ES2711794T3 - Aleación de cobre-zinc y uso de una aleación de este tipo - Google Patents

Abstract

Aleación de cobre-zinc que comprende, en porcentaje en peso, 58,2 a 58,7 % de cobre, 1,8 a 2,2 % de aluminio, 2,4 a 2,8 % de manganeso, 0,9 a 1,2 % de silicio, 0,2 a 0,35 % de hierro, 0 a 0,3 % de plomo, a 0,3 % de níquel, 0 a 0,3 % de estaño, el resto zinc, así como impurezas inevitables.

Description

DESCRIPCION

Aleacion de cobre-zinc y uso de una aleacion de este tipo

La invencion se refiere a una aleacion de cobre-zinc de acuerdo con la reivindicacion 1, asf como a un uso de una aleacion de este tipo de acuerdo con la reivindicacion 8.

Para materiales que se emplean en sistemas de friccion son de extraordinaria importancia una elevada resistencia al desgaste, asf como propiedades de friccion definidas y constantes a lo largo de la vida util. En particular, para anillos sincronizadores de cajas de cambios para vehfculos se requiere, junto a la elevada resistencia al desgaste, tambien un elevado coeficiente de rozamiento dinamico, asf como un par inicial de arranque lo mas bajo posible. Mediante una elevada resistencia al desgaste se aumenta la vida util de las piezas componentes. Un coeficiente de rozamiento dinamico elevado posibilita una transmision de momentos de rozamiento elevados y, con ello, un cambio rapido. Un par inicial de arranque bajo es premisa, entre otros, de una buena comodidad de cambio.

Del estado de la tecnica ya se conocen una pluralidad de aleaciones de cobre-zinc que se utilizan para anillos sincronizadores. A modo de ejemplo, se han de mencionar aquf la aleacion del tipo CuZn37Mn3Al2PbSi (norma EP CW713R) y la aleacion del tipo CuZn40Al2 (norma DIN 17660). En estas aleaciones, el silicio se presenta unido en forma de siliciuros duros - predominantemente siliciuros de manganeso - . Sin embargo, estas aleaciones presentan solo una resistencia al desgaste media y muestran un elevado par inicial de arranque, lo cual se traduce en vidas utiles breves de las piezas componentes y en una comodidad de cambio moderada.

Frente a las mencionadas aleaciones normalizadas, las aleaciones de laton altamente aleadas para anillos sincronizadores tal como se describen, p. ej., en el documento DE 37 35 738 o el documento DE 29 19 478, presentan una estabilidad al desgaste considerablemente incrementada. Sin embargo, estas aleaciones tienen costes de material muy elevados. Ademas de ello, el silicio contenido en estas aleaciones esta unido en enlaces intermetalicos, a saber en forma de siliciuro de nfquel o bien siliciuro de manganeso o de hierro. La elevada proporcion de fases intermetalicas perjudica la procesabilidad de estas aleaciones y reduce la vida util de herramientas, con lo cual resultan costes de fabricacion claramente mas elevados.

A partir del documento GB 207.826 A se conoce, ademas, una aleacion de cobre-zinc que, en porcentaje en peso en el caso de un contenido de cobre de aproximadamente 58 %, presenta una proporcion de silicio no menor que 0,5 %, en particular ente 0,6 y 1,5 %. Ademas, en la citada aleacion de cobre-zinc esta contenido 2 a 2,5 % de manganeso, asf como menos de 4 % de hierro que forman con el silicio como material duro cristales mixtos. Adicionalmente, esta contenido 1,5 a 2 % de aluminio, asf como 36 a 37 % de zinc. La aleacion indicada ha de ser adecuada particularmente para elementos de cojinete.

Ademas, a partir del documento JP 56163231 A y del documento JP 56127741 A se conoce en cada caso una aleacion de cobre-zinc que en porcentaje en peso comprende 54 a 66 % de cobre, 1 a 5 % de aluminio, 1 a 5 % de manganeso, 0,2 a 1,5 % de silicio, 0,1 a 2 % de hierro, 0,5 a 4 % de nfquel, 0,2 a 2 % de estano, asf como zinc como resto. La aleacion de acuerdo con el documento JP 56163231 A comprende adicionalmente plomo con una proporcion entre 0,2 y 1,5 %. La elevada dureza y estabilidad al desgaste deseadas de las aleaciones de cobre-zinc indicadas se basa en la presencia de siliciuros de manganeso como compuestos intermetalicos.

En conocimiento de estas particularidades, la presente invencion se basa, por lo tanto, en el planteamiento del problema de proporcionar una aleacion de cobre-zinc y un uso de una aleacion de este tipo que presente una elevada estabilidad al desgaste y un comportamiento al par inicial de arranque mejorado, sin que con ello se perjudique una buena procesabilidad y una capacidad de fabricacion economica.

El problema primeramente mencionado en relacion con una aleacion de cobre-zinc se resuelve de acuerdo con la invencion mediante una aleacion de cobre-zinc que comprende, en porcentaje en peso, 58,2 a 58,7 % de cobre, 1,8 a 2,2 % de aluminio, 2,4 a 2,8 % de manganeso, 0,9 a 1,2 % de silicio, 0,2 a 0,35 % de hierro, 0 a 0,3 % de plomo, hasta 0,3 % de nfquel, 0 a 0,3 % de estano, el resto zinc, asf como impurezas inevitables.

Para la solucion del problema planteado es de importancia decisiva el que la matriz de la mencionada aleacion de cobre-zinc contenga una pequena proporcion de silicio que este presente en forma libre, es decir, no este en forma de siliciuros.

Se parte del hecho de que el silicio libre actua como inhibidor contra la formacion de tribocapas que fomentan el desgaste y que aumentan el par inicial de arranque, las cuales se forman como consecuencia de la actuacion de aditivos del aceite sobre la aleacion.

De manera decisiva para la mejora del comportamiento del par inicial de arranque es, ademas, el que el contenido en hierro se limite a un intervalo de concentraciones estrecho. Tanto contenidos mas bajos que 0,15 % de hierro como contenidos superiores a 0,4 % empeoran considerablemente el par inicial de arranque.

La citada aleacion de cobre-zinc muestra, en comparacion con las aleaciones estandares hasta ahora conocidas, tanto en un comportamiento de rozamiento como tambien en la resistencia al desgaste, un rendimiento considerablemente incrementado, manteniendose al mismo tiempo las ventajas de una buena aptitud de fabricacion y de procesabilidad con unos costes de fabricacion, en conjunto, bajos. Las mejoras alcanzadas mediante el silicio libre de las propiedades de la aleacion son sorprendentes, ya que hasta ahora se partio del hecho de que la calidad de las propiedades de rozamiento y la resistencia al desgaste son determinadas positivamente por parte de los siliciuros. Por el contrario, silicio libre se evito en aleaciones para materiales de friccion, ya que el silicio actua, de manera conocida, de forma muy intensa sobre los rasgos de la estructura, lo cual conduce en el caso de una concentracion demasiado elevada de silicio libre, a la formacion de la fase gamma indeseada. En las aleaciones de cobre-zinc hasta ahora conocidas, la formacion de la fase gamma se evita debido a que el silicio es unido por completo en las fases intermetalicas. La proporcion ventajosa de silicio libre en la matriz de la aleacion reivindicada se ajusta mediante la combinacion de las concentraciones de elementos de hierro, manganeso y silicio en los limites indicados.

Mediante la concentracion indicada de aluminio se consigue un aumento de la resistencia mecanica y una mejora de la aptitud de colada. Para la mejora de la procesabilidad, ya buena de por si, a la aleacion se la puede anadir plomo. El niquel y el estano determinan una mejora de la capacidad de variacion de forma y aumentan la estabilidad frente a la corrosion.

El problema mencionado en segundo lugar en relacion con un uso se resuelve, de acuerdo con la invencion, mediante el uso de una aleacion de cobre-zinc de este tipo para productos semiacabados, productos semielaborados y anillos sincronizadores.

En virtud del extraordinario comportamiento de friccion, asi como de la elevada resistencia al desgaste, emparejado con una buena capacidad de fabricacion y procesabilidad con bajos costes de fabricacion, la aleacion mencionada se adecua particularmente para el uso como producto semiacabado, producto semielaborado y anillo sincronizador. Una aleacion de este tipo presenta, frente a aleaciones estandares, una estabilidad al desgaste esencialmente mas elevada y un comportamiento del par inicial de arranque claramente mejor, sin que se perjudique la buena procesabilidad y una capacidad de fabricacion economica.

La ventaja particular de esta aleacion estriba en que la proporcion de silicio libre en la matriz o bien en la estructura puede ser ajustada de forma exacta.

En otra forma de realizacion, la aleacion de cobre-zinc presenta una estructura con una proporcion de al menos 80 % de fase beta.

Como consecuencia de la fuerte influencia del silicio sobre la formacion de la estructura, unido con la tendencia a la formacion de una fase gamma indeseada, en el caso de una concentracion de silicio demasiado elevada, para la mejora de las propiedades de friccion es esencial que, por un lado, este presente una proporcion suficientemente grande de silicio libre en la matriz, pero que, por otra parte, la concentracion del silicio libre no sea demasiado elevada. Esto se ajusta mediante la combinacion de los elementos hierro, manganeso y silicio con las concentraciones indicadas, formandose una proporcion minima de 80% de fase beta en la matriz.

De una manera particularmente ventajosa, la aleacion de cobre-zinc presenta una estructura con una proporcion de al menos 95 % de fase beta. De manera preferida, en este caso, en la estructura de la aleacion no esta contenida una fase gamma.

En una alternativa preferida, la aleacion de cobre-zinc presenta una relacion a base de la suma de la concentracion de hierro y manganeso a la concentracion de silicio que es menor que 3 inclusive.

Mediante el ajuste de la relacion concentracion de Fe concentracion de Mn a concentracion de Si a un valor menor que o igual a 3, se garantiza de manera particularmente ventajosa que el silicio se presente en forma libre y, como consecuencia, se reduzca el momento del par inicial de arranque a valores bajos deseados.

En un perfeccionamiento particularmente ventajoso, la aleacion de cobre-zinc presenta una relacion a base de la suma de concentracion de hierro y manganeso a la concentracion de silicio que es 2 inclusive y menor que 3 inclusive.

Mediante el ajuste de la relacion concentracion de Fe concentracion de Mn a concentracion de Si a un intervalo de valores entre 2 y 3, en el que estan incluidos los limites del intervalo, se garantiza de manera particularmente ventajosa que la proporcion de silicio libre sea lo suficientemente elevada como para obtener un momento del par inicial de arranque bajo sin permitir en este caso, sin embargo, fases indeseadas en una medida perturbadora. La preparacion de la aleacion reivindicada tiene lugar mediante fundicion en coquilla a una temperatura por encima de 10002C, seguido de una conformacion en caliente mediante prensado con extrusion en el intervalo de temperaturas de 600 a 800°C. La aleacion enfriada se fragua a continuacion a 600 hasta 800°C. Opcionalmente, puede unirse un recocido de salida a 250 hasta 350°C.

Un ejemplo de realizacion, asi como ventajas adicionales de la invencion se explican con mayor detalle con ayuda de la siguiente descripcion.

La Tabla 1 muestra aleaciones de cobre-zinc con diferentes composiciones (proporciones en porcentaje en peso).

N° en curso Cu Pb Fe Al Mn Si Sn Ni Zn 1 58,5 <0,1 <0,1 1,7 2,6 0,8 <0,2 <0,1 Resto 2 58,5 0,4 0,5 1,6 2,0 0,8 0,3 <0,1 Resto 3 57,6 0,5 0,45 1,6 2,0 0,6 <0,2 <0,1 Resto 4 58,5 <0,1 0,25 2,0 2,6 1,05 <0,2 <0,1 Resto

En el caso de las aleaciones 1 a 3 se trata de aleaciones estandares del tipo CuZn37Mn3Al2PbSi, en el caso de la aleacion 4 se trata de un ejemplo de realizacion de la aleacion reivindicada con una composicion preferida.

La Tabla 2 muestra las resistencias al desgaste determinadas en km/g de las aleaciones de la Tabla 1 en diferentes aceites de transmision.

N° en Aceite para Aceite para transmisiones Aceite para transmisiones Aceite para curso transmisiones 1 (ATF) 2 (mineral) 3 (sintetico) transmisiones 4 (EP)

1 95 - 105 - - -

2 125 - 200 - - 455 - 510

3 - 245 - 290 205 - 235 -

4 280 - 410 630 - 790 625 - 780 1140 - 1390

La vida util de una pieza constructiva empleada en sistemas de friccion se determina mediante la resistencia al desgaste, aumentando la vida util con el aumento de la resistencia al desgaste. Los valores de medicion en la Tabla 2 demuestran que, independientemente del aceite para transmisiones utilizado, la aleacion 4 reivindicada posee una resistencia al desgaste mayor en un factor de 2 a 3 que las aleaciones estandares hasta ahora conocidas (N°s 1 a 3) y, con ello, tambien una vida util claramente mayor.

La Tabla 3 muestra valores medios de los valores caracteristicos de friccion de las aleaciones recogidas en la Tabla 1 despues de realizar 100 cambios de marcha.

N° en curso Coeficiente de friccion dinamico Momento del par inicial de arranque (Nm)

Aceite para transmisiones 2 (mineral)

1 0,121 10 - 13

2 0,120 0 - 7

4 0,121 0 - 0,5

Aceite para transmisiones 1 (ATF)

3 0,121 12 - 15

N° en curso Coeficiente de friccion dinamico Momento del par inicial de arranque (Nm)

Aceite para transmisiones 2 (mineral)

4 0,117 0 - 1

Las propiedades de friccion se describen por el coeficiente de friccion dinamico y el momento del par inicial de arranque. Si el coeficiente de rozamiento dinamico de una aleacion es elevado, una pieza componente fabricada a base de esta aleacion posibilita la transmision de momentos de friccion elevados y, con ello, tambien un rapido cambio. La aleacion N° 4 muestra el coeficiente de friccion dinamico elevado deseado tal como tambien lo presentan las aleaciones conocidas. El momento del par inicial de arranque es una medida de la comodidad del cambio. De manera ideal, el momento del par inicial de arranque deberia ser cero, con el fin de que el engranaje del manguito de desplazamiento despues del proceso de sincronizacion pueda engranar sin impedimentos en el engranaje de cambio de la rueda de engranajes. Si se ha de aplicar contra ello un momento del par inicial de arranque, con el fin de liberar al anillo sincronizador del cono de friccion, esto se hace perceptible en un segundo punto de presion en la palanca de cambios, lo cual se percibe como una disminucion de la comodidad del cambio. Por lo tanto, cuanto menor sea el momento del par inicial de arranque, tanto mejor sera el confort de conmutacion.

Los valores de medicion en la Tabla 3 demuestran que la aleacion N° 4 reivindicada presenta un momento del par inicial de arranque casi ideal con valores de 0 - 1 Nm tambien para diferentes aceites para transmisiones, mientras que, por el contrario, las aleaciones estandares N°s 1 a 3 presentan, tambien despues de la fase de inicio de 100 cambios de manera indeseada elevados momentos del par inicial de arranque. Asi, el par inicial de arranque de las aleaciones N° 1 y N° 3 es muy alto en mas de un orden de magnitud mayor que el de la aleacion 4 reivindicada. Algo menor es el momento del par inicial de arranque de la aleacion N° 2. Sin embargo, en virtud de la elevada amplitud de oscilacion del par inicial de arranque de esta aleacion hace que su uso sea desventajoso, dado que la elevada amplitud de oscilacion conduce a un comportamiento de cambio fuertemente variado, lo cual se ha de evaluar muy negativamente en relacion con la comodidad del cambio.

Observando conjuntamente las Tablas 1 y 3 resulta claro que un contenido en hierro menor que 0,15 %, asi como un contenido en hierro mayor que 0,4 % empeora considerablemente el comportamiento del par inicial de arranque. Por consiguiente, con el fin de mejorar el comportamiento del par inicial de arranque, el contenido en hierro debe ser limitado.

En conjunto, los valores de medicion de las tablas anteriores demuestran que con la invencion se ha conseguido proporcionar una aleacion que, tanto en el comportamiento de friccion como en la resistencia al desgaste presenta un rendimiento considerablemente incrementado con respecto a las aleaciones estandares, manteniendose por completo las ventajas de buena capacidad de fabricacion y procesabilidad con costes de fabricacion en conjunto bajos.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Aleacion de cobre-zinc que comprende, en porcentaje en peso, 58,2 a 58,7 % de cobre, 1,8 a 2,2 % de aluminio, 2,4 a 2,8 % de manganeso, 0,9 a 1,2 % de silicio, 0,2 a 0,35 % de hierro, 0 a 0,3 % de plomo, a 0,3 % de nfquel, 0 a 0,3 % de estano, el resto zinc, asf como impurezas inevitables.

2. Aleacion de cobre-zinc segun la reivindicacion 1, que comprende estructura con una proporcion de al menos 80 % de fase beta.

3. Aleacion de cobre-zinc segun la reivindicacion 2, que comprende estructura con una proporcion de al menos 95 % de fase beta.

4. Aleacion de cobre-zinc segun una de las reivindicaciones precedentes, en donde relacion a base de la suma de la concentracion de hierro y manganeso a la concentracion de silicio que es menor que 3 inclusive.

5. Aleacion de cobre-zinc segun la reivindicacion 4, en donde relacion a base de la suma de concentracion de hierro y manganeso a la concentracion de silicio es mayor que 2 inclusive y menor que 3 inclusive.

6. Uso de una aleacion de cobre-zinc segun una de las reivindicaciones 1 a 5 para productos semiacabados, productos semielaborados y anillos sincronizadores.