收稿日期:1995-09-18
*南京汽车离合器厂资助
吴德宣 江苏理工大学工业工程系 副教授,212013 江苏省镇江市
王树林 江苏理工大学机械制造系 讲师膜片弹簧分离指端表面硬化工艺研究* 吴德宣 王树林 【摘要】 根据离合器膜片弹簧的工作特点，采用了喷焊工艺对膜片弹簧分离指端进行表面硬
化，提高了耐磨性。实验结果表明，这种硬化工艺消除了高频淬火工艺的缺陷，提高了膜片弹簧的
耐磨性，并且工艺过程简单，工艺成本较低。
叙词：膜片弹簧 表面硬化 耐磨性 喷涂
1 引言
膜片弹簧离合器因其结构简单、质量轻、轴向尺寸小、性能稳定、寿命长、操纵轻便等，因此，在汽车、拖拉机上得到了广泛应用。
电子束焊接
膜片弹簧离合器中的一个重要零件便是膜片弹簧，工作时，由于其分离指端与分离轴承表面需要进行频繁的冲击接合，因此对分离指端要求有较高的耐磨性。膜片弹簧的材料在热定型后，我国的生产厂家普遍采用局部高频淬火工艺来提高分离指端表面的硬度，以求达到提高耐磨性的目的。然而该工艺存在一些缺点，即在高频淬火与非高频淬火部位交接处，存在硬度过渡区，在经高频淬火的分离指端表面，其硬度可达HRC60左右，而在硬度过渡区处，其硬度只有HRC 30左右，比膜片弹簧的整体硬度HRC 45小了许多。由于膜片弹簧在工作时变形很大，硬度过渡区的材料屈服极限明显降低，因此很容易导致弹簧发生塑性变形，使离合器的质量、寿命明显降低。另外，热定型后进行高频淬火，还容易造成膜片弹簧分离指端高度不一致，影响膜片弹簧离合器的正常工作。
鉴于上述存在的问题，我国离合器生产厂家迫切需要改变原有的膜片弹簧生产工艺，稳定离合器生产质量，提高产品寿命，使其性能达到国外同类产品的水平。
图1 膜片弹簧2 膜片弹簧分离指端硬化技术分析
膜片弹簧是由薄弹簧钢板经冲压、热定型而制成，其形状如图1所示。在全自动电脑针织机
靠中心部分开若干径向切口，以形成径向分离指。ito粉
图2为膜片弹簧离合器的工作原理图。膜片弹簧两侧有支承圈7，铆在离
合器盖6上，这时膜片弹簧处于自由状态(图2a )；当将离合器盖固定到飞轮1上时，离合器盖靠向飞轮，通过钢丝支承圈7压迫膜片弹簧4，使之发生弹性
频率补偿变形，同时，膜片弹簧外端对压盘2也产生压紧力而使离合器处于接合状态(图2b)；当分离离合器时，分离轴承5左移，膜片弹簧被压在钢丝支承圈上，其径向截面以支承圈为支点转动，于1997年3月农业机械学报第28卷第1期
(a) (b ) (c)图2 膜片弹簧离合器工作原理示意图1.飞轮 2.压盘 3.分离钩 4.膜片弹簧5.分离轴承 6.离合器盖 7.钢丝支承圈是膜片弹簧外端右移，并通过分离钩3拉动压盘使离
合器分离(图2c)。
在汽车、拖拉机上，这种离合过程是频繁进行的,
在离合器的使用寿命期内，离合次数应不少于100万
次，膜片弹簧分离指端部与分离轴承之间处于频繁冲
击、干摩擦状态，工作条件较恶劣，膜片弹簧分离指端
部磨损严重，必须对其工作表面进行耐磨硬化处理,
以提高其耐磨性，延长使用寿命。
提高表面耐磨性的硬化工艺有许多，一般可分为两大类，即薄膜沉积和表面改性。这些技术都有其最适合的特殊应用范围，也有其特殊的工艺问题。由于膜片弹簧是在冲击载荷、干摩擦状态下工作，因此，要求硬化层组织细密光滑，特别是硬化层与基体必须有较高的结合强度，以防止硬化层的脱落。另外，所使用的硬化工艺必须能应用于大批量生产中，因此该硬化工艺必须具有操作简单、产品质量稳定、生产率高、一次性投资少、产品工艺成本低等特点。
氧乙炔合金粉末喷焊工艺是由瑞士Castolin 公司发明的，我国在70年代后才开始引进该工艺，并在铁路、工程机械以及农机修理等部门获得应用。该工艺具有如下特点:①设备简单，工艺灵活，操作方便，可根据不同要求得到不同性质的强化层;②强化层与基体材料结合强度高，特别适用于抗磨损、耐冲击的表面敷层;③喷焊层表面光滑平整，在对表面平整性要求不高的场合下可直接使用。
由此可见，该工艺所得到的表面敷层较适宜于膜片弹簧的工况。
3 膜片弹簧分离指端表面硬化的氧乙炔合金粉末喷焊工艺
3.1 工作原理及工作方式的确定
氧乙炔合金粉末喷焊工艺是粉末喷焊法中的一种，它是由自熔性合金粉末，通过氧乙炔火焰加热后喷洒、沉积，并熔化在金属零件表面上形成具有特种性能的表面敷层的新工艺。该工艺有两种基本操作方法，即一步法和二步法。根据膜片弹簧的特点，采用二步法操作，即先喷后熔的操作。该工艺所使用的喷焊金属粉末是一种低熔点自熔性合金粉末。当被喷焊的基体还未达到熔化温度，而交界表面上的基材被已熔化的低熔点自熔性合金所溶解，形成表面合金，互相扩散，互相渗透，最后形成牢固的微冶金结合。表面敷层的耐磨性完全由所采用的合金粉末来决定，不受后续热处理工序的影响。
为保证喷焊层的均匀性，可将膜片弹簧固定在一个转台上，当膜片弹簧均匀转动时，用喷焊喷粉，重熔后即可在膜片弹簧分离指端得到一层光滑、平整、耐磨的表面敷层(喷焊层)。
3.2 膜片弹簧氧乙炔合金粉末喷焊工艺规范的确定
3.2.1 膜片弹簧表面处理
表面处理是氧乙炔喷焊工艺中非常重要的一步。喷焊层的结合质量直接与基体表面的活化和粗糙程度有关。只有对工件表面进行洁净处理，使基体表面彻底暴露，才能提高异种原子或分子的渗透深度和面积，改善液态合金在基体表面的润湿程度，为喷焊工艺创造良好的条件。冲压后的膜片弹簧表面存在油污、氧化皮等，喷焊过程的热量不能除去这些污垢，它们会137第1期 吴德宣等：膜片弹簧分离指端表面硬化工艺研究
影响喷焊层的结合强度。针对膜片弹簧而言，从经济角度，可采用金属清洗剂配合擦刷的方法来去除表面污垢[2]。
3.2.2 合金粉末的选择
自熔性合金粉末对氧乙炔合金粉末喷焊工艺起着十分重要的作用，合金粉末的品种和质量将直接影响到喷焊层的性能、质量及可操作性[3]。
合金粉末要求具有下面3个特性：第一，喷焊性能好，即要求在操作时有明显的镜面反映，对基材具有良好的润湿性，并具有使熔池脱氧及使氧化物浮出的能力；第二，喷焊层具有良好的耐磨性；第三，
价格适中，便于降低生产成本，提高经济效益。
目前，我国生产的自熔性合金粉末有四大类：即镍基、铁基、铜基、钴基。性能稳定、应用最多的是镍基，其规格品种也较多，建议使用镍基合金粉末。
3.2.3 表面预热、预保护温度及重熔时间的确定
在喷焊过程中基体表面的预热温度可使固、液相间的原子活跃，以提高合金粉末沉积效率，为以钎焊原理为机理的喷焊工艺创造条件。另外，还可以减小因合金粉末与基材膨胀系数不同而产生的热应力的影响，避免喷焊层脱落。实验表明，在工件表面预热温度达到230℃～270℃时，喷上一层预保护粉，可防止工件表面进一步氧化，提高喷焊层的质量。当工件表面继续预热，达到550℃～650℃时，可再喷上一层合金粉，达到所需要的喷焊层厚度。最后将工件表面加热到1000℃左右进行重熔(以出现镜面反映为准)，重熔时间持续5s ～7s，这样既可使液态合金粉末和基材充分溶解和扩散，同时又不至于使某些元素被氧化，从而得到质量较好的喷焊层。
3.2.4 工作转速的确定
喷粉时，工作转速为60r /min，可保持涂敷层覆盖均匀。重熔时，工件以5r /min ～8r /min 的低速转动为宜，转速偏高，热量散失严重，热效率低，要延长加热时间，容易使工件表面氧化并发生敷层过烧现象。
4 实验结果与分析
4.1 膜片弹簧喷焊层的金相组织
图3 分离指断面电镜照片图3为膜片弹簧分离指断面的金相组织照片。从图中可看
出，在喷焊层与膜片弹簧分离指基材金属的交界面之间形成了
一种表面合金层，其深度约0.03mm ，这说明合金粉末在处于
熔融状态时，基体表面金属被溶解，基体和喷焊层材料相互渗
透，相互扩散，形成牢固的冶金结合。实验结果表明[4]，喷焊层与
基体材料之间的结合强度一般都超过333.2N /m m 2
，因此，喷
焊层特别适用于象膜片弹簧这样承受频繁冲击载荷的零件。
4.2 膜片弹簧耐磨台架试验在试验中，我们选用了4种不同的合金粉末对膜片弹簧分离指端表面进行
喷焊硬化处理。喷焊硬化处理后的膜片弹簧直接进行热定型处理，然后装配在离合器总成上进行100万次耐磨台架试验。台架试验结果表明，所有试件的磨损量均小于传统的高频淬火试件的磨损量。例如，用Ni60合金粉末喷焊硬化处理后的膜片弹簧在100万次台架试验后的平均磨损量仅为0.05mm ，而与之相对照的经高频淬火处理的膜片弹簧的平均磨损量为0.15m m 。
138农 业 机 械 学 报1997年
喷焊层之所以有良好的耐磨性能，是因为喷焊层的基本组织为韧性甚好的铬、镍奥氏体，而在它上弥散了许多硅和硼的化合物硬质点，这些硬质点可以保护喷焊层，使其不至于快速磨损。正是基于上述原因，一些硬度较低的喷焊合金层仍具有良好的耐磨性。
5 结论
膜片弹簧分离指端氧乙炔合金粉末喷焊硬化工艺的实验研究表明，选择合适的合金粉末，采用氧乙炔合金粉末喷焊工艺完全可以满足离合器膜片弹簧分离指耐磨硬化的需要。若在喷焊工艺中引入一些专用工装，例如，专用自动喷焊，专用感应重熔炉，并通过试验选取最佳的工艺参数，则可以得到质量稳定的产品，应用于大批量生产。膜片弹簧分离指端氧乙炔合金粉末喷焊硬化工艺是安排在热定型之前，因而膜片弹簧基体整体硬度一致，不存在局部高频淬火所特有的硬度过渡区现象，也解决了因局部高频淬火而产生的膜片弹簧高度不一致的问题。所以，引进氧乙炔合金粉末喷焊工艺对膜片弹簧
分离指端进行表面硬化处理，可提高产品的质量，满足工厂各项技术经济指标的要求。
参考文献
1 兴，林行方主编.表面工程.上海∶上海交通大学出版社,1989.
2 美国焊接学会编.热喷涂原理与应用技术.成都∶四川科技出版社,1987.
3 周庆生编著.氧乙炔焰喷涂(焊)技术.南京∶江苏科技出版社,1984.
4 吴德宣.喷焊工艺参数对喷焊层与基体结合强度的影响的试验报告.江苏工学院科技资料专集,体香糖
智能卡服务1984(3)
THE HARDENIN G TEC HNOLOGICAL INVESTIGATIO N OF THE SEPARATIVE BAR OF THE DIAPHRAG M SPRINGS
Wu Dex ua n
W ang Shulin (Jiangsu University of Science and Technology )
Abstract
The diaph rag m spring s o f the clutch used in auto mobiles o r tractors w ore do w n serio us-ly and plastic defo rmatio n took place in the separative ba r o f the dia phragm springs,these af-fected their o peratio nal performance .According to the opera ting characteristics of the di-aph rag m spring s ,a kind of spray painting techno logy w as sug gested to ha rden the top sur-face of the sepa rative bar of the diaph rag m spring in this paper and the o ptimum technica l reg ula tion w as obtained in the experim ent.The experim ent results show ed that this m ethod rem ov ed flaw caused by hig h -frequence quenching ,improv ed the w ear resista nce o f the di-aph rag m spring ,simplified the operatio n a nd reduced technical co st.Key words Diaphrag m spring s,Surface ha rdening,Wea r resista nce,Spray painting 139第1期 吴德宣等：膜片弹簧分离指端表面硬化工艺研究
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