DE4035264C2

DE4035264C2 - Abnutzungsbeständige Kupferlegierungen und Verwendung derselben für Synchronisierringe in Kraftfahrzeuggetrieben

Info

Publication number: DE4035264C2
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: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2010-11-03
Also published as: DE4035264A1

Description

Die Erfindung betrifft abnutzungsbeständige Kupferlegie rungen sowie die Verwendung derselben für Synchronisier ringe in Kraftfahrzeuggetrieben.

Abnutzungsbeständige Messinglegierungen, die unter Hoch geschwindigkeits- und Hochbelastungsbedingungen herkömm licherweise verwendet worden sind, sind solche, in denen intermetallische Verbindungen, wie etwa Mn₅Si₃, ausgefällt werden. Wenn sie jedoch unter härteren Gleitbedingungen verwendet werden, die bei Betrieb mit hoher Ge schwindigkeit und hoher Belastung mit Neigung zu niedri ger Viskosität der Schmieröle auftreten, sind die bekann ten Messinglegierungen in der praktischen Anwendung im Hinblick auf Festigkeit, Duktilität und Abnutzungsbe ständigkeit nicht befriedigend. Demgemäß besteht ein starkes Bedürfnis nach Messinglegierungen mit besseren charakteristischen Eigenschaften.

Die US-PS 4148635 offenbart eine Kupferlegierung mit 66 bis 80% Kupfer, 15 bis 32,5% Zink, 1 bis 5% Aluminium, 0,1 bis 3% Kobalt, Titan oder Chrom, 0,2 bis 5% Nickel, 0,2 bis 1,5% Eisen und 0,02 bis 1% Niob.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neuartige Kup ferlegierungen zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Festigkeit, hohe Duktilität und gute Abnutzungsbeständig keit besitzen und insbesondere zur Verwendung für Synchronisierringe in Kraftfahrzeuggetrieben geeignet sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Kupferlegierun gen nach den Ansprüchen 1 und 3 gelöst. Die Unteransprü che 2 und 4 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Desweiteren betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Kupferlegierungen für Synchronisierrin ge in Kraftfahrzeuggetrieben.

Die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen umfassen unter schiedliche Elemente in definierten Bereichen. Die Zusam mensetzungsbereiche der Legierungen sind aus den folgen den Gründen so festgelegt.

(a) Zn und Al

Zn und Al sind wesentliche Elemente der erfindungsgemäßen Legierung. Diese Elemente tragen dazu bei, die Abnutz ungsbeständigkeit der Legierungen zu verbessern, und kön nen ihr Festigkeit und Duktilität verleihen. Zn und Al sind somit Bestandteile, die die Matrixstruktur der Le gierung festlegen. 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, Duktili tät und Abnutzungsbeständigkeit erhalten. Wenn der Gehalt an Zn niedriger ist als 10% und der Gehalt an Al niedri ger ist als 2%, erhöht sich die α-Phase, so daß gute cha rakteristische Eigenschaften nicht erzielt werden können. Andererseits, wenn die Gehalte an Zn und Al 43% bzw. 8% übersteigen, tritt die γ-Phase auf, was zu einer Verrin gerung 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 enthalten 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 Ele ments, ausgewählt aus Zr, Ti und V, führt zu einer bemer kenswerten Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit der Legierung. Wenn der Gehalt an Nb oder Mo niedriger als 0,01% ist, ist die Verbesserung nicht signifikant. Ober halb 1% wird die intermetallische 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 Ele ment enthalten, das aus Zr, Ti und V ausgewählt ist. Die se Elemente sind in der Lage, intermetallische Verbindun gen mit feine γ Struktur durch Kombination mit Sn, Mo, Fe, Ni, Co und/oder Si zu bilden, wodurch die Abnutzungsbe ständigkeit verbessert wird. Wenn der Gehalt dieses we nigstens einen Elements niedriger als 0,01% ist, wird die Verbesserungswirkung 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, wird Sn und/oder wenigstens ein Element, daß aus Fe, Ni und Co ausgewählt ist, in der erfindungsgemäßen Legierung verwendet.

Sn ist in der Lage, eine intermetallische Verbindung mit Nb, Zr, Ti oder V zu bilden. Die intermetallische Verbin dung ist gleichmäßig und fein in der Legierungsmatrix dispergiert und verbessert somit die Festigkeit und Ab nutzungsbeständigkeit der Legierung. Wenn der Gehalt an Sn niedriger ist als 0,1%, wird die beabsichtigte Verbes serungswirkung nicht erzielt. Oberhalb 3% wird nicht nur die Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit nicht weiter verbessert, sondern auch die Warmbearbeitbarkeit vermin dert. 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 Verbesserungswir kung 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 wei terhin 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 ei nem 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 umfassen. Diese fa kultativen 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 Vorgeschichte zu stabilisieren. Demgemäß wird Mn fakulta tiv der Legierung zugesetzt. Wenn der Gehalt an Mn nied riger ist als 0,1%, ist die Festigungs- und Stabilisie rungswirkung 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 Verbesserungs wirkung nicht signifikant. Oberhalb 2%, wird die inter metallische Verbindung grobkörnig, was zu einer Erniedri gung der Duktilität führt. Der Gehalt liegt somit im Be reich von 0,1 bis 2%.

(g) Sn

Wie zuvor ausgeführt, wird dieses Element auch 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 Wir kung, der Legierung eine gute Gleiteigenschaft zu verlei hen. Wenn der Gehalt niedriger ist als 0,1%, ist die Wir kung nicht signifikant. Oberhalb 3% wird die Warmbear beitbarkeit 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 ver bessern 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 Verringe rung der Festigkeit und der Warmverarbeitbarkeit führt. Demgemäß liegt der Gehalt im Bereich von 0,1 bis 3%.

Die vorliegende Erfindung wird mittels des folgenden Beispiels näher erläutert.

Beispiel

Kupferlegierungen, die die in den anliegenden Tabellen angegebenen Zusammensetzungen aufweisen, wurden geschmol zen und gegossen, anschließend warmgeschmiedet und einem Zugversuch zur Beurteilung der Festigkeit, einem Kerb schlagebiegeversuch nach Charpy zur Beurteilung der Duk tilität und einem Abnutzungsbeständigkeitstest unterwor fen, wobei hierfür ein Synchronisierring für Kraftfahr zeuggetriebe hergestellt wurde und dessen kegelförmige Fläche einem Abnutzungsbeständigkeitstest unter Verwen dung eines Konus aus Stahlmaterial unterworfen wurde (JIS SCM420H9). Die Testbedingungen des Abnutzungsbeständig keitstests 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 den anliegenden Tabellen dargestellt.

Wie aus den Ergebnissen der anliegenden Tabellen deutlich wird, besitzen die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen hohe Festigkeit, hohe Duktilität und eine gute Abnut zungsbeständigkeit. Im Gegensatz dazu sind die Ver gleichslegierungen, 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.

Claims

1. Abnutzungsbeständige Kupferlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

(1) 10 bis 43% Zink,
(2) 2 bis 8% Aluminium,
(3) 0,01 bis 1% Molybdän
(4) 0,01 bis 2% Zirkonium, Titan und/oder Vanadium,
(5) 0,1 bis 5% Eisen, Nickel und/oder Kobalt sowie
(6) Kupfer als Rest mit unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,1 bis 3% Mangan, 0,1 bis 2% Silicium, 0,1 bis 3% Zinn und/oder 0,1 bis 3% Blei enthält.

3. Abnutzungsbeständige Kupferlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

(1) 10 bis 43% Zink,
(2) 2 bis 8% Aluminium,
(3) 0,01 bis 1% Niob.
(4) 0,01 bis 2% Zirkonium, Titan und/oder Vanadium,
(5) 0,1 bis 3% Zinn und/oder 0,1 bis 5% Eisen, Nickel und/oder Kobalt,
(6) von 56 bis 65% Kupfer als Res mit unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

4. Kupferlegierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,1 bis 3% Mangan, 0,1 bis 2% Silicium und/oder 0,1 bis 3% Blei enthält.

5. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für einen Synchronisierring im Kraftfahrzeuggetriebe.