造拨叉。
附图说明
图1为表示本发明所述拨叉的一实施例的内部结构的图。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明所述拨叉的实施例进行详细说明。在此，本发明并非是关于拨叉形状的，而是关于其材质的，因此其形状不受任何限制。
通常，铸铁的硬度高，具有耐磨性优秀、切割性良好的特性，但其拉伸强度较低，脆性较强，一般不作为暴露在高压环境的部件使用。特别是，在上述离合器用拨叉中，如上所述，其动作原理上要求高的耐磨性、耐冲击性及耐疲劳性。在本发明中，为了克服铸铁的缺点，作为拨叉的材质，利用了具备析出有球状石墨的奥氏体组织的球墨铸铁。
以下对用于制造球墨铸铁的各个元素进行说明。在此，在无特别标记的情况下，各个含量表示重量比。
(1)碳(C)：3.4～4.0%
作为用于制造本发明某一实施例所述离合器用拨叉的球墨铸铁的原料，以重量比计算，碳（C）的含量为3.4～4.0%，也可以为3.4～3.9%，也可以为3.6～4.0%，也可以为3.6～3.8%。
存在于铸铁内部的碳是以石墨形态存在，或以Fe3C标记的碳化物（或carbide）形态存在。因此，如果碳含量少，则大部分碳会以碳化物形态存在，球状石墨组织不容易呈现，因此，碳含量要添加3.4%以上，从而获得整体上均匀的球状石墨组织。另外，碳含量越高，凝固点越低，这显然有助于铸造性的改善，但会导致石墨析出量过多，增加脆性，对拉伸强度带来不良影响。即，在碳饱和度（Sc）大约在0.8至0.9时，具有最佳拉伸强度，因此，将碳的含量的上限值设为4.0%，可以获得良好的拉伸强度。
（2）硅(Si):1.5～1.9%
作为用于制造本发明某一实施例所述离合器用拨叉的球墨铸铁的原料，以重量比计算，硅(Si)的含量为1.5～1.9%，也可以为1.6～1.9%，也可以为1.8～1.9%，也可以是1.6～1.8%。
硅作为石墨化促进元素，其起到分解碳化物并析出为石墨的作用。即，硅的添加达到与增加碳量相同的效果。并且，硅还起到使得铸铁内存在的微细石墨组织生长为片状石墨组织的作用。如此生长的片状石墨组织被镁或球化剂等生成为球状石墨。特别是，贝氏体（bainite）基体组织的机械性能随Si含量的增加而提高。也就是说，如果大量添加硅，可以兼具强化贝氏体基体组织而提高拉伸强度的作用，这种效果在硅含量小于3.0%以下时更为突出。这是因为，随着硅含量的增加，石墨的球径变小，铁素体（ferrite）量增加，从而可以促进贝氏体的转换。所述铁素体可包括针状的铁素体组织。
也就是说，Si/C变大则石墨量减少，产生高硅引起的基体组织强化效果，从而可提高拉伸强度，这种效果在熔液中进行孕育处理（inoculation）的情况下更为明显。
但是，如果硅含量超过3.0%，则上述效果达到饱和。并且，如果硅含量过高，则会存在碳化物含量会减少而降低材料的硬度及耐磨性，材料溶解变得困难，在后续冷却过程中奥氏体结构转换为马氏体结构而导致脆性增加的问题。并且，硅含量越高，导热性越低，在冷却或加热过程中温度分布不均匀，从而增加残余应力。因此，将硅含量定为1.5～1.9%。
（3）锰(Mn)：0.5%以下
作为用于制造本发明某一实施例所述离合器用拨叉的球墨铸铁的原料，以重量比计算，锰(Mn)的含量为0.5%以下，也可以为0.001～0.5%，也可以为0.4%以下，也可以为0.001～0.4%，也可以为0.3%以下，也可以为0.001～0.3%，也可以为0.26%以下，也可以为0.26～0.5%。
锰为阻碍碳的石墨化的铸铁白口化促进元素，起到稳定化合碳（即碳化铁）的作用。并且，锰抑制铁素体的析出，微细化珠光体（pearlite），因此，可用于对铸铁的基体组织进行珠光体化的工程中。特别是，锰可以与铸铁中的硫结合而制造硫化锰，该硫化锰浮到熔液表面作为熔渣被去除，或者在凝固后作为非金属夹杂物残留在铸铁中，防止硫化铁的生成。也就是说，锰也作为中和硫的影响的元素使用。为了促进珠光体化及去除硫成分，锰的含量为0.5%以下。
（4）磷(P)：0.05%以下
作为用于制造本发明某一实施例所述离合器用拨叉的球墨铸铁的原料，以重量比计算，磷(P)的含量为0.05%以下，也可以为0.008～0.05%，也可以为0.01～0.05%，也可以为0.008～0.01%。
磷形成磷化铁（Fe3P）化合物，与铁素体、碳化铁一同作为三元共晶斯氏体（steadite）存在。所述磷化铁容易出现过冷现象，在铸件中容易引起偏析。因此，磷含量越多其脆性更高，拉伸强度急剧下降。因此，磷含量在0.05%以下。
（5）硫(S)：0.009～0.02%
作为用于制造本发明某一实施例所述离合器用拨叉的球墨铸铁的原料，以重量比计算，硫(S)的含量为0.009～0.02%，也可以为0.01～0.02%，也可以为0.013～0.02%。
硫添加的量越大，熔液的流动性越是降低，增加其收缩量，也会成为产生收缩孔或龟裂的原因。因此，尽量少量包含硫为佳。因此，使硫的含量控制在以上范围内。
（6）铜(Cu)：0.2～0.4%
作为用于制造本发明某一实施例所述离合器用拨叉的球墨铸铁的原料，以重量比计算，铜(Cu)的含量为0.2～0.4%，也可以为0.25～0.4%，也可以为0.3～0.4%。
铜是使得石墨形状粗短，减少D、E型过冷石墨，促进A型片状石墨的元素。并且，铜对石墨的形态改善起到良好的作用，在共析转换过程中抑制石墨化，并减轻铸铁的冷硬倾向。并且，改善碳化物的分布，形成珠光体，微细化组织。
再者，在促进珠光体形成的同时，缩短珠光体之间的距离而微细化珠光体。并且，还具有提高熔液的流动性而提高铸造性，并降低由此产生的残留应力的效果。并且，铜可使组织更加细密，多少提高铸铁的拉伸强度及硬度等。为此，添加上述含量的铜。
（7）生铁
作为用于制造本发明某一实施例所述离合器用拨叉的球墨铸铁的原料，可以使用生铁。生铁为由铁矿石直接制造的铁的一种，其除了C，还包括硫、磷、锰等不纯物。生铁具有易碎的特性，因此无法轧制或锻造，但因其熔点低，具有适合作为铸造原料使用的特性。
再者，在钢材的机械加工过程中生成的屑或碎片的所谓残余物（scrap）具有母材所具有的特性。并且，作为建筑现场或各种结构物等被应用导致寿命已尽的废钢也具有原本钢材所具有的柔性及韧性，因此，在铸造工序中，若与生铁一同混合使用，则可用于改善生铁的特性。
以下，对本发明中用于制造拨叉的制造工序进行说明。
（1）熔炼(smelting)
选择适当比例的上述元素而制备原料，将其放入中频感应炉（middlefrequency induction furnace）中加热至原料全部熔解后进行熔炼。此时，从炉中取出原液熔液的温度为约1490～1530℃。
（2）球化处理及孕育处理（inoculation）
在上述熔炼步骤中熔炼的原液熔液中接种用于石墨球化的球化剂及孕育剂（接种剂）。此时，作为球化剂，可以使用包括促进石墨球化的元素Mg、Ca及稀土类（RE）的物质，具体地，可以使用包括Mg：5.5-6.5%、Si：44-48%、Ca：0.5-2.5%、AL<1.5%、RE：0.8-1.5%、MgO<0.7%等成分的球化剂，例如，添加所述原液熔液质量的1.0～1.1%的FeSiMg6RE1。
另外，孕育处理能够产生较多的石墨核而促进石墨化，均匀化石墨的分布而有利于增强强度，作为孕育剂可以使用钡硅铁合金（FeSi72Ba2），其添加量为所述原液熔液质量的0.1～0.2%。
如上所述进行球化处理后，按照重量比，熔液中的成分包括C:3.4～3.9%、Si:2.1～2.5%、Mn:0.2～0.7%、P:0.01%以下、S:0.05%以下、Cu:0.2～0.4%及Mg:0.04～0.07%，其余部分为Fe。
（3）铸造(casting)
在上述孕育步骤中，将孕育处理的熔液注入至预先以具有所需形态的腔体（cavity）而制造的铸模中。此时，利用湿砂模（green sand mold）进行铸造，注入过程中的熔液温度控制在1390～1420℃。并且，球化处理之后的熔液应在10分钟以内完成向铸模的注入。冷却注入至铸模中的熔液，可获得由包含球状石墨、铁素体及珠光体的球状铸铁形成的拨叉。
（4）机械加工（Machining）
对在上述铸造步骤中获得的拨叉半成品进行一次清洗后，去除贴附在表面上的沙子和氧化层后，进行机械加工而获得需要的形状。
（5）等温淬火处理
对机械加工的拨叉半成品进行等温淬火处理（热处理过程）。等温淬火处理是为了使基体组织奥氏体化，具体地，利用可控制空气温度的电阻炉，将被机械加工的具有珠光体基体组织的拨叉半成品加热至890～930℃的状态下，维持1.5至2.5小时，之后迅速放入温度为340～360℃的硝酸盐溶液中维持1～2小时后，取出在空气中冷却至常温。通过上述热处理，转变为奥氏体基体组织，由此可大大提高韧性及耐冲击性。
在此，上述硝酸盐溶液使用以1:1重量比混合KNO3和NaNO3的硝酸盐溶液。此处，硝酸盐溶液的浓度，以及形成所述硝酸盐溶液的KNO3和NaNO3的浓度，均没有特别地限制。上述硝酸盐溶液作为淬火溶剂，与通常的淬火油相比具有优点。具体地，所述优点如下。
-在硝酸盐溶液的淬火过程中，没有蒸汽膜步骤，高温区域的冷却速度非常快，因此，较厚的配件可以具有良好的淬火组织。
-硝酸盐溶液在低温区域等温时冷却速度接近0，因此，淬火变形非常小。
-硝酸盐的冷却速度可通过调整水含量来进行调整（在热油冷却速度和油冷却速度的四倍之间），因此非常方便。
-配件表面呈现应力压迫状态，呈现配件裂开现象减少的趋势，增加配件寿命。
-淬火处理后，配件的颜色为均匀的金属光泽的浅蓝色，清洗后无需沟流（channeling）或喷丸（peening），其防腐蚀性能较高。
完成上述等温淬火后，上述拨叉具有1100MPa以上的拉伸强度和50～55的HRC硬度。
（6）细磨及抛光(fine grinding and polishing)
通过细磨及抛光加工，使得经上述热处理获得的碳化物的球墨铸铁的拨叉具备最终形状及要求的质量。
以下，对本发明的离合器用拨叉的实施例进行说明。
实施例1
以重量比，混合C:3.8%、Si:1.5%、Mn:0.3%、P:0.01%、S:0.01%、Cu:0.2%及作为其余部分的Fe，将所有原料放入中频感应电阻炉中熔炼出球墨铸铁原液（原液熔液），从炉中取出的球墨铸铁原液（原液熔液）的温度为1500℃。
对熔炼后从炉中取出的球墨铸铁的原液熔液进行球化处理及孕育处理，作为球化剂添加了相当于原液熔液质量的1.1%的稀土类硅铁镁合金（FeSiMg6RE1），作为孕育剂添加了相当于原液熔液质量的0.15%的钡硅铁合金（FeSi72Ba2）。结果，确认熔液的成分（wt%）为C:3.8、Si:2.3、Mn:0.3、P:0.01、S:0.01、Cu:0.2、Mg:0.04。
被球化处理及孕育处理的熔液注入至预先制备好的湿砂模中，其熔液的温度控制为1398℃，注入7分钟后进行冷却，从而获得包含球状石墨、铁素体及珠光体的球状铸铁拨叉。
之后，对球状铸铁拨叉进行加工而制造成所需的拨叉形状，利用可连续加热的炉将球状铸铁拨叉加热至890℃，维持2小时后，迅速投入至温度为340℃的硝酸盐溶液中维持1.5小时。之后取出，并在空气中冷却至室温，从而获得奥氏体球墨铸铁拨叉。
最后，进行细磨及抛光处理，最终加工至其表面达到要求的表面光洁度。
实施例2
将C:3.6%、Si:1.6%、Mn:0.26%、P:0.008%、S:0.01%、Cu:0.2%及作为其余部分的Fe混合熔融后，在1510℃条件下取出，投入原液熔液质量的1.1%的FeSiMg6RE1及原液熔液质量的0.15%的FeSi72Ba2。被球化处理及孕育处理的熔液的成分(wt%)成为C:3.6、Si:2.3、Mn:0.3、P:0.008、S:0.012、Cu:0.3、Mg:0.045。
之后，以湿砂膜1403℃温度条件注入8分钟后进行冷却。对获得的拨叉半成品进行机械加工后，进行等温淬火处理。此时，加热拨叉半成品至910℃，维持两个小时后，在350℃硝酸盐溶液中投入1.5小时。之后，在空气中冷却至室温后，进行细磨及抛光加工。
实施例3
将C:3.4%、Si:1.8%、Mn:0.3%、P:0.01%、S:0.013%、Cu:0.25%作为其余部分的Fe进行混合而熔解后，在1515℃取出，投入原液熔液质量1.1%的FeSiMg6RE1及原液熔液质量0.15%的FeSi72Ba2。被球化处理及孕育处理的熔液的成分(wt%)为C:3.4Si:2.35、Mn:0.3、P:0.01、S:0.013、Cu:0.25、Mg:0.04。
之后，以湿砂膜1410℃温度条件注入8分钟后进行冷却。对获得的拨叉半成品进行机械加工后，进行等温淬火处理。此时，加热拨叉半成品至920℃，维持两个小时后，在360℃硝酸盐溶液中投入1.5小时。之后，在空气中冷却至室温后，进行细磨及抛光加工。
图1为上述实施例1的内部组织的照片，参照图1可以确认，实施例1由奥氏体及球状石墨组成。

Claims (10)

1.一种离合器用拨叉，其特征在于，以重量比为准，其包括：C:3.4～3.9%、Si:2.1～2.5%、Mn:0.2～0.7%、P:0.01%以下、S:0.009～0.02%、Cu:0.2～0.4%，残余量的Fe及不可避免的不纯物，
所述拨叉具有在奥氏体基体组织上析出有球状石墨的形态的组织。
2.根据权利要求1所述的离合器用拨叉，其中，所述组织包括针状铁素体组织。
3.根据权利要求1或2所述的离合器用拨叉，其中，以重量比为准，进一步包括Mg:0.04～0.07%。
4.一种离合器用拨叉的制造方法，其特征在于，包括：
以重量比为准，混合包括C:3.4～4.0%、Si:1.5～1.9%、Mn:0.5%以下、P:0.05%以下、S:0.009～0.02%、Cu:0.2～0.4%，及残余量的Fe的原料并熔炼，获得原液熔液的步骤；
在熔炼的所述原液熔液中投入球化剂及孕育剂，获得熔液的步骤；
将所述熔液注入至铸模，获得拨叉半成品的铸造步骤；
对所述拨叉半成品进行机械加工而形成预定形状的步骤；及
对机械加工的拨叉半成品进行等温淬火的步骤。
5.根据权利要求4所述的离合器用拨叉的制造方法，其特征在于，在所述获得原液熔液的步骤中，所述原液熔液是在1490～1530℃温度下取出。
6.根据权利要求4所述的离合器用拨叉的制造方法，其特征在于，作为所述球化剂，投入所述原液熔液质量的1.0～1.1%的稀土类硅铁镁合金。
7.根据权利要求4所述的离合器用拨叉的制造方法，其特征在于，所述等温淬火步骤包括：
将所述拨叉半成品加热至890～930℃，并维持1.5～2.5小时的步骤；
将所述拨叉半成品投入至340～360℃温度的液体中维持1～2小时的步骤；及，
在大气中冷却至常温的步骤。
8.根据权利要求7所述的离合器用拨叉的制造方法，其特征在于，所述液体为将KNO3及NaNO3以1:1的质量比混合生成的硝酸盐溶液。
9.根据权利要求6所述的离合器用拨叉的制造方法，其特征在于，在注入球化剂及孕育剂的状态下，所述熔液的成分，以重量比为准包括：
C:3.4～3.9%、Si:2.1～2.5%、Mn:0.2～0.7%、P:0.01%以下、S:0.05%以下、
Cu:0.2～0.4%及Mg:0.04～0.07%，及残余量的Fe。
10.根据权利要求4所述的离合器用拨叉的制造方法，其中，进一步包括将完成等温淬火的拨叉半成品研磨成最终形状的步骤。
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