DE4035264A1

DE4035264A1 - Abnutzungsbestaendige kupferlegierungen und diese umfassende synchronisierringe fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE4035264A1
Application number: DE19904035264
Authority: DE
Inventors: Kunio Nakashima; Masao Hosoda; Kazuyuki Inagaki
Original assignee: Chuetsu Metal Works Co Ltd
Current assignee: Chuetsu Metal Works Co Ltd
Priority date: 1990-11-02
Filing date: 1990-11-02
Publication date: 1992-05-07
Anticipated expiration: 2010-11-03
Also published as: DE4035264C2

Description

Die Erfindung betrifft Kupferlegierungen und insbesondere Messinglegierungen, die auf verschiedenen Gebieten nützlich sind, bei denen Abnutzungsbeständigkeit erforderlich ist. Die Erfindung betrifft auch Synchronisierringe für Kraft fahrzeuge, die die Messinglegierungen der obengenannten Art umfassen.

Abnutzungsbeständige Messinglegierungen, die unter Hochge schwindigkeits- und Hochbelastungsbedingungen herkömmlicher weise verwendet worden sind, sind solche, in denen inter metallische Verbindungen, wie etwa Mn₅Si₃, ausgefällt werden. Wenn sie jedoch unter härteren Gleitbedingungen verwendet werden, die bei Betrieb mit hoher Geschwindigkeit und hoher Belastung mit Neigung zu niedriger Viskosität der Schmieröle auftreten, sind die bekannten Messing legierungen in der praktischen Anwendung im Hinblick auf Festigkeit, Duktilität und Abnutzungsbeständigkeit nicht befriedigend. Demgemäß besteht ein starkes Bedürfnis nach Messinglegierungen mit besseren charakteristischen Eigen schaften.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine abnutzungsbeständige Kupferlegierung zur Verfügung zu stellen, die unter harten Gleitbedingungen verwendet werden kann, wie dies für Gegenstücke aus dem Stand der Technik nicht erwartet werden kann.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine abnutzungsbe ständige Kupferlegierung zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Festigkeit, hohe Duktilität und gute Abnutzungsbe ständigkeit besitzt.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Synchronisierring zur Verfügung zu stellen, der zur Ver wendung in Kraftfahrzeugen geeignet ist und die Kupfer legierung der obengenannten Art umfaßt.

Erfindungsgemäß wird eine Kupferlegierung zur Verfügung gestellt, die im wesentlichen aus folgendem besteht:

1) von 10 bis 43% Zn;
2) von 2 bis 8% Al;
3) von 0,01 bis 1% eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Nb und Mo besteht;
4) von 0,01 bis 2% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Zr, Ti und V besteht;
5) von 0,1 bis 3% Sn oder von 0,1 bis 5% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, wenn das Element in (3) Nb ist, oder von 0,1 bis 5% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, wenn das Element in (3) Mo ist; und
6) Rest Cu und unvermeidliche Verunreinigungen, jeweils bezogen auf das Gewicht.

Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Synchronisier ring zur Verfügung, der die oben definierte Kupferlegierung umfaßt.

Die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen umfassen unter schiedliche Elemente in definierten Bereichen. Die Zusammen setzungsbereiche der Legierungen sind aus den folgenden Gründen so festgelegt.

a) Zn und Al

Zn und Al sind wesentliche Elemente der erfindungsgemäßen Legierung. Diese Elemente tragen dazu bei, die Abnutzungsbe ständigkeit der Legierung zu verbessern, und können ihr Festigkeit und Duktilität verleihen. Zn und Al sind somit Bestandteile, die die Matrixstruktur der Legierung fest legen. In Abhängigkeit von den Gehalten an Zn und Al ändert sich die Struktur zu α+β, β oder β+γ. Wenn der Gehalt an Zn im Bereich von 10 bis 43 Gew.-% (im weiteren der Einfachheit halber als % bezeichnet) und der Gehalt von Al im Bereich von 2 bis 8% liegt, wird die Struktur einer α+β-Phase mit guter Festigkeit, Duktilität und Abnutzungsbe ständigkeit erhalten. Wenn der Gehalt an Zn niedriger ist als 10% und der Gehalt an Al niedriger ist als 2%, erhöht sich die α-Phase, so daß gute charakteristische Eigenschaften nicht erzielt werden können. Andererseits, wenn die Gehalte an Zn und Al 43% bzw. 8% übersteigen, tritt die X-Phase auf, was zu einer Verringerung der Duktilität führt. Demgemäß liegen die Gehalte an Zn und Al in den Bereichen von 10 bis 43% bzw. von 2 bis 8%.

b) Nb oder Mo

Nb oder Mo sollten in der erfindungsgemäßen Legierung ent halten sein. Nb oder Mo ist ein wesentliches Element zum Ausfällen einer für die erfindungsgemäße Legierung inhärenten intermetallischen Verbindung. Die Koexistenz einer intermetallischen Verbindung von Mo oder Nb und einer intermetallischen Verbindung wenigstens eines Elements, ausgewählt aus Zr, Ti und V, führt zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit der Legierung. Wenn der Gehalt an Nb oder Mo niedriger als 0,01% ist, ist die Verbesserung nicht signifikant. Oberhalb 1% wird die inter metallische Verbindung grob, was zu einer Erniedrigung der Duktilität führt. Der Gehalt an Nb oder Mo liegt daher im Bereich von 0,01 bis 1%.

c) Zr, Ti und/oder V

Die erfindungsgemäße Legierung sollte wenigstens ein Element enthalten, das aus Zr, Ti und V ausgewählt ist. Diese Elemente sind in der Lage, intermetallische Verbindungen mit feine Struktur durch Kombination mit Sn, Mo, Fe, Ni, Co und/oder Si zu bilden, wodurch die Abnutzungsbeständigkeit verbessert wird. Wenn der Gehalt dieses wenigstens einen Elements niedriger als 0,01% ist, wird die Ver besserungswirkung nicht erreicht. Oberhalb 2% wird die intermetallische Verbindung grobkörnig, was zu einer Er niedrigung der Duktilität führt. Der Gehalt an dem wenigstens einen Element liegt daher im Bereich von 0,01 bis 2%.

d) Sn und/oder Fe, Ni und/oder Co

Wenn Nb verwendet wird, sollte Sn und/oder wenigstens ein Element, daß aus Fe, Ni und Co ausgewählt ist, in der erfindungsgemäßen Legierung verwendet werden.

Sn ist in der Lage, eine intermetallische Verbindung mit Nb, Zr, Ti oder V zu bilden. Die intermetallische Verbindung ist gleichmäßig und fein in der Legierungsmatrix dispergiert und verbessert somit die Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit der Legierung. Wenn der Gehalt an Sn niedriger ist als 0,1%, wird die beabsichtigte Verbesserungswirkung nicht erzielt. Oberhalb 3% wird nicht nur die Festigkeit und Abnutzungsbe ständigkeit nicht weiter verbessert, sondern auch die Warmbearbeitbarkeit vermindert. Demgemäß liegt der Gehalt an Sn im Bereich von 0,1 bis 3%.

Fe, Ni und/oder Co sind in der Lage intermetallische Ver bindungen mit Nb, Zr, Ti, V und/oder Si zu bilden, um die Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit der Legierung zu verbessern. Wenn der Gehalt an diesem wenigstens einen Element niedriger ist als 0,1%, ist die Verbesserungswirkung nicht signifikant. Oberhalb 5% ist die Duktilität erniedrigt. Demgemäß liegt der Gehalt an Fe, Ni und/oder Co im Bereich von 0,1 bis 5%.

Wenn Mo anstelle von Nb verwendet wird, werden Fe, Ni und/oder Co ebenfalls verwendet, da sie auch in der Lage sind, mit Mo (ähnlich wie mit Nb) intermetallische Ver bindungen zu bilden. In diesem Fall liegt der Gehalt im Bereich von 0,1 bis 5%.

Wenn Sn in Kombination mit Nb verwendet wird, kann weiterhin wenigstens ein Element, ausgewählt aus Fe, Ni und Co, in einer Menge von 0,1 bis 5%, 0,1 bis 3% Mn und/oder 0,1 bis 3% Pb verwendet werden. Alternativ dazu, wenn wenigstens ein Element, ausgewählt aus Fe, Ni und Co, in Kombination mit Nb verwendet wird, können 0,1 bis 3% Mn, von 0,1 bis 2% Si, von 0,1 bis 3% Sn und/oder von 0,1 bis 3% Pb verwendet werden. Überdies kann die Legierung, wenn Mo anstelle von Nb und in Kombination mit wenigstens einem Element, ausgewählt aus Fe, Ni und Co, verwendet wird, weiterhin von 0,1 bis 3% Mn, von 0,1 bis 2% Si, von 0,1 bis 3% Sn und von 0,1 bis 3% Pb um fassen. Diese fakultativen Elemente sind im weiteren beschrieben.

e) Mn

Mn kann die Legierung durch Bildung einer festen Lösung in der Legierungsmatrix festigen und besitzt die Wirkung, die Legierungsstruktur im Hinblick auf die thermische Vorge schichte zu stabilisieren. Demgemäß wird Mn fakultativ der Legierung zugesetzt. Wenn der Gehalt an Mn niedriger ist als 0,1%, ist die Festigungs- und Stabilisierungswirkung nicht signifikant entwickelt. Andererseits, oberhalb 3%, ist es wahrscheinlich, daß eine Oxidschlacke zum Zeitpunkt des Schmelzens der Legierung erzeugt wird, was zu einem Mangel an Fehlerfreiheit im resultierenden Gußblock führt. Der Gehalt liegt somit im Bereich von 0,1 bis 3%.

f) Si

Si verstärkt die intermetallische Verbindung zwischen Mo oder Nb und wenigstens einem Element, das aus Zr, Ti und V ausgewählt ist, und verbessert somit die Abnutzungs beständigkeit. Si wird fakultativ zugesetzt, wenn eine bessere Abnutzungsbeständigkeit erforderlich ist. Wenn der Gehalt niedriger ist als 0,1%, ist die Verbesserungswirkung nicht signifikant. Oberhalb 2%, wird die intermetallische Verbindung grobkörnig, was zu einer Erniedrigung der Duktilität führt. Der Gehalt liegt somit im Bereich von 0,1 bis 2%.

g) Sn

Wie zuvor ausgeführt, wird dieses Element, anstelle von Fe, Ni, und/oder Co in Kombination mit Nb, verwendet, um eine intermetallische Verbindung mit Nb, Zr, Ti und/oder V zu bilden. Im allgemeinen besitzt Sn jedoch die Wirkung, der Legierung eine gute Gleiteigenschaft zu verleihen. Wenn der Gehalt niedriger ist als 0,1%, ist die Wirkung nicht signifikant. Oberhalb 3% wird die Warmbearbeitbarkeit vermindert. Der Gehalt liegt somit im Bereich von 0,1 bis 3%.

h) Pb

Pb wird fakultativ zu dem Zweck zugesetzt, die Legierung im Hinblick auf die maschinelle Bearbeitbarkeit zu verbessern oder dort, wo gute maschinelle Bearbeitbarkeit erforderlich ist. Wenn der Gehalt niedriger ist als 0,1%, wird die maschinelle Bearbeitbarkeit nicht signifikant verbessert. Oberhalb 3% findet im beträchtlichen Maße eine Segregation des Elementes statt, was zur Verringerung der Festigkeit und der Warmverarbeitbarkeit führt. Demgemäß liegt der Gehalt im Bereich von 0,1 bis 3%.

Die vorliegende Erfindung wird mittels der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Kupferlegierungen, die die in der anliegenden Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen aufweisen, wurden geschmolzen und gegossen, anschließend warmgeschmiedet und einem Zugver such zur Beurteilung der Festigkeit, einem Kerbschlagebiege versuch nach Charpy zur Beurteilung der Duktilität und einem Abnutzungsbeständigkeitstest unterworfen, wobei hierfür ein Synchronisierring für Kraftfahrzeuggetriebe hergestellt wurde und dessen kegelförmige Fläche einem Abnutzungsbe ständigkeitstest unter Verwendung eines Konus aus Stahl material unterworfen wurde (JIS SCM420H9). Die Testbe dingungen des Abnutzungsbeständigkeitstests schlossen eine Ringdrucklast von 60 kgf, eine Gleitgeschwindigkeit von 4,7 m/s und eine Anzahl von Druckzyklen von 2000 ein. ATF Dexron wurde als Schmieröl verwendet und der Grad der Verschiebung durch Abnutzung (d. h. der Grad der Verschiebung des Synchronisierrings entlang der axialen Richtung des Konus) wurde gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Wie aus den Ergebnissen von Tabelle 1 deutlich wird, besitzen die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen hohe Festigkeit, hohe Duktilität und eine gute Abnutzungsbe ständigkeit. Im Gegensatz dazu sind die Vergleichs legierungen, in denen der Gehalt oder die Gehalte einiger Elemente außerhalb des Bereichs der Erfindung liegen, schlechter in einer oder allen Eigenschaften. Die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen können somit harten Gleitbedingungen standhalten, die durch Hochgeschwindig keits- und Hochbelastungsbetrieb hervorgerufen werden und auch durch die niedrige Viskosität von Schmierölen.

Beispiel 2

Das allgemeine Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, die erfindungsgemäßen Legierungszusammen setzungen und daß die Vergleichslegierungen die in der beiliegenden Tabelle 2 angegebenen waren. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 2 dargestellt.

Die Ergebnisse von Tabelle 2 zeigen, daß die erfindungsge mäßen Kupferlegierungen in Festigkeit, Duktilität und Abnutzungsbeständigkeit besser sind als die Vergleichsle gierungen, wie bei den Legierungen von Beispiel 1.

Beispiel 3

Das allgemeine Verfahren der Beispiele 1 und 2 wurde wieder holt, mit der Ausnahme, daß die erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzungen und die Vergleichslegierungen die in Tabelle 3 angegebenen waren. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 3 dargestellt, mit ähnlichen Ergebnissen.

Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

1. Abnutzungsbeständige Kupferlegierung, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

1) von 10 bis 43% Zn;
2) von 2 bis 8% Al;
3) von 0,01 bis 1% eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Nb und Mo besteht;
4) von 0,01 bis 2% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Zr, Ti und V besteht;
5) von 0,1 bis 3% Sn oder von 0,1 bis 5% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, wenn das Element in (3) Nb ist, oder von 0,1 bis 5% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, wenn das Element in (3) Mo ist; und
6) Rest Cu und unvermeidliche Verunreinigungen, jeweils bezogen auf das Gewicht.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element in (3) Nb und das Element in (5) Sn ist.

3. Kupferlegierung nach Anspruch 2, weiter gekennzeichnet durch 0,1 bis 5 Gew.-% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, und/oder 0,1 bis 3 Gew.-% Mn und/oder 0,1 bis 3 Gew.-% Pb.

4. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element in (3) Nb und das Element in (5< daß wenigstens eine Element, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, ist.

5. Kupferlegierung nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet durch wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Mn, Si, Sn und Pb besteht, vorausgesetzt, daß der Gehalt von Mn, Sn und Pb jeweils im Bereich von 0,1 bis 3 Gew.-% und der Gehalt von Si im Bereich von 0,1 bis 2 Gew.-% liegt.

6. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element in (3) Mo ist.

7. Kupferlegierung nach Anspruch 6, weiter gekennzeichnet durch wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Mn, Si, Sn und Pb besteht, vorausgesetzt, daß der Gehalt von Mn, Sn und Pb jeweils im Bereich von 0,1 bis 3 Gew.-% und Gehalt von Si im Bereich von 0,1 bis 2 Gew.-% liegt.

8. Synchronisierring für Kraftfahrzeuggetriebe, gekenn zeichnet durch eine abnutzungsbeständige Kupferlegierung, die im wesentlichen aus folgendem besteht:

1) von 10 bis 43% Zn;
2) von 2 bis 8% Al;
3) von 0,01 bis 1% eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Nb und Mo besteht;
4) von 0,01 bis 2% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Zr, Ti und V besteht;
5) von 0,1 bis 3% Sn oder von 0,1 bis 5% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, wenn das Element in (3) Nb ist, oder von 0,1 bis 5% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, wenn das Element in (3) Mo ist; und
6) Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen, jeweils bezogen auf das Gewicht.

9. Synchronisierring nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Element in (3) in der Legierung Nb und das Element in (5) Sn ist.

10. Synchronisierring nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Legierung außerdem von 0,1 bis 5 Gew.-% wenigstens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, und/oder von 0,1 bis 3 Gew.-% Mn und/oder von 0,1 bis 3 Gew.-% Pb umfaßt.

11. Synchronisierring nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Element in (3) in der Legierung Nb und das Element in (5) das wenigstens eine Element, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Fe, Ni und Co besteht, ist.

12. Synchronisierring nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Legierung außerdem wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Mn, Si, Sn und Pb besteht, umfaßt, vorausgesetzt, daß der Gehalt an Mn, Sn und Pb jeweils im Bereich von 0,1 bis 3 Gew.-% und der Gehalt an Si im Bereich von 0,1 bis 2 Gew.-% liegt.

13. Synchronisierring nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Element in (3) Mo ist.

14. Synchronisierring nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Legierung außerdem wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Mn, Si, Sn und Pb be steht, umfaßt, vorausgesetzt, daß der Gehalt von Mn, Sn und Pb jeweils im Bereich von 0,1 bis 3 Gew.-% und der Gehalt an Si im Bereich von 0,1 bis 2 Gew.-% liegt.