（材料加工工程专业论文）汽车用hal624301同步器齿环的研制.pdf

摘要 通过调整合金的成分，配制了添加a 1 、m n 、s i 、f e 和l k 的复杂黄铜合金，比 较两种不同的铸造工艺，选取经电磁搅拌的铸坯，在g l e e b l b l 5 0 0 热模拟机上模 拟合金的高温屈服强度o 。，并对合金进行热处理正交实验，用金相显微镜、扫描电 镜观察和透射电镜分析合金不同状态下的显微组织和结构，并借助l 1 3 4 工作站和 相应的软件模拟不同加工工艺下的复杂黄铜合金的锻压变形过程。研究结果表明： a l 含量可以改变复杂黄铜中n 相和8 相的体积百分数，提高合金的硬度，改善合金 的耐磨性，但a 1 含量一般不能超过3 5 ，否则会出现有害的y 相，降低合金的性 能；添加微量元素、f e 、s i 可在复杂黄铜合金晶内形成。s i 。、f e i 、f e 3 a l 硬 质相，不但促进非均匀形核，使合金晶粒细化，而且它们弥散分布在基体表面，使 合金磨损时产生三体研磨，提高台金的耐磨性；稀土是一种很好的细化剂，但熔炼 时必须保证稀土的含量，一般不高于o 1 ，否则会出现有害的富稀土相，降低合金 的性能；对于复杂黄铜来说，淬火温度、保温时间、时效温度对合金的硬度影响显 著，因此要合理的控制热处理工艺；耐磨性并不是与合金的硬度成正比，而是存在 一个最佳耐磨值。实验证明：少量的相谴体相b 相+ 硬质颗粒相( m n 5 s i 3 、f 白s i 、 f 啦1 ) 是理想的耐磨组织：计算机模拟的结果表明：铸态和挤压态合金在锻压时不 同的是，铸态合金所需的锻压力比较小。合金在高温下塑性极好，但由于锭坯较小， 合金降温极快，所以建议用高速锻压。 关键词：黄铜耐磨性 高强度有限元法 a l b s h a c t i n t h i s p a p e r ，h i p 血一t e n s i l e a d w e a r r e s i s t a n t b r a s s e s a d d e d a l 、地、f e 、s i a d r e w e r e p r e p a r e db ya d j u s 垃g 血ec o m p o n e n to ft b ea o y s t h em e c h a n i c a lp m p e r t i e so ft h i s m 砒e r i a la tv a r i o u sb j 暑出t e m p e r a t l l r ew e r et e s t e d 血r i n gt h ep r o c e s so fs 岫1 1 1 a t i n 2 t h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l k y si nd i f c e r e mc o n d i t i ( m sw e r eo b s e e db vo d t i c a l m i c m s c o p e ，s e ma n d 删i nt h i sp 叩e r t h ed e f o r m p m 罩a mw a su s e dt os i m u l a t e t h ef o 晒n go fs p e d a lb r a s s e s t b ef e s l l l t sa r es h o w n ：t h ep e r c e t a 暨eo f a n dbp h a s ew e r e a d i u s t e db ym ec o n t e n to fa l ，w h i c hm u s tb ec o n t r o l l e dl e s s3 5 t h ep h a s eo fm n ；s j ” f e s i 、f e l a lm a vn o to n l vd e c r e a s et h e 毋a i ss i z eb u ta l s oi 1 p r o v et h ew e a rr e s i s t a n c eb v d i s t r i b u t i n gd i s p e r s e d t h ec o n c e to fr em u s tb ec o n s t r o l l e da c c u r a t e l vl e s s0 1 l e s t f 0 珊i n gt l l eh a 衄f 1 1 1p h a s eo fr ed e c r e a s i n gm ep r o p e n i e so ft h ea l l o v s w e a rr e s i s t e n c ew a s n o tp r o p o n a lt 0t h eh a r d n e s s ，i nf a c t ，l i t t l eo p h a s ea n d 母p h a s ea d d i n 2s o m ep a n i c a l p h a s e w a s a p e f e r c ts t n i c t i l r e o f w e a rr e s i s t e c e t h ep l a s t i c o fh i g h t e s i l e b r a s s e s w a s v e r y g o o d ，w b e nb e i n gf o r g e d ，t h es p e e do ff 0 f g i n gm u s tb eq u i c k 【k e yw o r d s 】 b r a s s e sw e a rr e s i s t e n c e h i 曲- t e n s i l es t r e n 酉h f e m 中南大学硕士学位论文 1 _ 1 引言 第一章文献综述 同步器是汽车变速器的重要部件，它的工作原理是利用一对锥形摩擦副产生摩 擦力，使得待啮合的一对齿轮的圆周速度达到相等并平稳地进入啮合。由于换档齿 轮及相连接的齿轮要在一两秒内加速、减速至同步换挡，这种快速多变的摩擦使同 步器的螺纹锥面处于恶劣的工作条件下，因而对同步器齿环材料有很高的性能要求。 选择同步环的材料应考虑如下几个方面：( 1 ) 具备优良的加工性能：( 2 ) 耐磨性能 好；( 3 ) 具有高强度、耐高温、抗冲击载荷能力强的力学性能；( 4 ) 相当而匹配的 摩擦系数；( 5 ) 稳定的弹性模数；( 6 ) 金属纤维连续、晶粒细化、金相组织良好。 因此，同步器齿环材料的改进一直是汽车界关注的课题。 早期的同步器齿环材料大多采用铝青铜，到7 0 年代后，各国汽车公司逐步以耐 磨黄铜取代了铝青铜。因为耐磨黄铜不仅导热性能和耐磨性能好，而且还具有优良 地综合机械性能。耐磨黄铜最早是日本丰田公司发明的u l ，这个合金的主要特点是在 普通黄铜中加入a l 、m n 和s i 等元素，使合金的强度和耐磨性能得到大幅度提高， 但使其塑性急剧下降。这以后，各国的汽车公司在大量的研究基础上，不仅对作为 同步器齿环材料的耐磨黄铜的成分作了不同方式和程度的改进，而且对其成形工艺 也在进一步的调整。在英美，耐磨黄铜己形成了标准牌号，如c z l 3 5 、c 6 7 4 0 0 等。 近年来我国各大汽车厂先后从西德、日本、意大利、法国等国家引进了一些名牌车 型。特别是”九五”期间，中国的轿车业发展迅速，如中国大众1 9 9 9 年产量达到3 1 4 2 4 3 万辆，占国内市场的6 0 。天津夏利年产达1 l 万辆，并将和日本丰田公司合作，建 立一条年产1 3 万辆的轿车生产线，2 0 0 4 年投产，界时中国大众将发展到年产4 0 多 万辆。仅此两家，同步器齿环用年需求量将达到1 5 0 0 吨左右i l “。 随着中国加入w 1 d ，我国的轿车业将在短期内向全球化格局转变，2 0 0 6 年汽车 进口关税将由现在的8 0 1 0 0 下将到2 5 一l o ，为了适应激烈的国际市场竞争， 原材料及零部件业必将快速转入高技术、规模化、标准化生产。 我国目前生产的轿车，除别克、富康外，同步器齿环材料全部使用多元复杂耐 磨黄铜。一般为c 卜缅舢- f e 帕- s i 系列，属于热加工b 型合金。我国。八五”、“九 五”期l 司成功研究i 珊缸，9 - 2 1 和明i 钿融3 _ 3 m 7 合金，用于东凤和解放汽车，但是 轿车和八吨以上重型车同步齿环合金尚未定型，虽然各厂都采用了进口车型齿环材 料的原配方，但由于对材料本身的组织、性能、热处理及成形工艺缺乏深入的研究， 致使目前生产的多数齿环寿命还达不到国外同类产品的水平。此外由于各厂采用的 材料成分各不相同，在齿环原材料的供应上亦给生产厂带来许多困难。因此在系统 研究各种进口车型材料和工艺的基础上，优化成分和工艺，为我国汽车变速器开发 一代新型、优质、统一牌号的同步器齿环材料，是我国汽车工业一个急需解决的问 中南大学硕士学位论文 题。 1 2 高强度耐磨黄铜及其影响因素 1 2 1 二元黄铜 以锌作为主要合金元素的铜合金，通常称为黄铜。单纯的铜锌二元合金称普通 黄铜( 或二元黄铜) ，在铜锌合金基础上加入少量其他元素( 主要是锰、铝、铁、硅、 铅、锡、镍等) 所构成的三元、四元或多元黄铜，称为特殊黄铜i 卅。 c u h 二元相图如图卜- 1 。由相图可知，铜锌合金有5 个共晶转变，一个共析转变和一 个有序化转变组成。固态下有a 、b 、y 、6 、e 、i i 六个相组成。工业实用黄铜 的z h 含量都在5 0 以下，因此通常只涉及到a 、6 两个相，有时也可能出现y 相， 下面讨论各相的特征。 譬 鲁t 黛 1鲰鼬，； 1 l l 鬻 叁盎 f l吲 i t l 女工一 lfii|：!、 + l 卜 箔p落l 1懿会 v ! 、n 一 5 i b o 。_ 0 。j 一 涮繁鬯1 警 j f 。i 。x j 纂x 谯。甜y ll y+$ f 沁l l 11 lll j 图1 1c u z n 二元相图 。相是锌溶于铜中的固溶体，晶格与铜相同，呈面心立方晶格，塑性很好，容 易承受各种冷、热压力加工。其晶格常数随锌含量的增大而增大。锌在固态铜中的 溶解度不像一般合金那样随温度降低而减小。相反，是随温度降低而增大。当温度 降至4 5 6 时。锌在铜中的目溶度增至3 冁进一步降低剐锌在铜中的溶解度随温度 降低而减小。 b 相是以电子化合物c u z n 为基的固溶体，具有体心立方晶格。按化合物c u z n 分子式的组成比计算，b 相的含锌量为5 0 7 ，但由于电子化合物中可溶解不同数量 2 中南大学硕士学位论文 的铜或锌，使b 相的成分在一定范围内变动，亦即b 相在状态图上为一区域。b 相 在4 5 6 4 6 8 以下转变为有序相b7 ( 铜原子占据晶胞顶角，锌原子占据晶胞中心) 。 此有序化转变进行很快，自b 一相区淬火亦不能抑制其进行。有序化后，合金塑性降 低，冷加工较困难。高温的无序固溶体b 相，塑性较好，故对含b7 相的黄铜进行 压力加工时，应加热至b 相区进行 y 相是以电子化合物c u 5 z n 8 为基的固溶体，具有复杂立方晶格，硬而且脆，对 合金性能起有害影响，因此，在合金中不希望出现y 相。 e 相和f i 相属于锌基合金的组织。6 相是只在高温下才稳定的固溶体，温度降 至5 5 8 时即发生共析转变，分解为y + e 相。各相的结构特点如表1 一l 所示。 表1 1c u z n 系中各相的结构特点 电子化合物 含锌量( 原子)相的名称 分子式电子浓度 晶格类型晶格常数a ( a ) 0 3 8 q 面心立方 3 6 0 7 3 6 9 3 4 5 4 9 b ， b c u z n3 2 ( 2 1 1 4 )体心立方2 9 4 2 2 9 4 9 5 6 6 6 y c u 5 z m1 3 2 l 复杂立方 8 8 3 8 8 5 7 4 5 7 5 4 6 c i l 孙4 7 ( 2 l 1 2 )复杂立方3 0 0 6 3 嘲 7 7 8 6 e c i l z r b4 7 ( 2 1 1 2 )密集六方2 7 4 2 7 6 9 8 1 0 0 n密集六方 2 1 7 2 2 6 5 9 1 2 2 高强度耐磨黄铜 随着现代汽车工业及航空工业的飞速发展，人们对各种特殊用途的材料的需 求越来越强烈。系列复杂黄铜的研究与生产，正是材料工业为适应使用者要求而开 发的一个新的领域。 一般来讲，简单黄铜的耐磨性及强度与铝青铜相比要相差许多。所以，在高 速、高耐磨、高冲击、低润滑的环境中，普通黄铜的使用就受到了限制。但是，另 一方面黄铜价格的相对低廉，又驱使广大材料研究、生产人员和使用者在这一方面 投入了大量的精力，以寻求经济上的利益。 人们发现，在普通黄铜中适量加入一些固溶元素，例如趾、m n 、f c 、s i 、n i 、 i i b 等，使之固溶于基体，会产生固溶强化；或形成金属化合物颗粒，提高材料的抗 变形能力和耐磨性；或使材料的晶粒细化，提高材料的强度。这样就可提高材料的 各项性能指标。满足在不同环境下的使用要求，使之成为一种新的高强度、高耐磨 的合金。 高强度耐磨黄铜是含铝、硅、铁、锰和钛等台金添加元素的a + o 或b 黄铜。 它是作为汽车同步器锥环的理想材料。这种材料之所以具有优良的综合机械性能和 耐磨损性能，是因为材料中的m n 、f e 或n i 、c o 等元素和s i 或灿形成显微硬度很 高的硅化物或铝化物颗粒，这些颗粒均匀而弥散分布于口( 或n + b ) 基体上，形 成了理想的软基体+ 硬质点的耐磨组织。正确地选用合金元素，合理地设计合金成 分和采用一定的热处理工艺可以控制显微组织中硬质颗粒相的粒度、密度和分布， 从而使材料的综合性能达到最佳状态。 3 中南大学硕士学位论文 1 2 3 锌当量 多年来讨论特殊黄铜组织的一个近似方法，是根据合金元素对c u _ z n 二元相 图相区的影响，并借助c u _ 踟二元相图来确定多元黄铜的组织。 加入黄铜中的合金元素铝锰铁硅铅锡镍等，除铅和铁实际上不溶于铜中以外， 铝锰硅锡镍等都能固溶于铜中，可以近似的认为加入这些元素即相当于用它们取代 了一部分锌，因此，它们使锌在n 相或b 相中的溶解度相应地有所变化对c u _ z n 二元相图的相区位置及组织产生了一定的影响。根据实验，每个合金元素增加1 都 有其各自的代替锌当量，称之为“锌当量系数”。表卜2 为各合金元素“锌当量系数” 的数值。 表卜2 合金元素的锌当量系数 锌当量系数q i + l oi + 6 l + 2 i + l + 0 9 l + o 5 i 1 3 特殊黄铜往往含有多种合金元素，运用“锌当量系数”，就可借助于c u z n 相图 来综合考虑多种元素对组织的影响，判断各种特殊黄铜的基本组织特征。这时只需 根据合金成分计算出各特殊黄铜的锌当量。 特殊黄铜的锌当量x 可由下式求出： a + y c x ， x = 皂；l x l 0 0 4 + 丑+ 艺c 。叩 ( 1 1 ) 式中 特殊黄铜中的含锌量 阱特殊黄铜中的含铜量 c 特殊黄铜中各元素加入量 r i 一各合金元素的锌当量系数 根据计算出来的锌当量对照铜锌二元相图，即可估计各种特殊黄铜的金相组织， 判断该合金是n 黄铜还是n + b 或b 相黄铜，组织中n 和b 的大致比例，进而判断 它们的机械性能特点；反之，也可以根据已定的组织来确定基本组元的含量或合金 元素的加入量 随着三元相图的建立和不断完善，可采用三元锌当量来计算特殊黄铜的锌当量 x ，公式如下： a + f c x n 小葡爵茏南引慨 ”2 ) 式中 特殊黄铜中的含锌量 隅特殊黄铜中的含铜量 d 特殊黄铜中的主加元素的含量 4 中南大学硕士学位论文 c 特殊黄铜中其它各元素加入量 r l 一各合金元素的锌当量系数 总之，特殊黄铜组织上和普通黄铜相似，主要组成仍然是d 和8 两相。加入合 金元素对组织的影响反映在o l - 踟二元相圈上，主要是使相区分界线的位置移动了， 改变了组织中b 和n 两相的组成比例：运用三元相图来确定组织更准确一些 1 2 4 几种高强度耐磨黄铜合金成份与性能 表1 3 列出了西方国家以及我国几个主要汽车厂家一些轻型和中型汽车同步 器齿环材料的成分酬。 表1 3 部分汽车厂轻型和中型汽车同步器齿环材料成分 序 主要化学成分质量 备注 号c u a l s im n f e s n帕 n j c o皿 l 6 770 7s( n 3 采量日车 26 懈舫d0 ，_ 2o 2 - l俎英茸 35 7 l m 2 dn i 3i ”( n 5( 0 3( 0 s( n 2俎美目 4卯锄 0 女n0 5 _ 1 52 3 5 0 3( 0 3 5妊 日本 5袅量2 7l 02 70 0 4俎日本 66 j 6 55 “525 _ 3( 仉l( ( 153o钮日本 76 1 ”5o 矗1 22 5 4( 0 1 50 2 5 案量 日本 86 23 j 一4 j0 孓1 5仉1 5 o j2 纠00 5错日本 9 卵啦4 3 6 22 m 余量蕾目 1 0 j s 曲1 抛3( n 3i o _ 20 j( n 0i 呲0 奢量美田 1 l 案量 l 正l _ o1 m( o 上弘 美目 1 2 5 7 6 0o j 1 l0 争1 31 2 20 如7n 工5( 0 2 5( n 3 余量意大利 1 36 懈 5 嘶04 o0 如62 0 00 加50 6 余量中国 1 46 峨3 50 暑1 00 3 一1 32 5 0 5柚中罾 1 5 6 l 6 32 ”4n s 102 7 3 7 奢量中国 1 6杂量 o l5婚i j1 抛53 伸 中田 1 7s 蝴“n s 1 _ 0l j1 o - 2 0札50 3中国 从表l 一3 可以看出除了c u 、z n 这两种基本元素以外，灿、m n 、8 i 、f c 是多数 厂家的齿环材料必加的合金元素，但它们的含量有所不同。 表1 4 中列出了实验所涮的部分合金的常规力学性熊和磨损数据。为了便于比 较，表中还列出了普通二元l i 配的黄铜的性能指标。 5 中南大学硕士学位论文 表l 一4 部分合金的常规力学性能 合金常规叻学 性篮磨授量 序号 氐( 啦曲h ：如a )6 。( ” m f d 。( i 【j 棚2 ) m x l og 35 5 02 7 01 z1 8 01 22 7 3 45 0 02 4 02 81 3 03 5 6 56 2 03 匏1 7 1 ，l 明2 5 3 2 5 8 1 06 4 74 2 81 3 4 2 3 21 2 0 6 0 2 1 26 0 03 3 91 4 4 1 8 92 5 4 3 5 2 1 305 舳1 1 3 2 2 8 71 2 2 1 5 6 5 0 3 7 01 2 1 2 43 4 0 1 7 6 8 44 4 51 0 32 9 42 4 22 2 1 h 6 23 3 0 1 1 04 93 4 5 2 且前各国使用的各神铜基同步器齿环材料在常规力学性能上的差别不十分显 著。从表l 一4 中可见合金元素加入后各合金的抗拉强度“显著提高，在 5 0 0 7 0 0 m p a m 2 之间，但塑性比h 6 2 黄铜有所下降，尽管它们的力学性能指标十分 接近，但各合金的耐磨损性能有很显著的差别。 1 2 5 添加元素对高强度耐磨黄铜合金组织和性能的影响 自七十年代初，出现第一个高强度耐磨黄铜的专利以后，西方许多国家的工业 界都致力于高强度耐磨黄铜的研究。综合分析这类材料的成分配方如表1 3 ，可将 其中的合金元素归纳成以下4 类”“1 ： ( 1 ) c u 和z n ，这两个是基本元素。各国的配方中c u 和z n 的含量分别控制 在5 7 “8 和2 5 q 2 范围内； ( 2 ) m 是固溶强化元素，加舢的主要目的是提高合金的强度和调整a b 两 相的体积百分数； ( 3 ) 渤、n i 、t i 、f e 等过渡元素。一般的高强度耐磨黄铜中都加入这些过渡 元素中的卜2 种，其作用是形成硅化物或其它高显微硬度的颗粒相； ( 4 ) s i ，是提高耐磨损性能的主要元素。s i 加入后和上述的过渡元素形成弥散 分布的硅化物颗粒相，从而获得软基体+ 硬质点的理想耐磨组织。在有些高强度耐磨 黄铜中还加入微量的p b 或s n 以改善合金的切削加工性能。最新的研究表明，在高 强度耐磨黄铜中加入微量稀土元素有利于进一步改善合金的组织和性能。 现对每种添加元素对高强度耐磨黄铜的影响分别说明如下： ( 1 ) 合金元素对高强度耐磨黄铜合金组织和性能的影响： a l 是高强耐磨黄铜中的重要台金元素。图l 一2 是铜一锌一铝系在8 、6 、4 、加的等温截面。由这些相图可知：铝显著缩小n 相区。铝的锌当量系敦 高形成b 相的趋势大，可提高合金的机械强度。但若添加量超过5 0 ，就容易产生 硬而脆的y 相，对合金的性能有害。相反，若添加量不足o 1 ，也不会出现强韧效 果。 6 中南大学硕士学位论文 ( a ) 2 0 等温截面 ( c ) 6 0 0 等温截面 ( b ) 4 0 0 等温截面 ( d ) 8 0 0 等温截面 图1 2c u z n a l 系在不同温度下的等温截面图 m n 是锰黄铜的重要合金元素。图1 3 表明c u z n m n 系合金的液棚面等温线， 在8 0 0 、4 0 0 、3 6 0 、2 0 时的等温截面。由这些相图可知：锰缩小a 相区的作 用极其微弱，对黄铜的组织影响不大。锰起固溶强化作用，与s i 相结合，析出高硬度m n 5 s i 3 化合物，可提高合金的强度、硬度。从相图与s i 的量的比率来说，0 5 5o 为适当 范围，不足o 5 时没有效果，若超过5 o ，沉渣产生量增多，有损丁二铸造性。 中南大学硕士学位论文 ( a ) z 吐 c u ， ( b ) 图1 3c l 心血 缸系的等温液槽线及8 0 0 、4 0 0 、3 6 0 的 固溶范围( a ) 和2 0 时的固溶范围( b ) s i 为使生成本合金特有的金属化合物所必需的元素，o 1 2 o 为适当范围，如 果超过2 o 会使合金脆化，不足o 1 则析出物的效果太小。 f e 对晶粒微细化与析出物的均匀分散化有效，但添加量若超过1 o 析出物就 呈粗大化凝聚，产生相反的效果；若添加量低于o 0 5 则得不到上述的效果。 n i 为强化基材而添加的，但若不足0 0 1 时则没效果，而超过1 o 时也不会有 那么明显改善的效果。 n b 同上述s i 一样都是会生成本合金特有的金属问化合物，强化基体，根据与 s i 添加量的比例，o 0 l 1 0 范围，显示出最佳效果。低于o 0 1 时无效果，而高于 1 o 时不仅效果小且不经济。 聃维持铜合金的优良耐磨性能，同时能使机械加工性特别是切削性提高，添加 量o 1 2 时为最佳范围，过量会使韧性降低，低于o 1 时没有起到提高切削性的 效果。 中南大学硕士学位论文 ( 2 ) 稀土元素对高强度耐磨黄铜合金组织和性能的影响【1 2 - 1 6 】 稀土元素具有很高的化学活性，极易与氧、氮、硫化合生成氧化物、氮化物、 硫化物或氧硫化物，也与铅、铋和磷等元素形成稳定的高熔点化合物。稀土元素相 在铜中固溶度极小，因此稀土在铜中的基本作用有两方面：一是脱氧脱硫去除铅、 铋等杂质的净化作用；二是稀土微溶于铜中，并与其它元素反应生成高熔点化合物 而具有微合金化及变质作用。由于上述两种作用，使铜的性能得到改善。 稀土元素在铜中的净化作用 稀土金属熔点( c e 7 9 8 ，l a 9 2 0 ) 低于铜( c u l 0 8 3 ) ，进入铜液后迅速生成高熔 点稀土氧化物和硫化物其密度较铜低( c u 8 9 9 c m 3 ，l a 。0 3 6 5 9 c m 3 ，c e o 。7 0 6 9 c m 3 ) 易 上浮。此外，稀土元素还与溶于铜中的某些有害金属元素形成高熔点化合物如p b c e ( 1 1 6 0 ) ，b i c e ( 1 5 5 0 ) 等，从而消除了晶界上有害杂质的影响。由于稀土的净化 作用可以改善铜合金的导电、导热性能，改善合金的热加工性能，提高塑性、耐热 性和耐蚀性能。 稀土元素在铜中的变质及微合金化作用 稀土作合金元素的特点是微合金化，加入量极少，约千分之几，而效果颇佳。原 因在于稀土在铜中固溶度极小，加入的稀土大部分同其它元素化合，生成高熔点化 合物在熔体中悬浮和弥散分布。凝固过程中产生异质品核和机械阻止晶粒长大效果， 使晶粒细化，凝固时间缩短，柱状晶区缩小，防止偏析。此外，还有部分稀土与铜 形成金属问化合物，也能改善机械性能，提高再结晶温度，改善高温性能，改善铜 合金的冷加工性能增强耐磨性，提高焊接性能。 1 3 桑塔纳轿车变速器专用齿环材料简介 h 5 9 g m 一1 铜合金管【”】，是用以制造桑塔纳轿车变速器齿环的专用材料。参照德 国大众汽车v w 一0 8 1 标准，经热锻后铜管材料性能需完全达到该标准：( a ) a 一混合 品，b 一混合晶，v 匹5 ，必须含m n s i 相，且一直分布到材料边缘；( b ) h b 6 2 5 2 5 = 1 6 5 8 。h 5 9 g m 1 合金材料的要求主要由两部分组成：( 1 ) 合金化学成分；( 2 ) 材料 特性。包括金相组织和材料硬度。 表1 5h 5 9 g m 一1 的合金成份 l 元素 c u砧m ns if ep b s nn iz n w 5 8 1 4 1 8 o 6 0 3 5 0 3 0 1 o 2 余量i 5 91 72 _ 20 90 6 50 6o 4 1 - 4 国内外汽车同步器齿环生产工艺和组织比较 1 4 1 生产工艺比较 同步器齿环为非对称结构，带数个花键的薄壁型齿环零件，微型汽车高速同步 齿环视图如图l 一4 ，它对材质和加工精度都有严格的要求，其制造技术涉及到铸造 ， 中南大学硕士学位论文 锻压精加工模具设计与表面处理等技术1 8 。2 0 】。 阱 = 睽 辅t蝴 图1 4 微型汽车同步齿环视图及尺寸 国外一些典型生产工艺： ( 1 ) 日本k o y w a 工业株式会社的工艺方案 离心铸造环坯一摩擦压力机精锻成形一专用加工中心机械加工一表面处 理抛光一包装入库。 ( 2 ) 日本爱三工业株式会社的工艺方案 离心铸造环坯一精压机热锻成形一组合机床的生产线进行机械加工一 包装入库。 ( 3 ) 德国d 匝h l 公司的工艺方案 轧制环坯一摩擦压力机热精锻成形一专用加工中心或组合床生产线机 械加工一包装入库。 国内一般企业的通用工业方案： ( 1 ) 棒料一多工序机械加工一去毛刺一包装入库 ( 2 ) 挤制环坯一摩擦压力机械热精锻成形一振动抛光去毛刺一包装入库。 从上述对比可以很明显的看出国内设备与工艺条件都与国外的有相当大的差 距。 1 4 2 显微组织比较 目前国内齿环厂家多采用铸坯机加工直接成齿环，如图1 5 。图1 6 是国外 齿环显微组织照片。 1 0 邀 中南人学硕上学位论文 图1 5 国内齿环显微组织图1 6 国外齿环显微组织 由图中可以看出，国外齿环显微组织中有明显的加工流线，且组织致密而国内 齿环显微组织中没有加工流线，明显的是用铸坯直接机加工成环，晶粒粗大，组织 不致密。因此，必须要改善生产r 艺，以达到国外先进水平。 1 5本文的研究内容、意义 1 5 1 研究内容 本文的工艺方案是采用连铸管坯直接精锻来生产齿环，其研究内容大体卜可以 分为两部分，即包括同步器齿环材料的研究和同步器齿环精锻成形过程的数值模拟。 概括起来，研究的主要i 容有： ( 1 ) 研究不同合金，i 素对合金组织和性能的影响，优化合金成分，研制出新型牌号 的同步齿环合金，以替代进口产品。 ( 2 ) 探索熔炼工艺，以实现规模化工业生产。 ( 3 ) 模拟精锻工艺参数对合金组织和性能的影响。 ( 4 ) 热处理正交实验来确定合理的热处理工艺制度。 ( 5 ) 利用g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟实验机建市不同状态的流变应力模型利剧 d e f o r m 软件模拟分析不同生产工艺条件下变形区的等效应力、应变及温度场的分 前，为以后指导工厂制定生产工艺制度做准各。 1 5 2 研究意义 如上所述，高强度耐磨黄铜作为汽车同步器齿环材料具有许多优点，但其生 产过程较其它金属复杂困难。特别是成分的优化和熔炼，到目前为j e 国内只有有限 的几家工厂能形成批量生产，而且生产的牌号单一，其耐磨性能远不如国外产晶。 囚此，f 1 前还是要依靠进口，每年都要花费火量的外汇。所以，有必要对高强度耐 磨黄铜进行系统的研究，以找到开发新型牌号的途径和相对合理的生产_ 艺，填补 困内空白，减少人j 、物力的消耗。本文的主要任务是结合我国“十五”汽车、汽 车技术发展的迫切要求，对高强度耐磨黄铜进行成分设计、热处理工艺的研究和生 产工艺的优化为实现同步器齿环国产化生产提供技术模型和理论依据。 中南大学硕士学位论文 2 1 实验的工艺流程 第二章实验过程与方案 为了达到研究目的，实验合金成分经过优化设计后，在g i 脚l e 1 5 0 0 热模拟 机上进行锻压模拟并进行热处理，然后通过对不同实验合金的对比分析，来探讨和 研究不同合金元素和工艺对高强度耐磨黄铜的组织和性能的影响。实验合金的具体 加工工艺流程如图2 一l 。 图2 1 合金加工工艺流程 1 2 中南大学硕士学位论文 2 2 实验合金的制各 2 2 1 成分优化设计 为了提高材料的强度，高强度耐磨黄铜的设计一般可通过固溶强化、颗粒强化 和位错强化等途径来达到提高强度和耐磨性的目的乜1 1 。 实验合金是在简单黄铜中加入a l 、b 、f e 、s i 、s n 、p b 等元素，并进行一定的 成分调整，主要是政变a 1 、f e 、s i 的含量观察其组织结构，测定合金的性篦， 以提高强度和耐磨性为目的。特配制了5 种合金，见表2 一l 。 表2 1 实验合金成分范围 合金化学成分( i t ) 编号c u a ls if e s np b知 l5 6 6 00 9 l - 61 5 2 00 4 0 70 7 l 00 1 0 3 0 1 0 3余量 25 8 6 2l 9 2 7l - 4 2 50 4 0 70 7 1 0o 1 0 30 1 0 3 余量 35 8 一6 22 6 3 31 6 2 5n 4 n7 0 j7 1 0n i 30 1 0 3 拿量 45 8 6 22 7 3 32 5 3 20 4 0 70 7 1 0n 1 0 30 1 0 3 余量 56 45 o 6 06 o 7 o o - 4 o 7也7 1 0 o 1 o 30 1 0 3余量 为进一步改善合金的显微组织和力学性能，在表2 1 合金4 的基础上加入不同 量的稀土来研究稀土对复杂黄铜的作用过程及机制。如表2 2 。 表2 2 实验合金成分范围 台金化学成分( i t ) 编号c ua l蹬f b 铀p b r ez n 65 8 6 22 7 3 32 ，5 3 20 4 0 70 7 l _ 00 1 0 30 1 0 3o 0 5 余量 75 8 6 22 7 3 32 5 3 20 4 0 7 0 7 1 0 0 1 0 30 1 0 30 1余量 85 b 6 22 7 3 32 5 3 20 4 o 7吼7 l - o0 1 o 30 1 0 30 2 余量 95 8 6 22 7 3 32 5 3 2o 4 0 7n7 1 0o 1 0 30 1 0 30 4 余量 注；匝为捏合稀土富c e ( 4 5 ，一) 2 2 2 配料、熔炼和铸造 2 2 2 1 配料 在配料的时候，确定备金各组元的配料比及易耗组元的补偿量，并且在保证合 金的主成分及杂质含量符合国家标准的前提下，尽可能少用新料。烧损率的选用嘲， z n 、 l 、l h l 取上限，c u 、s n 、s i 、陆、f e 取中限、下限，如表2 3 。 中南大学硕士学位论文 表2 _ 3 金属烧损率1 l 金属 加加s n 1s ihf 吾盹 舵 i 烧损事 o 5 l _ 52 8l 32 45 1 0 2 3l 2舒 2 2 2 2 终炼 熔炼在g t w - 0 1 7 工频感应电炉进行，本实验选用木炭为覆盖剂，精炼剂为 5 咙冰晶石( n a 舢f ) + 5 哦小苏打( n 啦仉) 。覆盖剂先加入炉内，而精炼剂是合金全 部熔化后加入，加入量约为0 器1 。采用石墨坩锅。熔炼温度为1 0 5 0 1 1 5 0 ， 加料顺序为：c u 、a 卜s i 、a l f e 、s n 、p b 、z n 、r e 。 2 2 2 3 铸造 采用铁模铸造，模温约为1 0 0 ，浇成扁锭。在浇注过程中采用有电磁搅拌 和无电磁搅拌两种。在电动力作用下使坩锅中的金属液自动的进行强烈搅拌，它为 铸造过程保证合金成分均匀创造了条件。磁感应电动势可由下式确定： e 2 = 4 蝴1 0 ( 2 一1 ) 式中w 一感应器匝数： f 一电流频率，赫兹； 巾一磁通，韦伯； b 一炉料中感应电动势，伏。 将两种不同工艺铸造的合金取样进行成分分析、显微组织观察、力学性能测试。 2 3 工厂中试实验 2 3 1 熔炼 熔炼的技术关键是熔体的充分合金化及成分的控制。将实验的7 号合金进行工 业性实验，一炉的总重量为4 5 暇g 。7 号合金的成分如表2 5 。 表2 57 号合金的成分范围 篙 化孥虚分( t x ) 0 1 i矗h翻- k岛h舡“ i 7 5 8 眈i2 7 3 3 2 5 3 20 4 0 70 7 1 00 1 o 30 1 o 30 1 余量 2 3 2 铸造 1 4 甲雨大学硕士学位论文 在立式铸造机上进行连续铸造圆，铸造应注意结晶器的改造、浇铸温度、停一 拉制度等因素。熔炼铸成m 6 7 5 ，5 7 5 蛐的圜环，铸锭组织要求致密，无疏松。 2 4 热模拟 2 4 1 实验目的 ( 1 ) 主要进行以下两个生产方案的模拟： 铸锭一挤压一模锻 铸锭一模锻 ( 2 ) 测定各合金高温下的6 。 2 4 2 实验设备和样品选取 在g l e e b l e1 5 0 0 材料热模拟实验机上进行模拟，如图2 2 。试样是用线切割机 切割成由l o 1 0 蚺的圆柱体。 幻睡v 珏 _ l s 枉函丽露落 璃参 s 翱国诅稳落 i 箱 s 潮 s 姆e l 2 4 3 实验条件 c l a l n p 图2 2 实验压缩示意图 采用石墨和玻璃的混合物作为润滑剂跚。合金在变形温度为7 5 0 ，应变速率为 1 s ，按6 嘴、7 雌、8 嘴的变形程度变形，并嗣定各合金高温下的6 。 为进行不同方案锻压过程的计算机数值模拟。将合金7 # 在变形温度为6 0 0 、 6 5 0 、7 、7 、8 0 0 ，应变速率为o 1s 1 、1 s 1 、1 0 s 1 下测定其应力一应变 曲线，为计算机数值模拟作准备。 2 5 热处理实验 中南大学硕士学位论文 对热模拟后的合金l 和合金7 样品用正交法安排实验进行淬火和时效。正交法 采用五因素四水平“，使用l 。( 4 。) 正交实验表。，如表2 4 所示。 本实验所用设备为箱式电阻炉，型号为s x 2 4 1 0 。 表2 4 正交实验因素水平表( l t 盯) 因素 淬火温度保温时间变形量时效温度时效时间 承乎 ( )( i n )( )( )( m i n ) l6 5 03 06 02 0 03 0 27 0 06 07 02 5 06 0 37 5 09 08 03 0 09 0 48 0 01 2 08 03 5 01 2 0 2 6 实验方法 2 6 1 金相实验及组织观察 本实验所用设备为n e o p h o t2 l 型卧式金相显微镜 实验工序： 取样一镶样一研磨( 水磨砂纸、1 号砂纸、3 号砂纸、5 号砂纸、7 号砂纸) 一 抛光一化学腐蚀一观察显微组织形貌及照相 本实验所用浸蚀剂为：( 铸态) f e n o 。( 2 9 ) + h c l ( 2 5 m 1 ) + 水余量。 ( 加工态) 浓硫酸( 8 m 1 ) + 重铬酸钾( k c r 0 。) 2 9 + 水( 1 0 0 m 1 ) 。 2 6 2 硬度实验 合金铸态、加工态、热处理态样品在b r i n e l lh a r d n e s st e s t e rh b e3 0 0 0 型布 氏硬度计上进行硬度测量，采用钢球的直径为5 珊，负荷7 j 0 0 n ，加载时问3 0 s ，每个 样品测量3 个数据，取平均值。 2 6 3 电子显微分析 扫描电镜分析是在k y k y2 8 0 0 扫描电镜( s e m ) 上进行的，试样用常规方法制备。 透射电镜分析在c m 2 0 0 型分析电镜上进行，微区成分由d x 一4 型x 一射线能谱仪进 行分析。样品先用砂纸减薄到o 1 衄，并尽可能消除大划痕，冲剪成巾3 咖圆片后在 m t p i i 型双喷电解仪上用7 硝酸+ 9 3 乙醇溶液最终减薄。双喷电压为1 0 一1 5 v ，电 流为6 08 0 【f i a ，用液氮冷却，温度控制在一1 5 。喷好的样品经酒精清洗后用滤纸包 好放入干燥器中保存，并尽快进行观察。 2 6 4 熔点测试 中南大学硕十学位论文 用日本理学差热分析仪一t a s l o o 对实验合金1 、7 和工业试生产合金进行熔点、 相变点测试。升温速度为2 0 分，氮气保护。 2 6 5 磨损实验 磨损实验在m h k 一5 0 0 环块试验机上进行，磨轮( 摩擦副) 为g c r l 5 钢，直径为 4 9 2 l m m ，表面粗糙度为1 6 3 。实验在4 0 k g 的负荷，转速为4 0 0 r m i n ，无任何润滑 条件下进行。 2 7 计算机模拟锻压变形过程 在h p 工作站上利用d e f o r m 有限元软件，进行两种不同工艺锻压过程的计算机 数值模拟，分析不同工艺下变形区内的等效应力、应变场和温度场的分布情况，为 工厂制定合理的锻压工艺提供依据。 中南人学硕十学位论文 第三章实验结果及分析 3 1 合金组织与分析 3 1 1 微量元素对合金组织的影响 化学成分的分析结果表明，各合金中加入的微量元素成分基本符合设计值。合 金的铸态组织均由0 基体相、a 相和一些弥散分布的颗粒相组成。如图3 1 a 是合 会1 的铸态组织的s e m 照片，图中a 、b 、c 处为能谱分析的部位，能谱分析的结果 见图3 1 。由能谱分析可知，弥散分布的白色的质点相为p b 相( a 处) ，针状相为。 柑( f 处) 。图3 2 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为合金l 、2 、3 的铸态组织的金相照片。由图 r 卜可以看出，合金3 的针状a 相的含量明显减少。这丰要因为合金中的a l 含量大大 影响了a 相和b 相的相对比率。高a l 含量的合金3 含有高的b 相体积百分数，而低 铝含量的合会l 含有很少量的b 相，中等铝含量的合金2 含有中等的b 相体积卣分 数。这反映出铝是p 相的稳定添加剂。 ( a ) l # 合金的s e m 照片( b ) a 处能谱分析 ( c ) b 处能谱分析( d ) c 处的能曙分析 图3 1l # 合金的铸态组织的s e m 分析 中南大学硕十学位论文 ( a ) 1 # 合金 ( c ) ： # 合金 ( e ) 7 # 合金 ( b ) 2 # 合金 ( d ) 4 # 合余 ( r ) 8 # 合余 幽3 2 合金的铸态组织的金相照片 a l 是强化母相的有效元素。a 1 的原子半径为1 4 3 a ，大于n j ( 原子半径为1 2 8 a ) 和z n ( 原子半径为1 3 7 a ) 的原子半径。 l 溶丁c u z n 合金巾以置换原子的形 式存在，当a l 置换了晶格中的c u 或z n 原予后，使晶体的固有应力场的周期性在局 部发! l 了变化，晶体的晶格发牛了一定的畸变，这样就引起了晶体弹性应力场发生 改变。当合金在外力作用下通过位错运动产生形变时，弹性应力场与运动位错发生 中南人学硕士学位论文 交互作用，增加了合金的变形阻力，从宏观上来看就提高了合金的强度。流变应力 的增加与溶质原予的浓度成正比。通常a l 含量的控制为不出现或少量出现y 相为宜。 幽3 一i ( c ) 的能谱分析的结果表明：w ( m n ) 为d o 5 4 ，w ( s i ) 为2 1 6 3 ，w ( c u + 7 n ) 为2 j 0 5 ，w ( f e ) 为1 2 7 9 。由文献“”。知是m n 。s i 。和f e 。s i 相。v a r l i 等人和s u n 等人研究了砖化镐( m n 。s i 。) 颗粒的结晶形态，他们发现其晶体结构为a = 6 ，9 和 c = 4 8a 的六边形， 这些作者还提出了m n j s i ，颗粒成核发