專利名稱：降擋鼓輪材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造汽車的降擋鼓輪(kick down drum)的材料和該材料的制造方法。
背景技術(shù)：
一般來說，如汽車自動變速機(jī)構(gòu)中的離合器等傳動元件通常用具有良好延展性的不銹鋼制造以提高加工性能。具體來說，只考慮到不銹鋼的延展性，各零件頻繁接觸的自動變速機(jī)構(gòu)中的齒槽部件是用不銹鋼來制造的。然而，操作離合器時的頻繁接觸所產(chǎn)生的摩擦不能防止該零件受氣候的影響或變形。各零件彼此接觸的自動變速機(jī)構(gòu)中的這種零件中的一個是在降擋鼓輪中，該降擋鼓輪通過在使第二齒輪和第四齒輪換檔時限制反向中心齒輪來實現(xiàn)變速換檔。
實際上，行車?yán)锍虨?0,000-80,000英里的汽車通常都存在齒槽部件的前端磨損帶來的變速換檔問題。上述現(xiàn)象的主要原因是用于制造降擋鼓輪的材料是硬度為190Hv的熱處理的SPHD，而其配合零件，反向中心齒輪的表面硬度為650Hv。
下面的表1顯示了用于制造降擋鼓輪的SPHD材料的成分。該SPHD包含少量的碳因此不具備所希望的強(qiáng)度和硬度。
表1

上面表1中的SPHD主要包括鐵素體以及極少量珠光體，其硬度為180-190Hv，屈服強(qiáng)度為244Mpa，拉伸強(qiáng)度為364Mpa，延伸率為41％，因此導(dǎo)致了齒槽部件中輪齒的磨損和斷裂。因此，在一種提高齒槽部件抗磨損性能的備選方案中，該齒槽部件用滲碳/熱處理過的具有良好熱處理性能的材料制造，并將其焊接到將要使用的降擋鼓輪上。然而，這需要完成例如焊接和熱處理等額外工藝，增加了制造成本并增加了現(xiàn)有工藝的復(fù)雜性。該降擋鼓輪由兩部分，(SPHD制造的)鼓輪部件和(由SCr420H1制造的)輪轂部件(boss part)組成，該輪轂部件的成分在下面表2中列出。
表2

按照此方法制造降擋鼓輪，輪轂部件(齒槽部件)只通過滲碳/熱處理來硬化，隨后焊接到將使用的降擋鼓輪中。然而，額外的步驟增加了制造成本，通過滲碳增加了表面硬度(8307-836Hv)，隨后在由于硬化而出現(xiàn)過載時導(dǎo)致增加其配合零件的磨損并增加了齒槽部件中的裂紋，在某些情況下甚至導(dǎo)致齒槽部件的斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于汽車降擋鼓輪的具有良好淬硬性以及成形性的材料，其包括精細(xì)鐵素體和微觀分散的球狀滲碳體。
本發(fā)明還提供了一種用上述材料制造降擋鼓輪，從而通過高頻熱處理來保證持久性和降低成本的方法。


下面，從結(jié)合附圖對本發(fā)明所進(jìn)行的描述中，本發(fā)明的上述和其它的目的和特征將更加清楚，其中圖1顯示了本發(fā)明的降擋鼓輪，其包括精細(xì)鐵素體和微觀分散的球狀滲碳體；圖2顯示了對本發(fā)明的降擋鼓輪的齒槽部件進(jìn)行熱處理的裝置；圖3顯示了將被熱處理的齒槽部件的圖；圖4顯示了本發(fā)明材料的熱處理后組織的照片，顯示了馬氏體的完全相變。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種用于制造汽車降擋鼓輪的包括精細(xì)鐵素體和微觀分散的球狀滲碳體的材料，和一種制造該降擋鼓輪材料的方法。具體來說，根據(jù)本發(fā)明制造的降擋鼓輪能夠顯著改善齒槽部件的淬硬性和持久性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種通過在150-200℃/s的速率冷卻碳鋼制備的包括精細(xì)鐵素體和微觀分散的球狀滲碳體的降擋鼓輪材料，其中該碳鋼包括主要成分Fe，約0.32-約0.38wt％的C，約0.15-約0.35wt％的Si，約0.60-約0.90wt％的Mn，約0.03wt％或更少的P，約0.035wt％或更少的S，約0.02wt％或更少的Cr以及其它雜質(zhì)。
本發(fā)明還提供了一種制造上述降擋鼓輪的方法，其中該方法包括以下步驟(a)在齒槽部件的內(nèi)環(huán)(internal circumference)空間中引入一個加熱線圈，同時在按上述方法制備的降擋鼓輪的齒槽部件的頂部覆蓋一個熱密封罩；(b)在100kHz和94kW的條件下，在900-950℃的溫度對該降擋鼓輪進(jìn)行3-5秒鐘的加熱，同時水冷卻該降擋鼓輪；和(c)在電爐中以140-150℃的溫度將其回火1小時。
優(yōu)選地，上述方法中的降擋鼓輪在一個預(yù)定的旋轉(zhuǎn)夾具中以100-200rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，以對降擋鼓輪的齒槽部件進(jìn)行均勻熱處理。
以下將對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
本發(fā)明的獨(dú)特特征是使用了一種具有良好淬硬性和易成形性的碳鋼材料，通過以150-200℃/s的冷卻速率冷卻該碳鋼材料以用于制造汽車自動變速機(jī)構(gòu)的降擋鼓輪，該碳鋼材料包括主要成分Fe，約0.32-約0.38wt％的C，約0.15-約0.35wt％的Si，約0.60-約0.90wt％的Mn，約0.03wt％或更少的P，約0.035wt％或更少的S，約0.02wt％或更少的Cr以及材料中的其它雜質(zhì)，如圖1所示，其包括精細(xì)鐵素體和微觀分散的球狀滲碳體。
本發(fā)明中降擋鼓輪材料的淬硬性取決于碳含量。如果碳含量低于0.32wt％，則所得表面硬度低于650Hv，也就是其配合零件的淬硬性，因此顯著增加了磨損。相反，如果碳含量高于0.38wt％，則導(dǎo)致了延伸率的降低，并因此可能降低可成形性。
在制造本發(fā)明的降擋鼓輪的過程中，如果冷卻速率低于150℃/s，則防止了初生鐵素體和分層結(jié)構(gòu)的形成，因此減輕了對鐵素體細(xì)化的影響，而從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性的角度考慮，高于200℃/s的冷卻速度是不合要求的。
本發(fā)明中的降擋鼓輪材料是通過將冷卻速率精確控制在150-200℃/s的范圍內(nèi)來制備的。本發(fā)明的降擋鼓輪材料包括0.34wt％的相當(dāng)高的碳含量，但表現(xiàn)出36％的良好延伸率，244Mpa的屈服強(qiáng)度以及364Mpa的拉伸強(qiáng)度。該齒槽部件整體形成在本發(fā)明降擋鼓輪的上部。由于齒槽部件與其配合零件之間在組合狀態(tài)下操作時頻繁接觸，齒槽部件是產(chǎn)生磨損和變形的地方，因此要求該部件具有良好的抗磨損性能。因此，對齒槽部件進(jìn)行了高頻熱處理，其方法將在下面介紹。
圖2顯示了對本發(fā)明的降擋鼓輪的齒槽部件進(jìn)行熱處理的裝置，圖3顯示了將被熱處理的齒槽部件。首先將用上述材料制造的降擋鼓輪設(shè)置在旋轉(zhuǎn)夾具的頂部，隨后用一端罩蓋住以防止在加熱線圈引入齒槽部件的內(nèi)環(huán)空間時，熱在降擋鼓輪的上部整體成形的齒槽部件的外環(huán)空間周圍傳播。然后，在頻率為100kHz，電壓為94kW，在900-950℃的溫度進(jìn)行3-5秒鐘的加熱的條件下進(jìn)行水冷卻處理，接著在傳統(tǒng)電爐中在140-150℃的溫度進(jìn)行1小時的回火處理。考慮到該特定部件的特點(diǎn)，將齒槽部件的厚度定為約2.9mm。用100kHz的裝置不可能在齒槽部件的內(nèi)環(huán)周圍進(jìn)行熱處理，而需要至少400kHz的裝置。然而，本發(fā)明使100kHz條件下的熱處理成為可能，同時由于齒槽部件的外環(huán)被隔熱罩所覆蓋，因此最大化地防止了熱釋放。
當(dāng)降擋鼓輪的轉(zhuǎn)速低于100rpm或在停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行熱處理時，通過加熱線圈的磁場所加熱的試樣的溫度分布不均勻，因此難以得到均勻的硬化，而轉(zhuǎn)速超過200rpm時又不經(jīng)濟(jì)。
當(dāng)齒槽部件在低于900℃的溫度下熱處理時，由于高頻熱處理的特性，加熱過程非常迅速，不能使整個結(jié)構(gòu)完成奧氏體相變，因此不能得到馬氏體組織。此外，如果溫度超過950℃，所得效果并不明顯并且奧氏體晶粒不能過度長大，因此不合要求。
如果熱處理時間少于3秒，目標(biāo)溫度不能到達(dá)整個目標(biāo)區(qū)域，因此不能獲得均勻的硬度，而如果熱處理時間超過5秒將導(dǎo)致過度的氧化皮，因此需要額外的處理過程。
如上所述，該馬氏體組織是奧氏體在高溫下強(qiáng)制快速冷卻得到的不穩(wěn)定組織，因此有必要對其進(jìn)行回火處理以獲得穩(wěn)定組織。如果回火在低于140℃的溫度進(jìn)行，則所得效果不明顯，而如果回火溫度高于150℃，則導(dǎo)致試樣表面的硬度降低。
下面基于以下的實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明，但這些實施例不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制。
用本發(fā)明的材料(見表3)制造的降擋鼓輪的齒槽部件包括精細(xì)鐵素體和微觀分散的球狀滲碳體，其中碳含量為0.34wt％，延伸率為36％，并在以下條件下進(jìn)行熱處理。
表3

熱處理條件頻率100kHz電壓94kW溫度900-950℃時間3-5秒，水冷加熱線圈設(shè)計水平和垂直加熱線圈在上述熱處理條件下，齒槽部件的外環(huán)被一(由S45C制成的)隔熱罩覆蓋，并且該齒槽部件在被安裝到預(yù)定的旋轉(zhuǎn)夾具上后以100-200rpm的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以獲得均勻熱處理。熱處理后，在電爐中在140-150℃的溫度下對其進(jìn)行1小時的回火處理。隨后用傳統(tǒng)裝置測量齒槽部件的硬度，結(jié)果表明齒槽部件的內(nèi)，外表面的硬度小于320Hv，因此防止了在齒槽部件內(nèi)表面過載時出現(xiàn)裂紋。此外，隨著高頻的引入，可以獲得高于600Hv的硬度，且圖4中顯示的組織分析表明，其中存在馬氏體相變。
對比例1進(jìn)行與上述實施例相同的熱處理，不同之處是沒有在齒槽部件上使用隔熱罩。由于齒槽部件的厚度僅為2.9mm，在高頻熱處理時試樣的溫度并不升高，且熱量被釋放到外部，因此得到了244-297Hv的硬度。同時，齒槽部件的下部比上部厚，因此其溫度升高。然而，齒槽部件上其他區(qū)域由于相對較薄，其溫度并不升高，因此將熱量釋放到外部。結(jié)果，該實施例表明在不使用隔熱罩的情況下的熱處理將不會出現(xiàn)馬氏體相變。
對比例2進(jìn)行與上述實施例相同的熱處理，不同之處是隔熱罩的材料不是碳鋼，而是具有良好導(dǎo)熱性能的材料。一般來說，碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為0.110-0.130cal/cm.s.c。然而，如果使用例如青銅(0.934cal/cm.sc)之類的具有良好導(dǎo)熱性能的材料，將得到均勻的硬度分布。此外，如果使用如鎳(0.934cal/cm.sc)或鉑(0.165cal/cm.sc)之類的具有與碳鋼相似的導(dǎo)熱性能的其他材料，則有不經(jīng)濟(jì)的缺點(diǎn)。因此，如上述實施例中提到的，在降擋鼓輪的齒槽部件上進(jìn)行熱處理的優(yōu)點(diǎn)是其能夠保證齒槽部件的持久性并降低制造成本。
本發(fā)明已參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明。然而，應(yīng)該清楚的是考慮到公開內(nèi)容，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在本發(fā)明的構(gòu)思和范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種降擋鼓輪材料，包括精細(xì)鐵素體和微觀分散的球狀滲碳體，該降擋鼓輪材料是通過在150-200℃/s的冷卻速率下冷卻碳鋼制備的，所述碳鋼包括主要成分Fe，約0.32到約0.38wt％的碳，約0.15到約0.35wt％的Si，約0.60到約0.90wt％的Mn，約0.03wt％或更少的P，約0.035wt％或更少的S，約0.02wt％或更少的Cr和其它雜質(zhì)。
2.一種制造包括如權(quán)利要求1所述材料的降擋鼓輪的方法，該方法包括以下步驟；(a)在齒槽部件的內(nèi)環(huán)空間中導(dǎo)入加熱線圈，同時在根據(jù)權(quán)利要求1制備的降擋鼓輪的所述齒槽部件頂部覆蓋一個熱密封罩；(b)在100kHz和94kW的條件下，在900-950℃的溫度對所述降擋鼓輪進(jìn)行3-5秒的加熱的同時，對所述降擋鼓輪進(jìn)行水冷；并(c)在電爐中在140-150℃的溫度對其回火1小時。
3.如權(quán)利要求2所述的制造降擋鼓輪的方法，其中所述降擋鼓輪在預(yù)定的旋轉(zhuǎn)夾具中以100-200rpm的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以對所述降擋鼓輪的齒槽部件進(jìn)行均勻加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種汽車用降擋鼓輪材料，其包括精細(xì)鐵素體和微觀分散的球狀滲碳體。本發(fā)明還公開了一種制造降擋鼓輪材料的方法。本發(fā)明的降擋鼓輪能夠顯著提高齒槽部件的淬硬性和持久性并由于只增加了一個熱處理的簡單工藝，因而具有降低制造成本的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C21D9/00GK1661128SQ20041009698
公開日2005年8月31日 申請日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月23日
發(fā)明者柳志泓, 李斗煥 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社