降挡鼓轮材料及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于制造汽车的降挡鼓轮(kick down drum)的材料和该材料的制造方法。
【发明背景】
一般来说，如汽车自动变速机构中的离合器等传动元件通常用具有良好延展性的不锈钢制造以提高加工性能。具体来说，只考虑到不锈钢的延展性，各零件频繁接触的自动变速机构中的齿槽部件是用不锈钢来制造的。然而，操作离合器时的频繁接触所产生的摩擦不能防止该零件受气候的影响或变形。各零件彼此接触的自动变速机构中的这种零件中的一个是在降挡鼓轮中，该降挡鼓轮通过在使第二齿轮和第四齿轮换档时限制反向中心齿轮来实现变速换档。
实际上，行车里程为70,000-80,000英里的汽车通常都存在齿槽部件的前端磨损带来的变速换档问题。上述现象的主要原因是用于制造降挡鼓轮的材料是硬度为190Hv的热处理的SPHD，而其配合零件，反向中心齿轮的表面硬度为650Hv。
下面的表1显示了用于制造降挡鼓轮的SPHD材料的成分。该SPHD包含少量地碳因此不具备所希望的强度和硬度。
表1
C Si Mn P S Cr Ni Cu Ti Fe
SPHD0.031 - 0.24 0.010 0.010 - - - - 余量
上面表1中的SPHD主要包括铁素体以及极少量珠光体，其硬度为180-190Hv，屈服强度为244Mpa，拉伸强度为364Mpa，延伸率为41％，因此导致了齿槽部件中轮齿的磨损和断裂。因此，在一种提高齿槽部件抗磨损性能的备选方案中，该齿槽部件用渗碳/热处理过的具有良好热处理性能的材料制造，并将其焊接到将要使用的降挡鼓轮上。然而，这需要完成例如焊接和热处理等额外工艺，增加了制造成本并增加了现有工艺的复杂性。该降挡鼓轮由两部分，(SPHD制造的)鼓轮部件和(由SCr420H1制造的)轮毂部件(boss part)组成，该轮毂部件的成分在下面表2中列出。
表2
C Si Mn P S Cr Ni Cu Ti Fe
本发明 0.34 0.16 0.77 0.012 0.001 0.10 0.013 - - 余量
按照此方法制造降挡鼓轮，轮毂部件(齿槽部件)只通过渗碳/热处理来硬化，随后焊接到将使用的降挡鼓轮中。然而，额外的步骤增加了制造成本，通过渗碳增加了表面硬度(8307-836Hv)，随后在由于硬化而出现过载时导致增加其配合零件的磨损并增加了齿槽部件中的裂纹，在某些情况下甚至导致齿槽部件的断裂。
【发明内容】
本发明提供了一种用于汽车降挡鼓轮的具有良好淬硬性以及成形性的材料，其包括精细铁素体和微观分散的球状渗碳体。
本发明还提供了一种用上述材料制造降挡鼓轮，从而通过高频热处理来保证持久性和降低成本的方法。
【附图说明】
下面，从结合附图对本发明所进行的描述中，本发明的上述和其它的目的和特征将更加清楚，其中：
图1显示了本发明的降挡鼓轮，其包括精细铁素体和微观分散的球状渗碳体；
图2显示了对本发明的降挡鼓轮的齿槽部件进行热处理的装置；
图3显示了将被热处理的齿槽部件的图；
图4显示了本发明材料的热处理后组织的照片，显示了马氏体的完全相变。
【具体实施方式】
本发明涉及一种用于制造汽车降挡鼓轮的包括精细铁素体和微观分散的球状渗碳体的材料，和一种制造该降挡鼓轮材料的方法。具体来说，根据本发明制造的降挡鼓轮能够显著改善齿槽部件的淬硬性和持久性。
为达到上述目的，本发明提供了一种通过在150-200℃/s的速率冷却碳钢制备的包括精细铁素体和微观分散的球状渗碳体的降挡鼓轮材料，其中该碳钢包括：主要成分Fe，约0.32-约0.38wt％的C，约0.15-约0.35wt％的Si，约0.60-约0.90wt％的Mn，约0.03wt％或更少的P，约0.035wt％或更少的S，约0.02wt％或更少的Cr以及其它杂质。
本发明还提供了一种制造上述降挡鼓轮的方法，其中该方法包括以下步骤：
(a)在齿槽部件的内环(internal circumference)空间中引入一个加热线圈，同时在按上述方法制备的降挡鼓轮的齿槽部件的顶部覆盖一个热密封罩；
(b)在100kHz和94kW的条件下，在900-950℃的温度对该降挡鼓轮进行3-5秒钟的加热，同时水冷却该降挡鼓轮；和
(c)在电炉中以140-150℃的温度将其回火1小时。
优选地，上述方法中的降挡鼓轮在一个预定的旋转夹具中以100-200rpm的转速旋转，以对降挡鼓轮的齿槽部件进行均匀热处理。
以下将对本发明进行更详细的描述。
本发明的独特特征是使用了一种具有良好淬硬性和易成形性的碳钢材料，通过以150-200℃/s的冷却速率冷却该碳钢材料以用于制造汽车自动变速机构的降挡鼓轮，该碳钢材料包括：主要成分Fe，约0.32-约0.38wt％的C，约0.15-约0.35wt％的Si，约0.60-约0.90wt％的Mn，约0.03wt％或更少的P，约0.035wt％或更少的S，约0.02wt％或更少的Cr以及材料中的其它杂质，如图1所示，其包括精细铁素体和微观分散的球状渗碳体。
本发明中降挡鼓轮材料的淬硬性取决于碳含量。如果碳含量低于0.32wt％，则所得表面硬度低于650Hv，也就是其配合零件的淬硬性，因此显著增加了磨损。相反，如果碳含量高于0.38wt％，则导致了延伸率的降低，并因此可能降低可成形性。
在制造本发明的降挡鼓轮的过程中，如果冷却速率低于150℃/s，则防止了初生铁素体和分层结构的形成，因此减轻了对铁素体细化的影响，而从经济性和技术性的角度考虑，高于200℃/s的冷却速度是不合要求的。
本发明中的降挡鼓轮材料是通过将冷却速率精确控制在150-200℃/s的范围内来制备的。本发明的降挡鼓轮材料包括0.34wt％的相当高的碳含量，但表现出36％的良好延伸率，244Mpa的屈服强度以及364Mpa的拉伸强度。该齿槽部件整体形成在本发明降挡鼓轮的上部。由于齿槽部件与其配合零件之间在组合状态下操作时频繁接触，齿槽部件是产生磨损和变形的地方，因此要求该部件具有良好的抗磨损性能。因此，对齿槽部件进行了高频热处理，其方法将在下面介绍。
图2显示了对本发明的降挡鼓轮的齿槽部件进行热处理的装置，图3显示了将被热处理的齿槽部件。首先将用上述材料制造的降挡鼓轮设置在旋转夹具的顶部，随后用一端罩盖住以防止在加热线圈引入齿槽部件的内环空间时，热在降挡鼓轮的上部整体成形的齿槽部件的外环空间周围传播。然后，在频率为100kHz，电压为94kW，在900-950℃的温度进行3-5秒钟的加热的条件下进行水冷却处理，接着在传统电炉中在140-150℃的温度进行1小时的回火处理。考虑到该特定部件的特点，将齿槽部件的厚度定为约2.9mm。用100kHz的装置不可能在齿槽部件的内环周围进行热处理，而需要至少400kHz的装置。然而，本发明使100kHz条件下的热处理成为可能，同时由于齿槽部件的外环被隔热罩所覆盖，因此最大化地防止了热释放。
当降挡鼓轮的转速低于100rpm或在停止状态下进行热处理时，通过加热线圈的磁场所加热的试样的温度分布不均匀，因此难以得到均匀的硬化，而转速超过200rpm时又不经济。
当齿槽部件在低于900℃的温度下热处理时，由于高频热处理的特性，加热过程非常迅速，不能使整个结构完成奥氏体相变，因此不能得到马氏体组织。此外，如果温度超过950℃，所得效果并不明显并且奥氏体晶粒不能过度长大，因此不合要求。
如果热处理时间少于3秒，目标温度不能到达整个目标区域，因此不能获得均匀的硬度，而如果热处理时间超过5秒将导致过度的氧化皮，因此需要额外的处理过程。
如上所述，该马氏体组织是奥氏体在高温下强制快速冷却得到的不稳定组织，因此有必要对其进行回火处理以获得稳定组织。如果回火在低于140℃的温度进行，则所得效果不明显，而如果回火温度高于150℃，则导致试样表面的硬度降低。
下面基于以下的实施例对本发明进行更详细的说明，但这些实施例不构成对本发明范围的限制。
用本发明的材料(见表3)制造的降挡鼓轮的齿槽部件包括精细铁素体和微观分散的球状渗碳体，其中碳含量为0.34wt％，延伸率为36％，并在以下条件下进行热处理。
表3
C Si Mn P S Cr Ni Cu Ti Fe
焊接 0.22 0.24 0.85 0.014 0.002 1.2 0.065 0.19 0.23 余量
热处理条件：
频率：100kHz
电压：94kW
温度：900-950℃
时间：3-5秒，水冷
加热线圈设计：水平和垂直加热线圈
在上述热处理条件下，齿槽部件的外环被一(由S45C制成的)隔热罩覆盖，并且该齿槽部件在被安装到预定的旋转夹具上后以100-200rpm的转速进行旋转以获得均匀热处理。热处理后，在电炉中在140-150℃的温度下对其进行1小时的回火处理。随后用传统装置测量齿槽部件的硬度，结果表明齿槽部件的内，外表面的硬度小于320Hv，因此防止了在齿槽部件内表面过载时出现裂纹。此外，随着高频的引入，可以获得高于600Hv的硬度，且图4中显示的组织分析表明，其中存在马氏体相变。
对比例1
进行与上述实施例相同的热处理，不同之处是没有在齿槽部件上使用隔热罩。由于齿槽部件的厚度仅为2.9mm，在高频热处理时试样的温度并不升高，且热量被释放到外部，因此得到了244-297Hv的硬度。同时，齿槽部件的下部比上部厚，因此其温度升高。然而，齿槽部件上其他区域由于相对较薄，其温度并不升高，因此将热量释放到外部。结果，该实施例表明在不使用隔热罩的情况下的热处理将不会出现马氏体相变。
对比例2
进行与上述实施例相同的热处理，不同之处是隔热罩的材料不是碳钢，而是具有良好导热性能的材料。一般来说，碳钢的导热系数为0.110-0.130cal/cm.s.c。然而，如果使用例如青铜(0.934cal/cm.sc)之类的具有良好导热性能的材料，将得到均匀的硬度分布。此外，如果使用如镍(0.934cal/cm.sc)或铂(0.165cal/cm.sc)之类的具有与碳钢相似的导热性能的其他材料，则有不经济的缺点。因此，如上述实施例中提到的，在降挡鼓轮的齿槽部件上进行热处理的优点是其能够保证齿槽部件的持久性并降低制造成本。
本发明已参考优选实施例对本发明进行了详细说明。然而，应该清楚的是考虑到公开内容，本领域的技术人员可以在本发明的构思和范围内进行调整和改进。