Срок службы деталей КПП может увеличиться

Исследователи из Тольяттинского государственного университета (ТГУ) предложили режим термической обработки латуни, который более чем в два раза повышает износостойкость материала, используемого для изготовления колец синхронизаторов коробки переключения передач (КПП). Главный секрет – закалка в водополимерном растворе с изменяемой скоростью охлаждения за счёт подбора его концентрации, что отличается от традиционного охлаждения на воздухе после штамповки.

В коробке переключения передач (КПП) любого автомобиля есть детали, которые работают в крайне жёстких условиях. Кольца синхронизаторов – одни из них: они отвечают за то, чтобы передачи включались мягко и без хруста, но при этом испытывают колоссальные нагрузки, трение и нагрев. Обычно такие кольца делают из специальных износостойких латуней. Учёные Тольяттинского госуниверситета нашли способ увеличить прочность и износостойкость латуни для колец синхронизаторов за счёт термической обработки.

Объектом исследования стала многокомпонентная латунь марки ЛМцАЖКС 70 - 7 - 5 - 2 - 2 - 1 – именно из неё изготавливают синхронизаторы переднеприводных автомобилей LADA. Эта латунь представляет собой сложный сплав на основе меди с добавлением цинка, марганца, алюминия, кремния, железа и свинца. Каждый из этих элементов влияет на свойства материала, но решающую роль играет то, как именно деталь нагревалась и охлаждалась в процессе производства.

– Мы провели эксперименты, меняя условия закалки, чтобы понять, как получить максимальную износостойкость, – пояснил один из авторов исследования, доцент кафедры «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы» института машиностроения, химии и энергетики ТГУ Алексей Святкин. – Традиционно латунь после штамповки охлаждается сама на воздухе, так как закаливать её до недавних пор было бесперспективно: от воды возникают критические деформации, а масло пожароопасно и требует дальнейшей промывки. Мы пошли другим путём и испытали водополимерные растворы разной концентрации.

Специалисты нагревали образцы до 750–800 градусов С°, а затем охлаждали их в разных средах: на воздухе, в воде, в масле и в растворах полимера концентрацией 5, 10 и 15%. Часть образцов после закалки дополнительно «состаривали», то есть выдерживали при 320 градусах, чтобы запустить процессы дисперсионного упрочнения.

– Результаты порадовали. Лучшие показатели продемонстрировали образцы, закалённые в десятипроцентном водополимерном растворе. Их износостойкость выросла почти в 2,6 раза по сравнению с исходным состоянием, а твёрдость после закалки увеличилась более чем в два раза. Кроме того, нам удалось избежать проблемы, которая постоянно сопровождает закалку в воде: детали не деформировались за счёт промежуточного состояния микроструктуры сплава, – подчеркнул Алексей Святкин.

Специалист добавил, что при охлаждении в полимерном растворе латунь переходит в особое промежуточное состояние. Последующее старение формирует смешанную сдвигово-диффузионную микроструктуру, что даёт высокое упрочнение за счёт выделения мельчайших частиц (дисперсионное упрочнение) и почти не вызывает деформаций. Дополнительный плюс — измельчение зёрен до 2–10 микрон, что также повышает прочность материала.

– Мы не просто подобрали режим, мы описали механизм, – отметил Алексей Святкин. – Необходимо отметить, что структуры переходного типа более устойчивы к силовому и термическому воздействию при износе. В итоге материал обеспечивает условия для более длительной и надёжной работы детали.

Для автопрома это означает, что кольца синхронизаторов можно делать, не меняя химический состав сплава, а лишь корректируя технологию термообработки. Хотя закалка – это дополнительные затраты, достигнутый уровень техники способствует значимому повышению ресурса уже известной и доступной латуни. Водополимерная закалка уже давно применяется для сталей, но для сложных латуней её использовали впервые. Теперь у производителей есть научно обоснованные рекомендации по термообработке латуни, позволяющие повысить её износостойкость и твёрдость.

Результаты исследования опубликованы в рецензируемом журнале Russian Journal of Non-Ferrous Metals. Это авторитетное научное издание, посвященное развитию области цветной металлургии и материаловедения.