DE4340758C2 - Verwendung einer Sinterlegierung für Synchronringe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Eisenbasis-Sinterlegierung für Synchronringe und insbesondere für einen Synchronring mit ausgezeichneten Rei­ bungseigenschaften und ausreichenden Antiverschleiß- und Haltbarkeitseigenschaften, der stetig eine hohe Qualität aufweist.

Ein üblicher in Fig. 1 dargestellter Synchronring 1 ist, wie allgemein bekannt, aus Messing (Kupfer-Zink-Legierung). Er ist zylindrisch mit einer Außenfläche, die einen äußeren Randbereich 105 und eine Vielzahl von Zähnen 100 aufweist. Eine Innenfläche 101 des Synchronrings 1 kontaktiert den Ko­ nus. Die Vielzahl von Zähnen 100 ist in einem vorbestimmten Intervall am äußersten Außenumfang des Synchronrings ange­ ordnet. Die Zähne 100 treten mit unterschiedlichen Gegenbau­ teilen, wie einem nicht dargestellten Zahnring, in Eingriff. Eine Keilnut 104 zum Eingriff eines nicht dargestellten Syn­ chronkeils ist im äußeren Randbereich 105 ausgebildet. Die Innenseite 101 des Synchronrings weist eine Vielzahl von ringförmigen Nuten 102 zum Ausüben einer Reibungskraft auf. Weiterhin sind geradlinige Nuten 103 notwendigerweise ortho­ gonal zu den ringförmigen Nuten 102 angeordnet, durch die ein Schmieröl hindurchtreten kann.

Bekannte, mit der vorangehend beschriebenen Struktur aufge­ baute Synchronringe 1 müssen im allgemeinen eine hohe mecha­ nische Festigkeit und eine hohe Präzision aufweisen. Eine Verbesserung der Kraftübertragungsmöglichkeit und Leistung in den letzten Jahren, hat die Zuverlässigkeit der Synchron­ ringe verbessert. Allerdings sind zusätzlich zur Zuverläs­ sigkeit Kraftübertragungen erforderlich, die beim Fahren ei­ nes Fahrzeugs ein luxuriöses oder sportliches Gefühl aufkom­ men lassen. Um diese Eigenschaften bereitzustellen, muß die Innenfläche 101 des Synchronrings 1 ausgezeichnete Reibungs- und Antiverschleißeigenschaften aufweisen. Dies hat die An­ forderungen an die Reibungs- und Antiverschleißeigenschaften der Innenfläche 101 von Synchronringen gesteigert.

Verschiedene Vorschläge sind zu dem Versuch gemacht worden, um die Reibungseigenschaften und die Antiverschleißeigen­ schaften oder die Abnutzungsrate der Innenfläche der Syn­ chronringe zu verbessern. In der japanischen Patentveröf­ fentlichung (Kokoku) Nr. 46-15043 wird eine gleichförmige Mischung eines Metalls, einer Keramik und einem Oxid be­ schrieben, die zerstäubt und auf der Innenfläche des Syn­ chronrings aufgesintert wird. In der deutschen Patentschrift DE 37 05 661 C2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Reib­ rings offenbart, wobei ein Reibbelag aus beispielsweise einem ge­ sinterten Pulver aus 80 Gew.-% eines Pulvermetallwerkstoffes und 20 Gew.-% eines nichtmetallischen Pulverwerkstoffes auf die innere Oberfläche flammgespritzt wird.

Allerdings zeigen die bekannten Synchronringe, die durch Zerstäuben und Aufsintern einer gleichförmigen Mischung von Metall, Keramik und Oxid auf der Innenfläche des Synchron­ rings oder durch Flammspritzen eines Reibfutters aus bei­ spielsweise einem gesinterten Pulver mit 80 Gew.-% Pul­ vermetallwerkstoff und 20 Gew.-% nichtmetallischem Pulver­ werkstoff auf die Innenfläche erhalten werden, nicht die Reibungs- und Antiverschleißeigenschaften, die den wachsen­ den Forderungen der Verbraucher entsprechen können. Weiter­ hin können nach diesen Verfahren hergestellte Synchronringe eine zu geringe Stärke aufweisen, wenn Metallbestandteile nicht gleichmäßig verteilt sind. Weiterhin kann die Qualität aufgrund lokaler Variationen der Zusammensetzung der aufge­ stäubten Schicht unzureichend sein. Oft werden Teilchen un­ vollständig in der Flamme gesintert, oder sie werden während des Zerstäubens verstreut oder verspringen, wobei sie in der Oberflächenschicht des aufgestäubten Films eingeschlossen werden. Da solche Teilchen in bekannter Weise äußerst rauhe Bereiche auf der Oberfläche bilden, kann die Reibungseigen­ schaft sich im Laufe der Zeit leicht ändern. Lösen sich die­ se Partikel von der Oberfläche, führen sie in bekannter Wei­ se zu einem Verschleißen unterschiedlicher Teile in der Kraftübertragung. Andererseits sind Versuche unternommen worden, die äußerst rauhen Bereiche durch Schleifen oder Be­ arbeiten der Oberfläche des aufgestäubten Films zu vermin­ dern. Allerdings erhöht das Schleifen und zusätzliche Bear­ beiten die Kosten und verschwendet Werkstoffe, wodurch der Ertrag beeinflußt wird.

Aus der GB-A- 22 54 337 ist eine verschleißbeständige gesin­ terte Legierung vom sekundären Härtetyp bekannt mit einer Matrix, umfassend 0,4 bis 15 Gew.-% wenigstens eines Metall-Karbid bildenden Elementes, ausgewählt aus der Gruppe beste­ hend aus W, Mo, V, Ti, Nb, Ta und B; 5 bis 35% wenigstens eines Austenit bildende Elementes gewählt aus der Gruppe Ni, Co, Cu und Zr; und 0,2 bis 1,2 Gew.-% C; wobei der Rest im wesentlichen aus Fe besteht. Sie weist eine Matrix aus Austenit auf, wel­ che einer martensitischen Umwandlung unterzogen werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstige Legierung für einen Synchronring von hoher Qualität bereitzustellen, der eine hohe mechanische Festigkeit mit aus­ gezeichneten Reibungs- und Antiverschleißeigenschaften auf­ weist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Legierung für einen Synchronring bereitzustellen, der eine stabile Qualität aufweist, und der kein Schleifen oder Bearbeiten des aufgestäubten Films erfordert.

Diese Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dadurch gelöst, daß eine Legierung für einen Synchronring bereitgestellt wird, der aus einem eisenhaltigen, porösen Sinterteil aus 0,2 bis 1,0 Gew.-% Kohlenstoff, 8,0 bis 15,0 Gew.-% Kup­ fer, 0,1 bis 7,0 Gew.-% wenigstens einer aus der folgenden Gruppe ausgewählten Komponente bestehend aus Chrom, Mangan, Molybdän und Phosphor, dem Rest Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen gebildet ist. Ein ungebundenes Kupfer ist in der Matrix aus der gesinterten Legierung abgeschieden. Das Gefüge weist eine bainitisch-perlitische Matrix und ei­ nen Porenanteil von 3 bis 8 Vol-% auf.

Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung in Zusammenhang mit den in Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Syn­ chronrings; und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines drehbaren, Planargleit-Reibungstestgerätes zur Bestimmung des Gleitreibungskoeffizienten für ein Beispiel gemäß der Erfindung.

Zuerst werden die Gründe für die prozentmäßigen Beschränkun­ gen eines jeden Bestandteils des Synchronrings gemäß der Er­ findung beschrieben.

Bei der vorgeschlagenen Legierung ist Kohlenstoff von 0,2 bis 1,0 Gew.-% enthalten. Eine Ein­ lagerung des Kohlenstoffs verbessert die Festigkeit und die Antiverschleißeigenschaften des Synchronrings. Allerdings sind solche Verbesserungen nur bei 0,2 oder mehr Gew.-% von Kohlenstoff erkennbar. Andererseits, wenn der Kohlenstoffge­ halt 1,0 Gew.-% übersteigt, nimmt die Zähigkeit des Rings ab, und der Ring zeigt die Neigung, das Gegenbauteil zu beschädi­ gen. Deshalb wird Kohlenstoff im Bereich zwischen 0,2 Gew.-% und 1,0 Gew.-% zugesetzt.

Kupfer ist in der gesinterten Legierung mit 8,0 bis 15,0 Gew.-% enthalten. Einlagerungen von ungebundenen Kup­ ferteilchen verbessern die Gleitreibung. Kupfer wird in der Matrix gelöst durch Diffusionsbeschichtung von pul­ verförmigem Kupfer auf Eisenpulver bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes, wobei Poren zurückbehalten wer­ den. Das heißt, vor Erreichen des Schmelzpunktes von Kupfer werden in den Pulvern winzige Poren gebildet. Nach Erreichen des Schmelzpunktes dringt geschmolzenes Kupfer in die winzi­ gen Poren aufgrund der Kapillarwirkung ein, wodurch die auf­ geschmolzenen Poren erhalten werden. Da eine Matrix aus Kup­ fer/α-Eisen maximal 8 Gew.-% Kupfer enthalten kann, wird sich eine ungebundene Kupferphase nur abscheiden, wenn nicht weniger als 8 Gew.-% Kupfer enthalten ist. Andererseits, wenn der Kupferanteil 15 Gew.-% übersteigt, verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Zähigkeit der gesinterten Legierung. Deshalb wird ein Kupfe­ ranteil von 8 bis 15 Gew.-% gewählt.

Einlagerungen von Chrom, Mangan, Molybdän oder Phosphor oder einer Kombination dieser Elemente verbessern die Zugfestig­ keit und Zähigkeit und ebenso die Antiverschleißeigen­ schaften, wobei gleichzeitig die Härte erhöht wird. Aller­ dings muß der Gesamtanteil dieser Elemente 0,1 Gew.-% oder mehr betragen, um diese Verbesserungen zu erhalten. Steigt andererseits der Gesamtanteil dieser Elemente über 7 Gew.-%, ergibt sich keine weitere Verbesserung dieser Eigenschaften. Deshalb beträgt der Anteil dieser Elemente 0,1 bis 7 Gew.-%.

Hinsichtlich der Porosität ist zu beachten, daß, je größer die Porosität ist, desto größer ist die Reibungskraft. Wei­ terhin, je niedriger die Porosität ist, desto besser sind die Antiverschleißeigenschaften. Die Innenfläche, die im Reibungskontakt mit dem Konus steht, muß insbesondere eine hohe Reibungskraft aufweisen und ausgezeichnete Antiver­ schleißeigenschaften haben. Folglich muß die Porosität so gewählt werden, daß die gegensätzlichen Anforderungen an Reibungskraft und Antiverschleißeigenschaft ausgeglichen werden. Eine Verminderung der Porosität auf weniger als 3% des Gesamtvolumens verschlechtert die Reibungskraft erheb­ lich. Nimmt die Porosität über 8% des Gesamtvolumens zu, sinken die Festigkeit und die Antiverschleißeigenschaften. Daher wird eine Porosität im Bereich von 3 bis 8% des Gesamtvolu­ mens gewählt.

Im folgenden werden verschiedene spezifische Beispiele gemäß der Erfindung beschrieben.

Es wurden Graphitpulver, Kupferpulver und ein Pulver einer Fe-Cr-Mn-Mo-P-Legierung (Cr: 1,10%, Mn: 0,63%, Mo: 0,32%, P: 0,20%, Rest Eisen) vorbereitet, wobei die Teilchengröße 100 µm ist. Diese Bestandteile wurden mit den in Tabelle 1 dar­ gestellten Mengen gemischt, um Beispiel 1 und Beispiel 2 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und ein Ver­ gleichsbeispiel zu erhalten. Nach Mischen unter Normalbedin­ gungen wurde die Pulvermischung mit 600 N/mm² zu einem Grünling verpreßt. Dieser wurde in Ammoniak-Spalt­ gas bei einer Temperatur von 1000 bis 1200°C für 80 Min. gesintert, um einen gesinterten Preßling aus den in Tabelle 1 genannten Materia­ lien zu bilden.

TABELLE 1 - Zusammensetzung der gesinterten Gemische

Gemischanteil (in Gewichts-%))

Die Reibungseigenschaften des gesinterten Körpers wurden auf die folgende Weise bestimmt.

Die Reibungseigenschaften wurden durch Messung des Reibungs­ koeffizienten unter den unten beschriebenen Bedingungen ge­ messen, wobei ein drehbares Planargleit-Reibungstestgerät nach Fig. 2 verwendet wurde.

Testbedingungen:
Andrucklast: 250 N, 800 N
Gleitgeschwindigkeit: 1 m/s
Andruckzeit: 0,2 s
Schmieröl: 75 W-90 (Zahnradöl oder Mineralöl nach dem SAE-Standard)
Öltemperatur: 55°C
Rate der Ölzufuhr: 0,04 l/Min.

Material des Gegenbauteils:
SCr420 [Oberflächenhärte Hv 580] bestimmt als JIS G 4104 mit (in Gew.-%) C: 0,18-0,23, Si: 0,15-0,35, Mn: 0,60-0,85, P: max. 0,030, S: max. 0,030, Cr: 0,90-1,20, Fe: Rest.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm zur Darstellung ei­ nes drehbaren, Planargleit-Reibungstestgerätes zur Messung des Reibungskoeffizienten eines Synchronringprobenkörper 11, wobei der Probenkörper 11 mit einem vorbestimmten Druck (P) für eine bestimmte Zeit auf eine rotierende Oberfläche des Gegenbauteils 12 aufgedrückt wird. Das Gegenbauteil 12 dreht sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit.

Der Gleitreibungskoeffizient von Eisen enthaltenen, gesin­ terten Legierungen gemäß des ersten und zweiten Beispiels und des Vergleichsbeispiels ist in Tabelle 2 aufgeführt.

TABELLE 2 - Reibungseigenschaften

Wie sich eindeutig aus Tabelle 2 ergibt, war der Gleitrei­ bungskoeffizient des Synchronringprobenkörpers gemäß der Er­ findung stabil unter einer Andrucklast sowohl von 25 Kgf, d. h. bei langsamer Synchronisierung, und auch bei 80 Kgf, d. h. bei schneller Synchronisierung. Allerdings ist der bei dem Vergleichsbeispiel festgestellte Gleitreibungskoeffizi­ ent bei (langsamer Synchronisierung) nur halb so groß wie der bei (schneller Synchronisierung) beobachtete Wert, was auf eine instabile Synchronisationseigenschaft insbesondere bei langsamer Synchronisierung hinweist.

Der prozentmäßige Anteil des Oberflächenbereichs von unge­ bundenem Kupfer betrug 3 bis 8% bei einem Kupferanteil von 10 Gew.-% und 5 bis 10% bei einem Gewichtsanteil von Kupfer von 15 Gew.-%. Ungebundenes Kupfer, Bainit- und Perlit-Pha­ sen koexistierten in der Matrix. Die Matrixhärte (HV 0,1, wobei "0,1" eine MikroVickers-Härte mit einer Last von 100 g impliziert) der Bainit-Phase beträgt 560 bis 640. Die Ma­ trixhärte (HV 0,1) der Perlit-Phase beträgt 310 bis 350. Die Phase des ungebundenen Kupfers ist weicher als die vorange­ henden Phasen mit einer Härte (HV 0,1) von 120 bis 160. Dar­ aus ist ersichtlich, daß die Phase ungebundenen Kupfers ein weiches Material darstellt zur Stabilisierung der Reibungs­ eigenschaft in dem sich ergebenden Reibungsbauteil.

Aufgrund der vorliegenden Erfindung erhält man folglich einen Synchron­ ring mit stabilen Reibungseigenschaften und stabiler Qualität ohne Bilden einer aufgestäubten Schicht und ohne Schleifen und Nachbearbeiten der aufgestäubten Schicht. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung einen Synchron­ ring bereit, der eine ausgezeichnete Synchrondrehung und Trennung relativ vom Konus durchführen kann.

Claims (1)

1. Verwendung einer porösen Eisenbasis-Sinterlegierung, bestehend aus (in Gew.-%)
   Kohlenstoff: 0,2-1,0%
   Kupfer: 8,0-15,0%
   Chrom, Mangan, Molybdän und/oder Phosphor: 0,1-7,0%
   Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen als Rest,
   wobei Kupfer in der gesinterten Matrix abgeschieden ist, als Werkstoff zur Herstellung von Synchronrin­ gen, mit der Maßgabe, daß die Sinterteile neben Kup­ fer eine bainitisch-perlitische Matrix und einen Po­ renanteil von 3 bis 8 Vol.-% aufweisen.