CN109642271B

CN109642271B - 切削性优异的Cu合金、该Cu合金制的挤出管构件及同步器锁止环

Info

Publication number: CN109642271B
Application number: CN201680088511.0A
Authority: CN
Inventors: 小林徹; 清水繁; 新仓康介
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: SAN-ETSU METALS Co Ltd
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2036-08-17
Also published as: WO2018033972A1; CN109642271A

Abstract

本发明提供具备优异的切削性的Cu合金及由其形成的Cu合金制挤出管构件、Cu合金制同步器锁止环。一种切削性优异的Cu合金及由其形成的Cu合金制挤出管构件、Cu合金制同步器锁止环，该Cu合金以质量％计含有Zn：25％以上且43％以下、Al：2.0％以上且8.0％以下、Ti：0.10％以上且5.0％以下、Cr：0.010％以上且0.040％以下、C：0.0005％以上且0.010％以下、合计1.0％以上且5.0％以下的选自Fe、Ni和Co中的1种或2种以上，余量为Cu和不可避免的杂质，降低金属间化合物的生成量，并在基体中分散有微细碳化物。

Description

切削性优异的Cu合金、该Cu合金制的挤出管构件及同步器锁止环

技术领域

本发明涉及具备优异的机械特性和耐磨耗性且切削性也优异的Cu合金，尤其涉及适合作为汽车的手动变速器用部件的同步器锁止环的Cu合金，以及该Cu合金制的挤出管构件和同步器锁止环。

背景技术

以往，铜合金利用其优异的强度、导热性、导电性、耐腐蚀性、耐磨耗性等而被应用于广泛的领域。尤其是，作为用于汽车部件的用途，铜合金例如用作手动变速器用的同步器锁止环。

同步器锁止环已经是众所周知的，图1示出了其示意性立体图。同步器锁止环的内表面1受到高表面压力下的与旋转的圆锥之间的同步滑动以及从其脱离时的间歇性面接触。另外，同步器锁止环的外周表面上形成有用于装配键的键槽3，进一步地，沿着同步器锁止环的外缘以规定间隔设置倒棱2。该倒棱具有与作为配合构件的毂套啮合的结构。

关于这种Cu合金制同步器锁止环，随着使用条件的高负荷化，改善其耐磨耗性的同时，应改善强度、韧性、抗疲劳特性等，对此已经提出了各种方案。

例如，专利文献1中提出了：通过在含有20～40重量％的Zn、2～11重量％的Al、1～5重量％的Fe、Ni、Co中的1种以上、0.1～4重量％的Ti、余量为Cu和不可避免的杂质的铜合金制同步器锁止环的组成中进一步含有0.01重量％以上且小于0.1重量％的Mn、0.0005～0.01重量％的S中的一者或两者，从而与以往的Cu合金制同步器锁止环相比可以提高耐磨耗性。

另外，专利文献2中提出了：在组成为以质量％计含有Zn：28～34％、Al：1.5～4％、Mn：2～4.5％、Si：0.5～2％、Cr：0.05～0.5％、Ni：0.2～0.6％、Fe：0.02～0.5％、余量为Cu和不可避免的杂质的Cu合金制同步器锁止环中，通过形成在Cu-Zn系相图所示的β相的基体中使均由金属间化合物构成的粒径相对较粗的析晶物和超细的析出物均匀分散并且同一相图所示的α相以针状形状分散分布的组织，可以提高同步器锁止环的倒棱部分的疲劳强度，同时通过含有规定量的Mn、Si和Cr，由此形成由金属间化合物构成的粗粒的析晶物和超细的析出物，提高疲劳强度和耐磨耗性。

另外，专利文献3中提出了：在组成为以质量％计含有Zn：27～33％、Al：3～4.5％、Ni：1.5～3％、Ti：1～2％、Mn：0.2～0.7％、Fe：0.05～0.5％、Si：0.01～0.1％、余量为Cu和不可避免的杂质的Cu合金制同步器锁止环中，通过形成在Cu-Zn系相图所示的β相的基体中使均由金属间化合物构成的粒径相对较粗的析晶物和超细的析出物均匀分散并且同一相图所示的α相以针状形状分散分布的组织，可以提高同步器锁止环的倒棱部分的疲劳强度，同时通过含有规定量的Ni、Ti和Fe，由此形成由金属间化合物构成的粗粒的析晶物和超细的析出物，提高疲劳强度和耐磨耗性。

进一步地，专利文献4中提出了：在具有含有Cu：62.5～67.5％、Al：4.5～5.5％、Ni：2.7～3.7％、Ti：1.0～2.0％、Mn：0.05～0.35％、余量为Zn和不可避免的杂质的组成的Cu合金制同步器锁止环中，当设为Zn+不可避免的杂质＝ZN时，式：{ZN+6×(Al-0.9)}/{Cu-1.3+ZN+6×(Al-0.9)}所示的锌当量在0.4～0.46的范围内，且基体组织由含有Cu：65～74％、Al：2.5～4.5％、Ni：0.5～2.5％、Ti：0.05～0.6％的α相和含有Cu：62～71％、Al：3.5～6.0％、Ni：0.3～2.3％、Ti：0.05～0.6％的β’相的2相组织构成，由此改善在高发热环境下的使用中的耐塑性流动性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8-127831号公报

专利文献2：日本特开2001-355029号公报

专利文献3：日本特开2001-355030号公报

专利文献4：日本特开2005-163101号公报

发明内容

发明要解决的问题

Cu合金制同步器锁止环通常如下制作：以成为规定组成的方式熔炼Cu合金熔液，将所得到的熔液浇铸在模具中以制造规定尺寸的坯料，并热挤压该坯料来制作Cu合金制管，接着，对该管进行切削加工使得成为规定的宽度(高度)。

所述专利文献1～4所示的Cu合金制同步器锁止环为了应对使用环境的需求，主要着重于改善强度、韧性、耐磨耗性、耐疲劳特性等，尤其是，通过将金属间化合物分散在基体中来谋求耐磨耗性的提高。

然而，金属间化合物分散分布在基体中的组织的情况下，虽然的确提高了耐磨耗性，但另一方面，在上述Cu合金制同步器锁止环的制作工序中进行切削加工时，存在由于硬质的金属间化合物的存在而导致切削性较差、加工效率降低的问题。

因此，期望开发出具备Cu合金制同步器锁止环所必需的特性即强度、韧性、耐磨耗性等，除此之外，同时切削性也优异的Cu合金。

用于解决问题的方案

因此，本发明为了解决所述技术问题，其中一个方面为：一种切削性优异的Cu合金，其具有以下组成：以质量％计含有Zn：25％以上且43％以下、Al：2.0％以上且8.0％以下、Ti：0.10％以上且5.0％以下、Cr：0.010％以上且0.040％以下、C：0.0005％以上且0.010％以下、合计1.0％以上且5.0％以下的选自Fe、Ni和Co中的1种或2种以上，余量为Cu和不可避免的杂质。

在该Cu合金的组成中，更优选Al的含量设为2.0％以上且6.0％以下、Ti的含量设为0.10％以上且2.0％以下。或者，在该Cu合金的组成中，更优选Al、Ti和Cr各自的含量满足式(Al+Ti+3Cr)≤8.1％。

本发明的另一个方面为挤出管构件，其是由上述Cu合金形成的。

本发明的又一个方面为同步器锁止环，其是由上述Cu合金形成的。

发明的效果

本发明所述的Cu合金通过设为上述组成，使切削性降低的金属间化合物的生成量减少，另一方面，通过作为微量含有成分的Cr、C使微细碳化物分散在基体中，确保Cu合金的强度、韧性和耐磨耗性，因此，具有与以往的Cu合金相当的强度、韧性、耐磨耗性，同时与以往的Cu合金相比具备更优异的切削性。

此外，当使用本发明所述的Cu合金制作同步器锁止环时，可以得到比以往更高的加工效率，并且得到具备作为同步器锁止环所需的高强度、韧性和耐磨耗性的同步器锁止环。

附图说明

图1为同步器锁止环的示意性立体图。

具体实施方式

关于本发明所述的Cu合金、挤出管构件和同步器锁止环的各实施方式，以下进行详细说明。本发明的Cu合金具有由以下的元素构成的组成。

Zn：

本发明的Cu合金中的Zn成分具有通过与Al共存来提高Cu合金的强度、韧性和耐磨耗性的作用。但是，若Zn的含量小于25质量％(以下，简称为“％”)，则β相在基体中所占的面积比例减少，α相的面积比例增加，因此硬度降低，无法确保所需的耐磨耗性。

另一方面，若Zn的含量超过43％，则虽然耐磨耗性提高，但由于γ相的出现，Cu合金的强度、韧性、热加工性会显示出降低的趋势。

因此，Zn的含量设为25～43％。

Al：

如上所述，Al成分通过与Zn的共存来提高Cu合金的强度、韧性和耐磨耗性，进一步地，Al与选自Fe、Ni和Co中的1种或2种以上的铁族元素和Ti形成金属间化合物，从而提高耐磨耗性，因此含有2.0％以上的Al。另一方面，即使含有超过8.0％，耐磨耗性提高效果也小，反而由于γ相的出现，会使Cu合金的韧性、热加工性降低，因此Al的含量设为2.0～8.0％。

尤其是，在本发明中，为了提高Cu合金的切削性，谋求降低金属间化合物的生成量，因此更理想的是Al含量的上限设为6.0％、Al的含量设为2.0～6.0％。

Ti、Fe、Ni和Co：

Ti成分在与Al以及选自Fe、Ni和Co中的1种或2种以上的铁族成分元素共存的情况下，具有以下作用：凝固时形成微粒状的金属间化合物，其使组织微细化，同时分散在基体中，从而提高耐磨耗性。

但是，Ti含量小于0.10％或者Fe、Ni和Co的总含量小于1.0％时，组织的微细化效果、耐磨耗性提高效果变小，因而不优选。另一方面，Ti含量超过5.0％的情况下，或者Fe、Ni和Co的总含量超过5.0％的情况下，Cu合金的韧性降低，因而不优选。

因此，Ti含量设为0.10～5.0％，另外，选自Fe、Ni和Co中的1种或2种以上的铁族元素的总含量设为1.0～5.0％。

尤其是，从降低Cu合金中生成的金属间化合物的生成量、改善切削性能的观点出发，更理想的是Ti含量的上限设为2.0％、Ti含量设为0.10～2.0％。需要说明的是，在上述Fe、Ni和Co中，特别是Ni对于上述的组织微细化和耐磨耗性提高的贡献效果大。因此，更理想的是Ni作为必须添加元素，在这种情况下Ni的下限设为1.5％即可。

Cr：

Cr固溶在Cu合金基体中，通过固溶强化而提高基体的强度，补足随着金属间化合物生成量减少带来的Cu合金的强度降低、耐磨耗性降低。但是，小于0.010％的Cr含量时，其效果较小。另一方面，若Cr含量超过0.040％，则作为金属间化合物析出，而使切削性降低。因此，Cr含量设为0.010％以上且0.040％以下。

需要说明的是，所述专利文献2中提出了：作为Cu合金中的合金成分，添加2％以上且4.5％以下的Mn和0.5％以上且2％以下的Si，同时添加0.05％以上且0.5％以下的Cr，从而含有它们，但是专利文献2中添加Cr(以及Mn、Si)的目的在于利用在合金中形成金属间化合物来提高耐磨耗性，与旨在降低金属间化合物的生成的本发明相比，添加Cr的目的、以及Cr在Cu合金中所发挥的作用(利用固溶强化和碳化物的析出/分散来提高耐磨耗性)明显不同。

C：

Cu合金中的C主要通过与Ti、Cr等成分元素反应形成碳化物，微细地分布在基体中，从而提高Cu合金的强度、硬度以及提高耐磨耗性，同时提高切削性。

但是，其含量小于0.0005％时，无法形成足以使耐磨耗性提高的碳化物。另一方面，若其含量超过0.010％，则形成的碳化物量过多，另外，由于碳化物的粗大化，强度、切削性同时降低。

因此，C含量设为0.0005％～0.010％。

限定本发明的Cu合金的组成的数值范围的理由如上所述，在具有这种组成的Cu合金制同步器锁止环中，从后述的实施例中也可以看出，能够得到维氏硬度HV为200以上的高硬度，显示出优异的磨耗性，同时显示出利用切断用超硬车刀的加工个数为3000个以上的优异切削性。

另外，从不使耐磨耗性降低地进一步提高切削性的观点出发，Cu合金的组成中，更理想的是，设为Al：2.0％以上且6.0％以下、且Ti：0.10％以上且2.0％以下。

或者，关于Al、Ti和Cr各自的含量，更理想的是设为满足式(Al+Ti+3Cr)≤8.1％的范围。

其原因在于：如上所述，通过含有Cr和C作为合金成分，使微细碳化物形成来确保Cu合金的强度、耐磨耗性，另一方面，尽量降低Al和Ti的含量，抑制使切削性劣化的金属间化合物的生成。

而且，在具有可进一步提高切削性的所述组成的Cu合金制同步器锁止环中，维氏硬度HV为200以上，具备高硬度、耐磨耗性，此外切削性也进一步优异即利用切断用超硬车刀的加工个数为3200个以上(参见后述实施例的表3的本发明4～12的加工个数的数值)。

在本发明中，例如，利用高频熔化炉以成为所述规定的组成的方式熔炼Cu合金，采用模铸制造铸锭，对该铸锭进行热锻。

接着，通过热挤出制作规定尺寸的Cu合金制挤出管构件。

然后，对上述Cu合金制挤出管构件进行切削加工使得成为规定的宽度(高度)，由此可以得到由规定组成的Cu合金形成的规定尺寸的Cu合金制同步器锁止环(原材料)。

实施例

首先，利用常规的高频熔化炉，以成为表1所示的组成的方式熔炼本发明Cu合金熔液。将该得到的熔液以浇铸温度1100℃浇铸在内径：250mm的模具中，制造直径：250mm、长度：3000mm的Cu合金铸锭。

接着，将该铸锭切断为规定的长度，在750℃下进行热挤出加工，制作外径：72mm、内径：54mm的Cu合金制挤出管。

接着，对该管使用切断用超硬车刀(型号：JIS21型、超硬刀头：ISO M20)以宽度10mm实施切断加工，从而制作高度10mm的本发明环1～12。

进一步地，通过对所述本发明环1～12实施内/外径的切削加工，制作外径：70mm、内径：56mm、高度：10mm的Cu合金制同步器锁止环。

为进行比较，利用常规的高频熔化炉，以成为表2所示的组成的方式熔炼比较例Cu合金熔液。接着，以与所述实施例相同的工序制作比较例环1～6，进一步地，通过实施内/外径的切削加工，制作外径：70mm、内径：56mm、高度：10mm的Cu合金制同步器锁止环。

在所述Cu合金制同步器锁止环的制作工序中，为了调查各Cu合金的切削性的优劣，对每1个所述切断用超硬车刀的本发明环1～12和比较例环1～6的加工个数进行计数，根据该加工个数的大小对本发明Cu合金、比较例Cu合金的切削性的优劣进行评价。

另外，针对所述制作得到的高度为10mm的本发明环1～12和比较例环1～6的截面，进行维氏硬度试验(其中，载荷：10kg)，根据维氏硬度HV的大小对本发明环1～12和比较例环1～6的耐磨耗性的优劣进行评价。

表3中示出上述结果。

[表1]

[表2]

(备注)“-※”表示C量小于0.0005％。

[表3]

从表3所示的结果可以看出，本发明Cu合金和由其制成的同步器锁止环具有维氏硬度HV为204～223的高硬度，因此耐磨耗性优异，进而以每1个车刀的切断加工个数进行评价的切削性为3004～3702(个)，切削性也优异，表明耐磨耗性和切削性之间的平衡优异。

尤其是，满足Al含量设为2.0％以上且6.0％以下、Ti含量设为0.10％以上且2.0％以下的条件，或者满足Al、Ti和Cr各自的含量设为满足式(Al+Ti+3Cr)≤8.1％的范围的条件的本发明4～12与本发明1～3相比，虽然硬度稍差(HV：204～214)，但具备优异的切削性(加工个数：3283～3702)。

与此相对，未落入本发明所规定的组成的比较例1～3虽然切削性优异(切断加工个数为3744～3792(个))，但维氏硬度HV的值小至172～192，因此耐磨耗性差。另一方面，在维氏硬度高的比较例4～6(HV：238～258)中，切断加工个数小至2342～2542(个)，因此切削性差。

即，比较例的Cu合金无法兼具耐磨耗性和切削性这两者的特性，而本发明的Cu合金兼具优异的耐磨耗性和优异的切削性这两者的特性，因此作为用于制造同步器锁止环的Cu合金而言是合适的材料。

产业上的可利用性

如以上说明的那样，本发明的Cu合金的切削性和耐磨耗性优异，因此作为同步器锁止环是合适的材料，但并不限于此用途，还可以广泛地应用/开发到需求优异的机械特性以及切削性的各种技术领域中。

附图标记说明

1：同步器锁止环内表面

2：倒棱

3：键槽

Claims

1.一种切削性优异的Cu合金，其特征在于，具有以下组成：以质量％计，含有Zn：25％以上且43％以下、Al：2.0％以上且8.0％以下、Ti：0.10％以上且5.0％以下、Cr：0.010％以上且0.040％以下、C：0.0005％以上且0.008％以下、合计1.0％以上且5.0％以下的选自Fe、Ni和Co中的1种或2种以上，余量为Cu和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的切削性优异的Cu合金，其特征在于，所述组成中，Al的含量为2.0％以上且6.0％以下、Ti的含量为0.10％以上且2.0％以下。

3.根据权利要求1所述的切削性优异的Cu合金，其特征在于，所述组成中，Al、Ti和Cr各自的含量满足(Al+Ti+3Cr)≤8.1％。

4.一种Cu合金制挤出管构件，其特征在于，其是由权利要求1～3中任一项所述的Cu合金形成的。

5.一种Cu合金制同步器锁止环，其特征在于，其是由权利要求1～3中任一项所述的Cu合金形成的。