CN115889785B

CN115889785B - 含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用

Info

Publication number: CN115889785B
Application number: CN202211121929.0A
Authority: CN
Inventors: 李贵铭; 云国珍; 钟勇火
Original assignee: Zhejiang Xunda Industrial Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Xunda Industrial Technology Co ltd
Priority date: 2022-09-15
Filing date: 2022-09-15
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2042-09-15
Also published as: CN115889785A

Abstract

本发明涉及粉末冶金齿毂工艺技术领域，且公开了一种含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用，配制含Cr合金元素粉末材料，其化学成分为：(0.01‑1)%石墨烯、余量ANCORSTEEL‑4300材料，将其混合之后使用模具压制成型，烧结得到变速箱同步器齿毂烧结件，进行如下的整形、机械加工、热处理、精加工、磁力探伤、成品检验之后，得到变速箱同步器齿毂产品。本发明将含铬（Cr）合金元素的ANCORSTEEL‑4300材料，首次运用在汽车变速箱同步器齿毂上，解决了D39原料不能满足部分大扭矩齿毂的强度需求，同时替代价格昂贵的改性D39原料，具有明显的技术和成本优势。

Description

含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用

技术领域

本发明涉及粉末冶金齿毂工艺技术领域，具体为一种含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用。

背景技术

目前，微型和轿车类同步器齿毂基本采用含铜（Cu）、镍（Ni）、钼（Mo）合金元素的D39粉末材料，采用粉末冶金工艺来制作，但随着消费者对轿车轻量化和大动力的不断需求，体积小、扭矩大的变速箱正得以广泛应用。由于扭矩增加而结构尺寸保持不变，原有D39不能满足部分大扭矩齿毂的强度需求，而改性D39的应用由于利用增加价格昂贵的Mo元素来提升强度也存在原料成本过高的限制。

通过分析、研究和不断试验，选用ANCORSTEEL-4300材料，在保持原有含镍（Ni）、钼（Mo）合金元素的基础上添加铬（Cr）合金元素既能满足大扭矩齿毂强度要求而成本又未增加，现已广泛使用于大扭矩变速箱同步器齿毂项目。

发明内容

（一）解决的技术问题

本发明将含铬（Cr）合金元素的ANCORSTEEL-4300材料，首次运用在汽车变速箱同步器齿毂上，解决了D39原料不能满足部分大扭矩齿毂的强度需求，同时替代价格昂贵的改性D39原料，具有明显的技术和成本优势。

（二）技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用，该含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用工艺包括如下步骤：

步骤Step1，含Cr合金元素粉末材料的化学成分为：(0.01-1)%石墨烯、余量ANCORSTEEL-4300材料；

配制含Cr合金元素粉末材料的方法为：将ANCORSTEEL-4300材料中1%铬Cr对应的质量份与(0.01-1)%石墨烯对应的质量份在高能球磨机混合，得到预混组分，该预混组分再与其余组分在滚筒式混粉机中进行充分混合，得到含Cr合金元素粉末材料；

将上述配制完成的含Cr合金元素粉末材料，在滚筒式混粉机中进行充分混合之后使用变速箱同步器齿毂模具在全自动封闭式机械压机上，于压力600-620MPa、温度120-150℃的条件下，压制成型；

步骤Step2，在滚底炉中，使用露点<30℃的组成为90%N₂+10%H₂（体积分数）的保护气氛，将步骤Step1中的变速箱同步器齿毂模型在1250℃下烧结30-60min，之后从温度900℃开始，以3-5℃/s稍微冷却速率冷却，在温度200-250℃下回火1-2h，得到变速箱同步器齿毂烧结件；

步骤Step3，对步骤Step2中变速箱同步器齿毂烧结件，进行如下的整形、机械加工、热处理、精加工、磁力探伤、成品检验之后，得到变速箱同步器齿毂产品。

优选的，所述ANCORSTEEL-4300材料中铁Fe由60%(wt)粒径<74um水雾化铁Fe和40%(wt)粒径<150um还原铁Fe组成。

优选的，所述石墨烯为厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体。

优选的，所述ANCORSTEEL-4300材料中铬元素包括多尺度微纳米级铬复配而成。

优选的，所述ANCORSTEEL-4300材料中铬元素包括平均粒径50-500nm铬Cr粉，粒径<74um铬Cr粉。

（三）有益的技术效果

与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：

1.本发明的变速箱同步器齿毂的抗拉强度由原有D39的700Mpa提升至950Mpa以上，可满足300-450N∙m扭矩的同步器齿毂强度需求；

2.低价格的Cr合金元素的加入，取消了原有D39的Cu合金元素，并使价格昂贵的Ni合金元素由含量4%降为1%，强度性能提高的同时而未增加材料成本；

并且通过含Cr合金元素材料在同步器齿毂上的成功应用，增加了齿毂新材料开发应用的思路和信心，同时也为变速箱同步器齿毂材料的选用提供了较为成熟的原材料，无论是技术上和成本上均有积极作用。

本发明首次将ANCORSTEEL-4300材料批量运用于汽车同步器齿毂项目上，并积累了丰富的技术经验，希望在首次批量使用的名誉上得以保护。

具体实施方式

选择粉末规格与配制含Cr合金元素粉末材料，具体如下：<74um水雾化铁Fe粉，<150um还原铁Fe粉，<38um电解镍Ni粉，<48um钼Mo粉，<48um硅Si粉，<74um锰Mn粉，平均粒径50nm铬Cr粉，平均粒径500nm铬Cr粉，<38um铬Cr粉，<74um铬Cr粉，厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

含Cr合金元素粉末材料的化学成分为：ANCORSTEEL-4300+(0.01-1)%石墨烯，该ANCORSTEEL-4300的化学成分（质量分数）为：1%铬Cr，1%镍Ni，0.8%钼Mo，0.6%硅Si，0.1%锰Mn，其余为铁Fe，该铁Fe由60%(wt)粒径<74um水雾化铁Fe和40%(wt)粒径<150um还原铁Fe组成；

配制含Cr合金元素粉末材料的方法为：将ANCORSTEEL-4300中1%铬Cr对应的质量份与(0.01-1)%石墨烯对应的质量份在高能球磨机以50rpm的速度旋转1h，得到预混组分，该预混组分再与其余组分在滚筒式混粉机中进行充分混合，得到含Cr合金元素粉末材料；

将含Cr合金元素粉末材料在液压式压机上，在压力600MPa、温度120℃的条件下，压制成抗拉强度试棒(ISO2740)，在滚底炉中，使用露点<30℃的组成为90%N₂+10%H₂（体积分数）的保护气氛，将步试棒(ISO2740)在1200℃下烧结30min，之后从温度950℃开始，以5℃/s稍微冷却速率冷却，在温度200℃下回火1h，制备得到若干个用于测试的试棒(ISO2740)烧结件；

根据阿基米德原理测定了第一根试棒(ISO2740)烧结件的密度；

在Instron试验机上以3mm/min的加载速率依照ISO2740，对第二根试棒(ISO2740)烧结件进行拉伸试验，测定抗拉强度；

在10kg载荷下，对第二根试棒(ISO2740)烧结件的上、下两端，分别测定其维氏硬度，取平均值；

实施例1-1：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成)+0.01%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

实施例1-2：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成)+0.05%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

实施例1-3：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成)+1%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

对比例1-4：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成)；

把上述实施例中含Cr合金元素粉末材料制备得到三个用于测试的试棒(ISO2740)烧结件，对其进行性能测试的结果如下表1所示；

表1

由表1可知，在ANCORSTEEL-4300中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成下，随着石墨烯含量的增加，其抗拉强度有所增强、硬度有所提高，其可能的原因是：由微纳米级铬和石墨烯组成的预混组分通过共同发挥协同作用对材料内部的晶粒尺寸产生细化作用，使其内部晶粒更细小、更致密，在宏观上显示为其力学性能有所提高；

实施例2-1：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成)+0.01%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

实施例2-2：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成)+0.05%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

实施例2-3：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成)+1%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

对比例2-4：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成)；

把上述实施例中含Cr合金元素粉末材料制备得到三个用于测试的试棒(ISO2740)烧结件，对其进行性能测试的结果如下表2所示；

表2

由表2可知，在ANCORSTEEL-4300中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成下，由微纳米级铬和石墨烯组成的预混组分通过共同协同作用实现了对材料内部晶粒尺寸产生细化的效果，使其内部晶粒更细小、更致密，在宏观上显示为其抗拉强度和硬度性能均有显著改善，但是随着石墨烯含量的增加其改善效果变小；

由表1和表2可知，平均粒径50nm铬Cr粉可能由于存在团聚现象，无法均衡分布，导致其对材料内部晶粒尺寸产生细化的效果，相较于平均粒径500nm铬Cr粉的细化改善要差些；

实施例3-1：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成)+0.01%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

实施例3-2：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成)+0.05%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

实施例3-3：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成)+1%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

对比例3-4：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成)；

把上述实施例中含Cr合金元素粉末材料制备得到三个用于测试的试棒(ISO2740)烧结件，对其进行性能测试的结果如下表3所示；

表3

由表3可知，在ANCORSTEEL-4300中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉和90%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成下，由微纳米级铬和石墨烯组成的预混组分通过共同作用对材料内部的晶粒尺寸产生了一定细化作用，在宏观上显示为其抗拉强度和硬度性能均有一定的改善；

由表1、表2和表3可知，平均粒径50nm铬Cr粉可能由于粒径太小，易于团聚现象，无法均衡分布，在与粒径<74um或粒径<38um铬Cr粉和石墨烯进行微纳米复配时，其存在混杂现象导致其对材料内部晶粒尺寸产生细化的效果不佳；

实施例4-1：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成)+0.01%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

实施例4-2：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成)+0.05%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

实施例4-3：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成)+1%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

对比例4-4：

含Cr合金元素粉末材料的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成)；

把上述实施例中含Cr合金元素粉末材料制备得到三个用于测试的试棒(ISO2740)烧结件，对其进行性能测试的结果如下表4所示；

表4

由表4可知，在ANCORSTEEL-4300中的铬由30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和70%(wt)粒径<74um铬Cr粉组成下，由微纳米级铬和石墨烯组成的预混组分通过共同作用对材料内部的晶粒尺寸产生了显著的细化作用，在宏观上显示为其抗拉强度和硬度性能均得到显著改善；

含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用工艺如下：

步骤Step1，选择含Cr合金元素粉末材料的规格，其具体的化学成分（质量分数）为：ANCORSTEEL-4300(其中的铬由10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉、30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和60%(wt)粒径<38um铬Cr粉组成)+0.2%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体；

将ANCORSTEEL-4300中1%铬Cr对应的10%(wt)平均粒径50nm铬Cr粉、30%(wt)平均粒径500nm铬Cr粉和60%(wt)粒径<38um铬Cr粉的质量份与0.2%厚度≤5nm、片径<20um工业级氧化石墨烯粉体对应的质量份在高能球磨机以50rpm的速度旋转1h，得到预混组分，该预混组分再与其余组分在滚筒式混粉机中进行充分混合，得到含Cr合金元素粉末材料；

将上述配制完成的含Cr合金元素粉末材料，在滚筒式混粉机中进行充分混合之后使用变速箱同步器齿毂模具在全自动封闭式机械压机上，于压力620MPa、温度150℃的条件下，压制成型；

步骤Step2，在滚底炉中，使用露点<30℃的组成为90%N₂+10%H₂（体积分数）的保护气氛，将步骤Step1中的变速箱同步器齿毂模型在1250℃下烧结30-60min，之后从温度900℃开始，以3℃/s稍微冷却速率冷却，在温度250℃下回火2h，得到变速箱同步器齿毂烧结件；

步骤Step3，对步骤Step2中变速箱同步器齿毂烧结件，进行如下的整形、机械加工、热处理、精加工、磁力探伤、成品检验之后，得到变速箱同步器齿毂产品，经过标准检测，其技术指标如下：500件全部检测，检测结果为：密度＞7.2g/cm³，平均硬度HV10＞380，平均抗拉强度＞950Mpa，尺寸精度等级≥IT 7级；

根据JB3987-85《汽车机械式变速器台架试验方法》，将由含Cr合金元素粉末材料制造的变速箱同步器齿毂产品在AB-51型扭力机上进行静扭强度台架试验，当施加转矩在范围300-450N·m之间时，其强度后备系数K₁≥2.5时齿毂和齿套未见损坏，满足使用要求，之后将由含Cr合金元素粉末材料制造的变速箱同步器齿毂产品装车，装车使用试验已经行使10万公里以上，使用反馈情况良好，换挡灵活，降噪减振好。

Claims

1.含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用，其特征在于，该含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用工艺包括如下步骤：

步骤Step1，配制含Cr合金元素粉末材料，其化学成分为：(0.01-1)%石墨烯、余量ANCORSTEEL-4300材料；

其中，铬元素由多尺度微纳米级铬复配而成、具体包括平均粒径50-500nm铬Cr粉和粒径<74µm铬Cr粉，石墨烯为厚度≤5nm、片径<20µm工业级氧化石墨烯粉体，由微纳米级铬和石墨烯组成的预混组分通过共同发挥协同作用对材料内部的晶粒尺寸产生细化作用；

步骤Step2，在滚底炉中，使用露点<30℃的组成为90%N2+10%H2（体积分数）的保护气氛，将步骤Step1中的变速箱同步器齿毂模型在1200-1250℃下烧结30-60min，之后从温度900-950℃开始，以3-5℃/s稍微冷却速率冷却，在温度200-250℃下回火1-2h，得到变速箱同步器齿毂烧结件；

2.根据权利要求1所述的含Cr合金元素粉末材料在变速箱同步器齿毂上的应用，其特征在于，所述ANCORSTEEL-4300材料中铁Fe由60%(wt)粒径<74µm水雾化铁Fe和40%(wt)粒径<150µm还原铁Fe组成。