專利名稱：一種汽車同步器用齒環(huán)合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料合金化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種汽車同步器用齒環(huán)合金材料。
背景技術(shù)：
同步器齒環(huán)是汽車變速箱的重要部件，能降低汽車換擋過程中的沖擊、震動和噪聲，提高汽車操縱的穩(wěn)定性和行駛的安全性。由于換擋齒輪與連接齒輪要在一至兩秒鐘內(nèi)加速、減速至同步換擋，這種快速、多變的摩擦、應(yīng)力作用，使同步器齒面處于極端惡劣的工作條件下，對同步器齒環(huán)材料的設(shè)計提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，高可靠性和長壽命是對齒環(huán)材料設(shè)計的基本要求。一般認(rèn)為，齒環(huán)的壽命取決于材料的耐磨性，齒環(huán)的耐磨原理是軟基體+硬顆粒。目前，黃銅同步器齒環(huán)的壽命并不能令人滿意，且同步器齒環(huán)的磨損機(jī)制是嚴(yán)重的粘著磨損。硬顆粒之間不會發(fā)生粘著磨損；只有硬顆粒與軟基體之間、軟基體與軟基體之間才會發(fā)生粘著磨損。說明齒環(huán)的軟基體不足以支撐硬顆粒，齒環(huán)材料的基體強(qiáng)度不足是影響齒環(huán)壽命的主要原因。傳統(tǒng)的黃銅齒環(huán)合金多是雙相黃銅，a相在合金基體中的比例最高可達(dá)23%，其余為P相。眾所周知，a相是面心立方晶格的Cu基固溶體，晶格常數(shù)為3. 608-3. 693A;而^相是體心立方晶格的Cu-Zn基固溶體，晶格常數(shù)為2. 942-2. 949A。由于兩種固溶體的合金基體不同、晶體結(jié)構(gòu)不同、結(jié)晶形貌不同(a相呈細(xì)長的針狀析出，P相呈不規(guī)則的塊狀分布)、固溶特性不同、時效析出產(chǎn)物不同，導(dǎo)致兩種固溶體的基體強(qiáng)度和耐磨性能不同，從而對齒環(huán)的壽命產(chǎn)生影響。
合金牌號為HMn57-2-2-0. 5、HMn59-2_l. 5-0. 5、HMn64-8-5-l. 5 是三種典型的雙相黃銅齒環(huán)合金，三種合金均是通過向合金基體中加入0. 3%-0. 8%的鉛，依靠鉛在材料基體中形成自潤滑減磨質(zhì)點，達(dá)到提高齒環(huán)壽命的目的。由于鉛在高溫下可以大量固溶于3相中，在a相中鉛幾乎不溶。鉛在a黃銅中是有害雜質(zhì)，常以顆粒狀分布在晶界上，含量達(dá)到0.03%時即使合金產(chǎn)生熱脆性，鉛只對P相黃銅具有潤滑作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述已有技術(shù)存在的不足，提供一種耐蝕抗磨長壽命汽車同步器用齒環(huán)合金材料。上述目的是通過下述方案實現(xiàn)的
一種汽車同步器用齒環(huán)合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為 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 I. 0-5. 0%、Fe 0. 5-1. 5%、Si 0. 3-1. 6%、Al I. 3-6. 0%、PbO. 1-1. 0%、稀土 0. 05-0. 20%,雜質(zhì)總量不大于0. 05%,余量為鋅。一種汽車同步器用齒環(huán)合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為 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%, Ni0. 6-1. 1%、Mn I. 6-2. 0%、Fe 0. 4-0. 7%、Si 0. 6-0. 9%、Al I. 4-1. 7%、Pb 0. 3-0. 6%、稀土0. 05-0. 12%，雜質(zhì)總量不大于0. 03%，余量為鋅。一種汽車同步器用齒環(huán)合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為 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%, Sb0. 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%，雜質(zhì)總量不大于0. 03%，余量為鋅。本發(fā)明的有益效果本發(fā) 明通過合金的固態(tài)相變，使鉛由晶界轉(zhuǎn)移至晶粒內(nèi)，對合金起到自潤滑作用，改善合金的切削性能。通過多組元合金化-多級熱處理和高溫固溶-雙級時效工藝，實現(xiàn)齒環(huán)合金多相、多尺度強(qiáng)韌化，使粒子的硬度與基體的韌性得到最佳的配合，在極端惡劣的沖擊條件下保持良好的使用性能和較長的使用壽命。
具體實施例方式本發(fā)明的汽車同步器用齒環(huán)合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為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 I. 0-5. 0%、Fe 0. 5-1. 5%、Si 0. 3-1. 6%、Al I. 3-6. 0%、PbO. 1-1. 0%、稀土 0. 05-0. 20%,雜質(zhì)總量不大于0. 05%，余量為鋅。另一種實施例的合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為Cu 51. 0-56. 0%、Sn0. 3-0. 5%、Ti 0. 5-0. 8%、Zr 0. 03-0. 05%、B 0. 03-0. 06%、Ni 0. 6-1. 1%、Mn I. 6-2. 0%、Fe0. 4-0. 7%、Si 0. 6-0. 9%、Al I. 4-1. 7%、Pb 0. 3-0. 6%、稀土 0. 05-0. 12%,雜質(zhì)總量不大于0. 03%，余量為鋅。另一種實施例的合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為Cu 58. 0-63. 0%、Sn0. 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%,雜質(zhì)總量不大于0. 03%，余量為鋅。制備上述合金的工藝流程
3 ⑴通過合金在加熱、冷卻過程中發(fā)生的固態(tài)相變(a + 0 ^ )，首先使鉛大量固溶于@相中，依靠相變重結(jié)晶過程，將鉛由晶界轉(zhuǎn)移至晶粒內(nèi)，對合金起到自潤滑作用，同時改善合金的切削性能。⑵通過多組元合金化以及后續(xù)的多級熱處理工藝，實現(xiàn)齒環(huán)合金多相、多尺度強(qiáng)韌化。主要的強(qiáng)化相包括TiSn、Ni3Ti、Ni3Al、MnNi、Mn5Si3& Fe3Si等，這些強(qiáng)化相硬度高、穩(wěn)定性好，與基體材料有較好的共格關(guān)系。有些強(qiáng)化相強(qiáng)化合金基體，有些提高合金的耐磨性能。⑶通過采用高溫固溶-雙級時效工藝，使合金元素從過飽和固溶體中析出，形成多相、多尺度的強(qiáng)化相。較大尺度的強(qiáng)化相周圍因為脫溶反應(yīng)形成固溶體的貧化微區(qū)，該微區(qū)處在基體固溶體與沉淀析出相之間，與基體固溶體和沉淀析出相之間均保持良好的共格適配關(guān)系，使粒子的硬度與基體的韌性得到最佳的配合。⑷采用多組元復(fù)合添加方式、并在此基礎(chǔ)上復(fù)合添加適量的微量元素，在合金化、微合金化、固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，引入了多相、多尺度沉淀強(qiáng)化機(jī)理，在堅硬的沉淀粒子周圍，通過形成納米級的無析出微區(qū)對粒子進(jìn)行“包裹”，該微區(qū)實質(zhì)上是一種固溶體的貧化區(qū)，較基體和粒子軟(有較好的彈性和塑性)，處在基體固溶體與沉淀析出相之間，與基體固溶體和沉淀析出相之間均保持良好的共格適配關(guān)系。該微區(qū)與粒子結(jié)合在一起，使沉淀析出相既硬且韌，使合金在極端惡劣的沖擊條件下保持良好的使用性能和較長的使用壽命。(5)合金的鍛造加熱與高溫固溶過程應(yīng)該在惰性氣體保護(hù)的環(huán)境下進(jìn)行，防止在高溫條件下合金發(fā)生晶界氧化現(xiàn)象，影響齒環(huán)合金的耐磨性能。(6)合金在固溶過程中要控制好固溶溫度和固溶時間，防止出現(xiàn)晶粒醋化現(xiàn)象。(7)合金在回火和二次時效的過程中，要防止早期析出的粒子粗化，過分粗化的粒子會失去與基體的共格關(guān)系，不但不能提高合金的性能，本身反而成為一種裂紋源。(8)合金在雙級時效時要控制好時效溫度和時效時間，防止在雙級時效時形成的晶界無析出帶和粒子周圍的無析出微區(qū)尺寸過大。過大的無析出區(qū)會損害晶粒與晶粒之間、粒子與基體之間的最佳的配合性能，降低合金的壽命和耐磨性。⑶不同成分合金的鍛造變形、固溶處理、時效、回火以及再時效工藝之間要合理匹配，使析出相的形態(tài)、粒度、分配狀態(tài)以及無析出區(qū)的尺寸最優(yōu)。析出相為球狀，無析出區(qū)和析出相為納米級，無析出微區(qū)的寬度為粒子直徑的五分之一至六分之一為最佳。實施例I
將質(zhì)量百分比為50%的Cu放入工頻爐中熔煉，待銅開始軟化后，在銅表面覆蓋一層木炭。木炭的用量為每噸銅15-25kg。熔煉溫度為1180-1200°C。向熔化的銅液中加入質(zhì)量百分比4. 3%的Ni，使金屬鎳通過合金化而溶解入銅液中。待Ni熔化后，向熔化的銅液中加入質(zhì)量百分比1. 1%的Fe，使金屬鐵通過合金化而溶解入銅液中。向銅液中加入質(zhì)量百分比為
3.5%的Al和13%的Cu ;利用鋁的溶解熱熔化冷料銅，達(dá)到降低能耗和金屬燒損的目的。待加入的Al和Cu熔化后，向銅液中加入質(zhì)量百分比20 %的Zn，熔煉溫度為1160-1180°C;采用先加鋁后加鋅，可以利用鋁脫氧并在銅液表面形成氧化鋁保護(hù)膜，減少銅液吸氣和隨后的鋅損失。待金屬Zn熔化后，向銅液中加入Cu-Mn和Cu-Ti中間合金，使成品合金中Mn和Ti的質(zhì)量百分比為4 %和I. 1% ;向銅液中加入Si，使成品合金中Si的質(zhì)量百分比為I. 5% ；向銅液中加入Pb，使成品合金中Pb的質(zhì)量百分比為0. 9% ;向銅液中加入Sn或Cu-Sn中間合金，使成品合金中Sn的質(zhì)量百分比為0. 7% ;向銅液中加入Sb，使成品合金中Sb的質(zhì)量百分比為0. 04% ;向銅液中加入Cu-Zr中間合金，使成品合金中Zr的質(zhì)量百分比為0. 06% ;向銅液中加入Cu-B中間合金，使成品合金中B的質(zhì)量百分比為0. 06%。向銅液中加入鑭、鈰稀土或鑭、鈰稀土氧化物，使成品合金中鑭或鈰的質(zhì)量百分比為0. 08% ；
待加入的中間合金熔化后，將銅液溫度調(diào)整到1160-1180°C之間，用高純氮氣或者氬氣作為載氣，向銅液中吹入0. 1%-0. 2%的冰晶石精煉劑，清除銅液中的氧化鋁夾雜。吹入時，要注意不留死角和盲區(qū)。氣體吹煉時間為3-5分鐘。取樣分析，待合金成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求后，將銅液升溫至1160-1180°C，隨后，出爐。按照此方法所制備的銅合金成分為(質(zhì)量百分比):4. 1%的Ni、I. 03%的Fe、I. 14%的 Ti,4. 02% 的 Mn,2. 7% 的 Al、19. 3% 的 Zn、I. 5% 的 Si、0. 87% 的 Pb、0. 72% 的 Sn、0. 04% 的Sb、0. 063%的Zr、0. 059%的B、稀土總量0. 082% (含鑭和鈰)，余量為銅。實施例2
將質(zhì)量百分比為45%的Cu放入工頻爐中熔煉，待銅開始軟化后，在銅表面覆蓋一層木炭。木炭的用量為每噸銅15-25kg。熔煉溫度為1180-1200°C。向熔化的銅液中加入質(zhì)量百分比1. 1%的Ni，使金屬鎳通過合金化而溶解入銅液中。待Ni熔化后，向熔化的銅液中加入質(zhì)量百分比0. 7%的Fe，使金屬鐵通過合金化而溶解入銅液中。向銅液中加入質(zhì)量百分比為2. 0%的Al和11%的Cu ;利用鋁的溶解熱熔化冷料銅，達(dá)到降低能耗和金屬燒損的目的。待加入的Al和Cu熔化后，向銅液中加入質(zhì)量百分比38 %的Zn，熔煉溫度為1060-1100°C。待金屬Zn熔化后，向銅液中加入Cu-Mn和Cu-Ti中間合金，使成品合金中Mn和Ti的質(zhì)量百分比為2%和0. 8% ;向銅液中加入Si，使成品合金中Si的質(zhì)量百分比為0. 9% ;向銅液中加入Pb，使成品合金中Pb的質(zhì)量百分比為0. 5% ；向銅液中加入Sn或Cu-Sn中間合金，使成品合金中Sn的質(zhì)量百分比為0. 4% ；向銅液中加入Cu-Zr中間合金，使成品合金中Zr的質(zhì)量百分比為0. 04% ;向銅液中加入Cu-B中間合金，使成品合金中B的質(zhì)量百分比為0. 04%。向銅液中加入鑭、鈰稀土或鑭、鈰稀土氧化物，使成品合金中鑭或鈰的質(zhì)量百分比為0. 09% ；待加入的中間合金熔化后，將銅液溫度調(diào)整到1060-1100°C之間，用高純氮氣或者氬氣作為載氣，向銅液中吹入0. 1%-0. 2%的冰晶石精煉劑，清除銅液中的氧化鋁夾雜。吹入時，要注意不留死角和盲區(qū)。氣體吹煉時間為3-5分鐘。取樣分析，待合金成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求后，將銅液升溫至1060-1100°C，隨后，出爐。按照此方法所制備的銅合金成分為(質(zhì)量百分比):1. 0%的Ni、0. 67%的Fe、0. 78%的 Ti、I. 94% 的 Mn、I. 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、稀土總量0. 088% (含鑭和鈰)，余量為銅。實施例3
將質(zhì)量百分比為50%的Cu放入工頻爐中熔煉，待銅開始軟化后，在銅表面覆蓋一層木炭。木炭的用量為每噸銅15-25kg。熔煉溫度為1180-1200°C。向熔化的銅液中加入質(zhì)量百分比I. 1%的Ni，使金屬鎳通過合金化而溶解入銅液中。待Ni熔化后，向熔化的銅液中加入質(zhì)量百分比I. 2%的Fe，使金屬鐵通過合金化而溶解入銅液中。向銅液中加入質(zhì)量百分比為4. 0%的Al和13%的Cu ;待加入的Al和Cu熔化后，向銅液中加入質(zhì)量百分比28 %的Zn，熔煉溫度為1120-1170°C。待金屬Zn熔化后，向銅液中加入Cu-Mn和Cu-Ti中間合金，使成品合金中Mn和Ti的質(zhì)量百分比為4%和0. 9% ；向銅液中加入Si，使成品合金中Si的質(zhì)量百分比為0. 5% ;向銅液中加入Sn或Cu-Sn中間合金，使成品合金中Sn的質(zhì)量百分比為0. 5% ；向銅液中加入Sb，使成品合金中Sb的質(zhì)量百分比為0. 03% ；向銅液中加入Cu-Zr中間合金，使成品合金中Zr的質(zhì)量百分比為0. 04% ;向銅液中加入Cu-B中間合金，使成品合金中B的質(zhì)量百分比為0. 04%。向銅液中加入鑭、鈰稀土或鑭、鈰稀土氧化物，使成品合金中鑭或鋪的質(zhì)量百分比為0. 09% ；
待加入的中間合金熔化后，將銅液溫度調(diào)整到1060-1100°C之間，用高純氮氣或者氬氣作為載氣，向銅液中吹入0. 1%-0. 2%的冰晶石精煉劑，清除銅液中的氧化鋁夾雜。吹入時，要注意不留死角和盲區(qū)。氣體吹煉時間為3-5分鐘。取樣分析，待合金成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求后，將銅液升溫至1060-1100°C，隨后，出爐。按照此方法所制備的銅合金成分為(質(zhì)量百分比)1. 03%的Ni、l. 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、稀土總量0. 089% (含鑭和鈰)，余量為銅。
權(quán)利要求
1.一種汽車同步器用齒環(huán)合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為 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 I. 0-5. 0%、Fe 0. 5-1. 5%、Si 0. 3-1. 6%、Al I. 3-6. 0%、PbO. 1-1. 0%、稀土 0. 05-0. 20%,雜質(zhì)總量不大于0. 05%，余量為鋅。
2.一種汽車同步器用齒環(huán)合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為 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 I. 6-2. 0%、Fe 0. 4-0. 7%、Si 0. 6-0. 9%、Al I. 4-1. 7%、Pb 0. 3-0. 6%、稀土.0. 05-0. 12%，雜質(zhì)總量不大于0. 03%，余量為鋅。
3.一種汽車同步器用齒環(huán)合金材料，其特征在于，所述合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為 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%，雜質(zhì)總量不大于0. 03%,余量為鋅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種汽車同步器用齒環(huán)合金材料，所述合金材料包含元素的質(zhì)量百分比為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%，雜質(zhì)總量不大于0.05%，余量為鋅。本發(fā)明通過多組元合金化-多級熱處理和高溫固溶-雙級時效工藝，實現(xiàn)齒環(huán)合金多相、多尺度強(qiáng)韌化，使粒子的硬度與基體的韌性得到最佳的配合，在極端惡劣的沖擊條件下保持良好的使用性能和較長的使用壽命。
文檔編號C22C9/04GK102618748SQ20121010966
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者楊志強(qiáng), 賀永東 申請人:金川集團(tuán)有限公司