CN110565015A - 一种低碳贝氏体钢质同步器齿毂及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低碳贝氏体钢质同步器齿毂及其制造方法，解决同步器中齿毂零件采用现有材料、现有生产工艺使得生产成本较高、生产工艺繁琐，且产品变形大，从而在换挡过程中噪音增大且影响换挡舒适性的问题。该同步器齿毂由以下成分按质量百分比冶炼加工而成，C：0.05～0.3％；Si：0.5～3.0％；Mn：1.0～4.0％；Cr：0.3～1.5％；Mo：0.1～1.3％；V：0.01～0.2％；P≤0.025％；S：0.015～0.025％；余量为Fe。采用该合金材料制造同步器齿毂包括以下步骤：1)钢材冶炼；2)锻造；3)退火；4)精加工；5)渗碳及正火处理；6)回火。

Description

一种低碳贝氏体钢质同步器齿毂及其制造方法
技术领域
本发明属于同步器齿毂加工领域，具体涉及一种低碳贝氏体钢质同步器齿毂及其制造方法。
背景技术
同步器作为变速箱中的主体部分，其作用是在变速箱换挡时，通过摩擦副的摩擦接触过程，使转速不等的两个齿轮在达到相同转速时进行相互啮合，减缓换挡过程中齿轮间的碰撞冲击，以延长齿轮寿命，并使换挡操作平顺方便。
随着重型卡车发动机转速、输出功率的不断提高，离合器和变速箱的转动惯量越来越大，人们又要求换挡的过程更轻盈、更舒适，这就对同步器提出了更高的要求，而决定同步器以上性能的关键零件是齿毂。在同步器中，齿毂的外花键与结合套内花键始终直接相连，而且在换挡时，两者会在轴线方向相对滑动，因此，齿毂其整体精度和性能直接决定着变速箱的安全性和稳定性，整个工艺对同步器齿毂的性能要求为：齿毂零件表面硬度达到80～83HRA，心部硬度30～45HRC，有效硬化层深0.49～0.91mm，。
现有同步器齿毂使用的材料是低碳渗碳钢材料(合金体系为C-Cr-Ni-Mo)，其生产工艺为：钢材冶炼→锻造→退火→精加工→渗碳+淬火→清洗→回火。制得的产品虽能满足上述性能要求，但是因为淬火过程中有较大的组织应力和热应力，这容易导致齿毂零件变形大，特别是零件的跨棒距变大且累积增多，影响产品质量，较大的变形会使得零件在换挡过程中产生严重的冲击和异响、降低换挡的平顺性以及缩短变速箱的使用寿命，从而使得换挡过程中噪音增大且影响换挡舒适性，且该生产工艺在渗碳后使用的是淬火处理进行冷却，不仅需准备淬火使用的冷却油以及盛装冷却油的油槽，而且在冷却后还需对油渍进行清洗，使得整个工艺流程繁琐，工艺成本较高。然而若改变现有合金材料渗碳热处理的冷却方式(比如：使用空冷)或者渗碳工艺，那么产品性能则无法达到上述设计要求。
因此，为了降低生产成本，简化生产工艺，减小变形，提升变速箱换挡舒适性，需研发一种可满足上述性能要求的新型材料同步器齿毂，并优化产品生产工艺。
发明内容
本发明的目的在于解决同步器中齿毂零件采用现有材料、现有生产工艺使得生产成本较高、生产工艺繁琐，且产品变形大，从而在换挡过程中噪音增大且影响换挡舒适性的不足之处，而提供了一种低碳贝氏体钢质同步器齿毂及其制造方法。
本发明的构思是：要实现齿毂零件满足表面硬度80～83HRA，心部硬度30～45HRC，有效硬化层深0.49～0.91mm的性能要求，降低产品的变形量以及生产成本、缩短生产工艺的发明目的，从以下几个方面进行考虑：开发一种不需要渗碳淬火处理，仅采用渗碳空冷即可达到以上性能的材料，但这种材料通过合金元素的调配需要满足以下条件：
1)增强奥氏体的高温稳定性，扩大奥氏体区；
2)降低贝氏体和马氏体的开始转变温度即Bs、Ms点；
3)抑制脆性的渗碳体的析出，提高韧性；
4)减少微合金的使用，降低材料成本。
基于上述发明构思，本发明所提供的技术解决方案是：
一种低碳贝氏体钢质同步器齿毂，其特殊之处在于，由以下成分按质量百分比组成，C：0.05～0.3％；Si：0.5～3.0％；Mn：1.0～4.0％；Cr：0.3～1.5％；Mo：0.1～1.3％；V：0.01～0.2％；P≤0.025％；S：0.015～0.025％；余量为Fe，可以含有不可避免的杂质，但只允许以通常的含量存在。
在上述合金材料成分及用量的选择上：
1)C是钢中必不可少的元素。奥氏体中的碳含量越高，可以降低马氏体开始转变温度点Ms点，从而提高了残余奥氏体的稳定性。因此碳含量越高，钢中残余奥氏体的数量越多，有利于相变诱导塑性效应的产生。但是碳含量过高会导致塑性降；相反，若碳含量过低则会使残余奥氏体的含量和稳定性大大下降，以致没有相变诱导塑性效应，所以碳含量控制在0.05％～0.3％。
2)选择能扩大奥氏体相区合金中最廉价的Mn元素，同时Mn元素能降低马氏体开始转变温度，但大量添加锰又会造成比较严重的碳偏析，因此锰含量控制在1.0～4.0％；
3)Si是非碳化物形成元素，在钢中含量一般控制在较低范围内，仅以非金属夹杂物形式存在。该材料中通过加大量的Si元素，一方面可以强烈抑制渗碳体的析出，另一方面提高奥氏体的稳定性，增加淬透性，同时Si元素价格低廉。钢中同时存在Si、Mn两种元素时，两者的交互作用会加剧Mn元素的偏聚程度，加强了Mn对C原子的拖曳作用，因此要控制在适当范围的Si含量，控制在0.5～3.0％。
4)其他微量元素：Cr可以增加钢的淬透且增加强韧性；Mo在钢中有强烈的溶质拖曳作用，能明显延缓铁素体相变以及碳化物的析出，显著阻止奥氏体晶粒粗化；V元素起到细化强化作用。
综上，该材料因Si、Mn等元素含量较高，具有非常高的淬透性，渗碳后可以用很慢的速度空冷硬化，而获得高的表面硬度；同时空冷的热应力很小，也存在贝氏体相变，组织应力也大大降低。因此该材料制作的零件经过空冷后，满足产品性能要求，变形微小，精密度高，可极大地降低运行时的噪音。
进一步地，由以下成分按质量百分比组成，C：0.11％；Si：0.76％；Mn：1.89％；Cr：0.53％；Mo：0.22％；V：0.02％；P：0.02％；S：0.015％；余量为Fe。
进一步地，由以下成分按质量百分比组成，C：0.13％；Si：0.97％；Mn：2.57％；Cr：0.48％；Mo：0.15％；V：0.08％；P：0.016％；S：0.022％；余量为Fe。
一种上述低碳贝氏体钢质同步器齿毂的制造方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)钢材冶炼
将配置好的合金原料经冶炼制成圆钢棒；所述合金原料由以下成分按质量百分比组成，C：0.05～0.3％；Si：0.5～3.0％；Mn：1.0～4.0％；Cr：0.3～1.5％；Mo：0.1～1.3％；V：0.01～0.2％；P≤0.025％；S：0.015～0.025％；余量为Fe；可以含有不可避免的杂质，但只允许以通常的含量存在；
上述冶炼工序为常规手段，即将合金原料加入冶炼炉中进行熔化。
2)锻造
将圆钢棒均匀加热至1050℃～1250℃，并依次经墩粗、成型、冲孔后锻打为所需型号的齿毂毛坯；
3)退火
将步骤2)所得的齿毂毛坯进行退火处理，加热到600℃～750℃，保温2～5h，随炉冷却至150℃～250℃出炉，冷却，以降低齿毂毛坯的硬度，便于后面进行精加工；
4)精加工
对冷却后的齿毂毛坯按设计要求进行精加工，制得齿毂半成品；
5)渗碳及正火处理
将加工好的齿毂半成品置于渗碳炉中进行渗碳处理，渗碳温度为900℃～950℃，并保温4h～7h，然后空冷(即吹风冷却)至室温；此处采用空冷，可减少后续工序，省略清洗步骤。
其中，渗碳气氛为氮气和甲醇，体积比为1～2.3∶1；
6)回火
将齿毂零件再次加热至160℃～220℃进行回火处理，于氮气气氛中保温2h～5h后空冷至室温，制得同步器齿毂。此处采用空冷的方式，是为了加快生产。
进一步地，步骤2)中，采用3500吨电液锤进行锻打工序。
进一步地，步骤3)中，将步骤2)所得的齿毂毛坯进行退火处理，加热到600℃～750℃，保温4h，随炉冷却至200℃出炉，空冷。由于在200℃以下，并不会使零件产生氧化，因此为了加快生产，可直接从炉子里拉出来进行冷却。
进一步地，步骤5)中，氮气和甲醇体积比为1.1∶1。
进一步地，步骤6)中，保温时间为3h。
进一步地，步骤4)中，所述精加工包括车外圆工序及拉花键工序。
本发明的优点是：
1.本发明中同步器齿毂的材质为低碳贝氏体钢材料，采用该材料通过渗碳后正火冷却即可获得高的表面硬度和良好的心部韧性，进而满足目前齿毂零件的各项热处理指标和台架试验性能满足设计要求，有利于降低噪音且换挡平顺。
2.本发明中同步器齿毂的生产工艺为锻造→退火→精加工→渗碳+正火→回火。该低碳贝氏体钢材料通过渗碳后正火进行冷却，其冷却速率变小(较淬火冷却速率大大减小)，齿毂零件表面硬度达到80～83HRA，心部硬度30～45HRC，有效硬化层深0.49～0.91mm，满足性能要求；变形方面产生的热处理变形小，跨棒距测量使用现有合金材料(SAE8620RH)的齿毂一般向外涨0.07～0.08mm，而采用该低碳贝氏体钢材料只向外涨0.01mm，基本不发生变形，产品精度整体有所提升。另外，用正火替代淬火，省略了清洗工序，生产过程中省去使用冷却油以及盛装冷却油的油槽，使生产过程加快且操作简单，同时也降低了生产成本。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
实施例1
一种同步器齿毂用钢合金材料的质量百分比：C：0.11％；Si：0.76％；Mn：1.89％；Cr：0.53％；Mo：0.22％；V：0.02％；P：0.02％；S：0.015％；余量为Fe。
上述种步器齿毂的制造方法，包括以下步骤：
1)钢材冶炼
将含有C：0.11％、Si：0.76％、Mn：1.89％、Cr：0.53％、Mo：0.22％、V：0.02％、P：0.02％、S：0.015％、余量为Fe的合金原料置于冶炼炉中冶炼制成圆钢棒；
2)锻造
将圆钢棒均匀加热至1050℃～1250℃，并依次经墩粗、成型、冲孔后采用3500吨电液锤锻打为所需型号的齿毂毛坯；
3)退火
将步骤2)所得的齿毂毛坯进行退火处理，加热到600℃～750℃，保温3h，随炉冷却至200℃出炉，空冷；
4)精加工
按照设计要求对冷却后的齿毂毛坯进行精加工，进行车外圆工序及拉花键工序制得齿毂半成品；
5)渗碳及正火处理
将加工好的齿毂半成品置于渗碳炉中进行渗碳处理，渗碳温度为900℃～950℃，并保温4.5h，然后吹风冷却(空冷)至室温；
其中，渗碳气氛为氮气和甲醇，体积比为1.1:1；
6)回火
将齿毂零件再次加热至160℃～220℃进行回火处理，于氮气气氛中保温4.5h后空冷至室温，制得同步器齿毂。
该同步器齿毂的表面硬度达到80.5HRA，心部硬度32HRC，有效硬化层深0.53mm，变形小，满足设计要求。
实施例2
一种同步器齿毂用钢合金材料的质量百分比：C：0.13％；Si：0.97％；Mn：2.57％；Cr：0.48％；Mo：0.15％；V：0.08％；P：0.016％；S：0.022％；余量为Fe。
上述种步器齿毂的制造方法，包括以下步骤：
1)钢材冶炼
将含有C：0.13％、Si：0.97％、Mn：2.57％、Cr：0.48％、Mo：0.15％、V：0.08％、P：0.016％、S：0.022％、余量为Fe的合金原料置于冶炼炉中冶炼制成圆钢棒；
2)锻造
将圆钢棒均匀加热至1050℃～1250℃，并依次经墩粗、成型、冲孔后采用3500吨电液锤锻打为所需型号的齿毂毛坯；
3)退火
将步骤2)所得的齿毂毛坯进行退火处理，加热到600℃～750℃，保温4h，随炉冷却至200℃出炉，空冷；
4)精加工
按照设计要求对冷却后的齿毂毛坯进行精加工，进行车外圆工序及拉花键工序制得齿毂半成品；
5)渗碳及正火处理
将加工好的齿毂半成品置于渗碳炉中进行渗碳处理，渗碳温度为900℃～950℃，并保温7h，然后吹风冷却(空冷)至室温；
其中，渗碳气氛为氮气和甲醇，体积比为1.1:1；
6)回火
将齿毂零件再次加热至160℃～220℃进行回火处理，于氮气气氛中保温3h后空冷至室温，制得同步器齿毂。
该同步器齿毂的表面硬度达到82HRA，心部硬度38HRC，有效硬化层深0.78mm，变形小，满足设计要求。
表1为本发明和现有技术的对比明细：
其中，采用现有合金材料(SAE8620RH)制造产品的工艺为：钢材冶炼→锻造→退火→精加工→渗碳+淬火→清洗→回火。采用本发明合金材料制造产品的工艺为：钢材冶炼→锻造→退火→精加工→渗碳+正火→回火。
由表1可以看出，两种不同的材料(现有合金材料和本发明合金材料)，通过不同的热处理工艺制得的产品均能满足零件的性能要求，但是不同的是，本发明合金材料通过各个元素的合理配置，提高淬透性，最终通过渗碳后正火处理即可获得高的表面硬度及良好的心部韧性，满足产品性能要求，且变形小，生产工艺较现有生产工艺简化。若使用现有合金材料按照本发明的生产工艺制造产品，得到的产品性能是无法满足性能要求的。
综上所述，按照本发明制造的同步器齿毂不仅满足性能要求，变形小，而且能简化生产工艺、大幅降低生产成本、提高生产节奏，实现环保节能，真正达到绿色热处理。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (9)

1.一种低碳贝氏体钢质同步器齿毂，其特征在于：由以下成分按质量百分比组成，C：0.05～0.3％；Si：0.5～3.0％；Mn：1.0～4.0％；Cr：0.3～1.5％；Mo：0.1～1.3％；V：0.01～0.2％；P≤0.025％；S：0.015～0.025％；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的低碳贝氏体钢质同步器齿毂，其特征在于：由以下成分按质量百分比组成，C：0.11％；Si：0.76％；Mn：1.89％；Cr：0.53％；Mo：0.22％；V：0.02％；P：0.02％；S：0.015％；余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的低碳贝氏体钢质同步器齿毂，其特征在于：由以下成分按质量百分比组成，C：0.13％；Si：0.97％；Mn：2.57％；Cr：0.48％；Mo：0.15％；V：0.08％；P：0.016％；S：0.022％；余量为Fe。
4.一种低碳贝氏体钢质同步器齿毂的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)钢材冶炼
将配置好的合金原料经冶炼制成圆钢棒；所述合金原料由以下成分按质量百分比组成，C：0.05～0.3％；Si：0.5～3.0％；Mn：1.0～4.0％；Cr：0.3～1.5％；Mo：0.1～1.3％；V：0.01～0.2％；P≤0.025％；S：0.015～0.025％；余量为Fe；
2)锻造
将圆钢棒均匀加热至1050℃～1250℃，并依次经墩粗、成型、冲孔后锻打为所需型号的齿毂毛坯；
3)退火
将步骤2)所得的齿毂毛坯进行退火处理，加热到600℃～750℃，保温2～5h，随炉冷却至150℃～250℃出炉，冷却；
4)精加工
对冷却后的齿毂毛坯进行精加工，制得齿毂半成品；
5)渗碳及正火处理
将加工好的齿毂半成品置于渗碳炉中进行渗碳处理，渗碳温度为900℃～950℃，并保温4h～7h，然后空冷至室温；
其中，渗碳气氛为氮气和甲醇，体积比为1～2.3∶1；
6)回火
将齿毂零件再次加热至160℃～220℃进行回火处理，于氮气气氛中保温2h～5h后空冷至室温，制得同步器齿毂。
5.根据权利要求4所述的低碳贝氏体钢质同步器齿毂的制造方法，其特征在于：
步骤2)中，采用3500吨电液锤进行锻打工序。
6.根据权利要求4所述的低碳贝氏体钢质同步器齿毂的制造方法，其特征在于：
步骤3)中，将步骤2)所得的齿毂毛坯进行退火处理，加热到600℃～750℃，保温4h，随炉冷却至200℃出炉，空冷。
7.根据权利要求4所述的低碳贝氏体钢质同步器齿毂的制造方法，其特征在于：
步骤5)中，氮气和甲醇体积比为1.1∶1。
8.根据权利要求4所述的低碳贝氏体钢质同步器齿毂的制造方法，其特征在于：
步骤6)中，保温时间为3h。
9.根据权利要求4所述的低碳贝氏体钢质同步器齿毂的制造方法，其特征在于：
步骤4)中，所述精加工包括车外圆工序及拉花键工序。
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