錳銅合金奧貝球鐵齒輪嚙合后表面組織特征探討

摘 要:利用掃描電鏡測試研究了錳銅合金奧貝球鐵錐齒輪嚙合后齒輪表面顯微組織的演變。結果表明，齒輪嚙合后其表面殘余奧氏體轉變成馬氏體組織，顯著提高了齒輪的表面硬度導致其耐磨性和使用壽命提高。

關鍵詞:錳銅合金;奧貝球鐵;齒輪;組織特征

中圖分類號:TG135+.6文獻標識碼:A文章編號:16723198(2010)01030702

奧貝球鐵(ADI)以貝氏體型鐵素體和奧氏體為基體組織，其中含有20-40%的奧氏體，賦予這種球鐵較高的塑性和韌性，具有優異的綜合機械性能。而且由于奧氏體具有加工硬化能力，能顯著提高其疲勞強度和耐磨性。這種材料特別適合于替代20CrMnTi合金鍛鋼制造齒輪，并具有重量輕、噪聲小，節省能源等優點。

與20CrMnTi合金鍛鋼齒輪相比，采用奧貝球鐵制造齒輪可使產品重量減少10%，可減少汽車的燃油消耗和尾氣排放。因此，采用奧貝球鐵代替20CrMnTi合金鋼制造汽車齒輪對節能降耗和汽車工業的發展具有戰略意義。

以一種新型的錳銅合金奧貝球鐵螺旋錐齒輪為對象，研究臺架試驗后齒輪嚙合表面的顯微組織演變規律。

1 錐齒輪制備

錳銅合金奧貝球鐵的名義化學成分為:3.5C-2.5Si-xMn-0.04P-0.02S-yCu(wt%)。采用山西生產的Q12生鐵為原料，工頻爐熔化后采用沖人法球化處理，球化劑為FeSiMn8Re3合金，加人量1.5%。FeSi75作為孕育劑，并進行了強化孕育處理，孕育總量為0.9%。采用FeSi75、FeMn65和電解銅板調整化學成分，澆注手工潮模砂鑄型獲得齒輪毛坯，經機加工后進行等溫淬火處理(900℃±10℃×2h+370±5℃×2h)和回火處理(300-350℃×2-4h)。依據QC/T533-1999《汽車驅動橋臺架試樣方法》對齒輪進行臺架試驗，隨后對齒輪進行解剖取樣。使用掃描電鏡(型號為QUANTA-400)觀察并拍攝金相組織。金相檢測按GB/T9441-1988《球墨鑄鐵金相檢驗》評級，腐蝕劑為4%的硝酸酒精溶液。采用HX-1000TM型維氏顯微硬度計測量齒輪的表面顯微硬度，測三點取平均值。

2 齒輪不同部位顯微組織

圖1為錳銅合金奧貝球鐵螺旋錐齒輪電鏡照片部位示意圖。圖2 為螺旋錐齒輪橫向不同部位(點1-點5)電鏡照片。

圖2 (a)放大了3000倍，可以清晰的看到上邊緣硬化的表層，由外至內可分為三個明顯的區域:表面硬化層，寬度約為30μm;過渡層，寬度約為10μm;基體組織。在表面硬化層內可觀察到針狀馬氏體組織。由于基體組織中有大量的殘余奧氏體存在，工作時表層的殘余奧氏體發生冷作硬化和形變效應引起馬氏體相變，馬氏體組織引起表面硬度增加。此外，馬氏體相變伴隨著4%的體積膨脹，因此在工件表面形成壓應力，從而顯著提高齒輪表面的耐磨性和疲勞強度。在靠近邊緣的地方可以觀察到被碾碎的石墨球，部分連接在一起，有些甚至成為石墨層。馬氏體組織增加表面硬度以及石墨層的潤滑作用均可顯著提供材料的耐磨性和使用壽命。

往齒輪心部方向繼續觀察，圖2(b)對應于圖1中的點2，可觀察到羽毛狀的上貝氏體和殘余奧氏體。四周的上貝氏體比較細小，而中間的上貝氏體比較粗大，奧氏體含量相對增多。圖2(c)對應于圖1中的點3，可看出，心部位置的上貝氏體比較粗大，原因是齒輪厚度造成的差異，邊緣冷卻速度較快，而中間部分冷卻速度相對較慢。圖2(d)對應圖1中的點4，比點

3處的組織相對細小，并未見齒輪背面處的組織發生相變。

圖3為錳銅合金奧貝球鐵螺旋錐齒輪縱向不同部位電鏡照片。圖3(a)，3(b)對應于圖1中的點a，為頂部組織。圖3(a)放大倍數為100倍，按照GB/T9441-1988《球墨鑄鐵金相檢驗》評級，球化級別為1級。石墨球的細小意味著共晶團的細小，增加了材料的力學性能，此外，石墨球能降低齒輪嚙合時的摩擦系數，提高齒輪的使用壽命。 由圖3(b)可以看到誘變后的馬氏體組織，其組織形態為板條狀。因此，齒輪嚙合處的表面硬度比較大。圖3(c)對應于圖2中的點b，為奧貝球鐵的正常組織。圖3(d)對應于圖2中的點c，由于接近心部位置，組織比較粗大。圖3(e)對應于圖1中的點d，可觀察大石墨球、殘余奧氏體、上貝氏體和珠光體的混合組織組織。珠光體的存在是由于螺旋錐齒輪的厚度較大，不易淬透所造成。圖3(f)對應于圖1中的點e，放大倍數為10000倍，可看到石墨球以及石墨球周圍未淬透的層片狀珠光體組織。

由圖3(a)可知，由于齒輪生產時放置了冷鐵，石墨球數高達480個/mm2，石墨球徑為1.5μm;不墨大小級別為8級，球代率97%，球代級別為1級。

螺旋錐齒輪中不同組織的顯微硬度見表1。由表可知，誘變馬氏體的硬度最高，提高了齒輪表面的耐磨性，從而提高了齒輪的使用壽命。由馬氏體、碳化物和殘余奧氏體的混合組織形成的白亮區的硬度次之。上貝氏體的硬度比白亮區小，比殘余奧氏體的大，而珠光體(索氏體)的硬度值略高于殘余奧氏體。

3 結論

錳銅合金奧貝球鐵螺旋錐齒輪嚙合后，其表面的殘余奧氏體轉變成馬氏體組織，其顯微硬度高達852HV，可顯著提高齒輪的耐磨性和使用壽命。