锰铜合金奥贝球铁齿轮啮合后表面组织特征探讨

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锰铜合金奥贝球铁齿轮啮合后表面组织特征探讨

　　摘 要:利用扫描电镜测试研究了锰铜合金奥贝球铁锥齿轮啮合后齿轮表面显微组织的演变。结果表明,齿轮啮合后其表面残余奥氏体转变成马氏体组织,显著提高了齿轮的表面硬度导致其耐磨性和使用寿命提高。
　　关键词:锰铜合金;奥贝球铁;齿轮;组织特征
　　奥贝球铁(ADI)以贝氏体型铁素体和奥氏体为基体组织,其中含有20-40%的奥氏体,赋予这种球铁较高的塑性和韧性,具有优异的综合机械性能。而且由于奥氏体具有加工硬化能力,能显著提高其疲劳强度和耐磨性。这种材料特别适合于替代20CrMnTi合金锻钢制造齿轮,并具有重量轻、噪声小,节省能源等优点。
　　与20CrMnTi合金锻钢齿轮相比,采用奥贝球铁制造齿轮可使产品重量减少10%,可减少汽车的燃油消耗和尾气排放。因此,采用奥贝球铁代替20CrMnTi合金钢制造汽车齿轮对节能降耗和汽车工业的发展具有战略意义。
　　以一种新型的锰铜合金奥贝球铁螺旋锥齿轮为对象,研究台架试验后齿轮啮合表面的显微组织演变规律。
　　
　　1 锥齿轮制备
　　
　　锰铜合金奥贝球铁的名义化学成分为:3.5C-2.5Si-xMn-0.04P-0.02S-yCu(wt%)。采用山西生产的Q12生铁为原料,工频炉熔化后采用冲人法球化处理,球化剂为FeSiMn8Re3合金,加人量1.5%。FeSi75作为孕育剂,并进行了强化孕育处理,孕育总量为0.9%。采用FeSi75、FeMn65和电解铜板调整化学成分,浇注手工潮模砂铸型获得齿轮毛坯,经机加工后进行等温淬火处理(900℃±10℃×2h+370±5℃×2h)和回火处理(300-350℃×2-4h)。依据QC/T533-1999《汽车驱动桥台架试样方法》对齿轮进行台架试验,随后对齿轮进行解剖取样。使用扫描电镜(型号为QUANTA-400)观察并拍摄金相组织。金相检测按GB/T9441-1988《球墨铸铁金相检验》评级,腐蚀剂为4%的硝酸酒精溶液。采用HX-1000TM型维氏显微硬度计测量齿轮的表面显微硬度,测三点取平均值。
　　
　　2 齿轮不同部位显微组织
　　
　　图1为锰铜合金奥贝球铁螺旋锥齿轮电镜照片部位示意图。图2 为螺旋锥齿轮横向不同部位(点1-点5)电镜照片。
　　图2 (a)放大了3000倍,可以清晰的看到上边缘硬化的表层,由外至内可分为三个明显的区域:表面硬化层,宽度约为30μm;过渡层,宽度约为10μm;基体组织。在表面硬化层内可观察到针状马氏体组织。由于基体组织中有大量的残余奥氏体存在,工作时表层的残余奥氏体发生冷作硬化和形变效应引起马氏体相变,马氏体组织引起表面硬度增加。此外,马氏体相变伴随着4%的体积膨胀,因此在工件表面形成压应力,从而显著提高齿轮表面的耐磨性和疲劳强度。在靠近边缘的地方可以观察到被碾碎的石墨球,部分连接在一起,有些甚至成为石墨层。马氏体组织增加表面硬度以及石墨层的润滑作用均可显著提供材料的耐磨性和使用寿命。
　　  
　　往齿轮心部方向继续观察,图2(b)对应于图1中的点2,可观察到羽毛状的上贝氏体和残余奥氏体。四周的上贝氏体比较细小,而中间的上贝氏体比较粗大,奥氏体含量相对增多。图2(c)对应于图1中的点3,可看出,心部位置的上贝氏体比较粗大,原因是齿轮厚度造成的差异,边缘冷却速度较快,而中间部分冷却速度相对较慢。图2(d)对应图1中的点4,比点

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　　3处的组织相对细小,并未见齿轮背面处的组织发生相变。
　　图3为锰铜合金奥贝球铁螺旋锥齿轮纵向不同部位电镜照片。图3(a),3(b)对应于图1中的点a,为顶部组织。图3(a)放大倍数为100倍,按照GB/T9441-1988《球墨铸铁金相检验》评级,球化级别为1级。石墨球的细小意味着共晶团的细小,增加了材料的力学性能,此外,石墨球能降低齿轮啮合时的摩擦系数,提高齿轮的使用寿命。 由图3(b)可以看到诱变后的马氏体组织,其组织形态为板条状。因此,齿轮啮合处的表面硬度比较大。图3(c)对应于图2中的点b,为奥贝球铁的正常组织。图3(d)对应于图2中的点c,由于接近心部位置,组织比较粗大。图3(e)对应于图1中的点d,可观察大石墨球、残余奥氏体、上贝氏体和珠光体的混合组织组织。珠光体的存在是由于螺旋锥齿轮的厚度较大,不易淬透所造成。图3(f)对应于图1中的点e,放大倍数为10000倍,可看到石墨球以及石墨球周围未淬透的层片状珠光体组织。
　　  

　　由图3(a)可知,由于齿轮生产时放置了冷铁,石墨球数高达480个/mm2,石墨球径为1.5μm;不墨大小级别为8级,球代率97%,球代级别为1级。
　　螺旋锥齿轮中不同组织的显微硬度见表1。由表可知,诱变马氏体的硬度最高,提高了齿轮表面的耐磨性,从而提高了齿轮的使用寿命。由马氏体、碳化物和残余奥氏体的混合组织形成的白亮区的硬度次之。上贝氏体的硬度比白亮区小,比残余奥氏体的大,而珠光体(索氏体)的硬度值略高于残余奥氏体。
　　
　　3 结论
　　
　　锰铜合金奥贝球铁螺旋锥齿轮啮合后,其表面的残余奥氏体转变成马氏体组织,其显微硬度高达852HV,可显著提高齿轮的耐磨性和使用寿命。

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