JP2009519376A

JP2009519376A - 銅‐亜鉛合金およびその銅‐亜鉛合金から生産されたシンクロナイザリング

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Publication number: JP2009519376A
Application number: JP2008544811A
Authority: JP
Inventors: ノルベルト、ガーク; マインラート、ホルデリート; フリードリッヒ、ゲプハルト
Original assignee: Diehl Metall Stiftung and Co KG
Current assignee: Diehl Metall Stiftung and Co KG
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2009-05-14
Also published as: BRPI0619813A2; DE102005059391A1; BR122014003022B1; RU2008128429A; AR056755A1; US20080240973A1; EP1960560B1; KR20140054439A; KR20080080156A; RU2415188C2; BRPI0619813B1; PL1960560T3; CN101331241A; EP1960560A1; CN101331241B; WO2007068368A1

Abstract

【課題】本発明は、とりわけ、シンクロナイザリングに使用するのに適し、そして基本的に無鉛である銅‐亜鉛合金であって、最大の磨耗抵抗を有する合金を提供することを目的とする。
【解決手段】銅‐亜鉛合金は、５５〜７５質量％の銅と、０．１〜８質量％のアルミニウムと、０．３〜３．５質量％の鉄と、０．５〜８質量％のマンガンと、０〜５質量％のニッケルと、０〜０．１質量％の鉛と、０〜３質量％の錫と、０．３〜５質量％の珪素と、０〜０．１質量％のコバルトと、０〜０．０５質量％のチタンと、０〜０．０２質量％の燐と、不可避の不純物と、を備え、残部が亜鉛からなる。

Description

本発明は、基本的に無鉛の銅‐亜鉛合金に関する。また、本発明は、その銅‐亜鉛合金を用いたシンクロナイザリング、および銅‐亜鉛合金を用いてシンクロナイザリングを生産するための生産方法に関する。

銅‐亜鉛合金または真鍮は、エレクトロニクス産業のような清潔な産業において使用されている。一方、自動車産業では、高い磨耗抵抗と高い摩擦係数を有する真鍮のリングがシンクロナイザリングとして利用されている。シンクロナイザリングは、機械的な変速装置において、歯車と同期させるために使われている。

銅‐亜鉛合金を容易に加工する、とりわけ機械加工ができるようにするためには、材料は、ある程度のもろさを有している必要がある。これによって、加工の間に、作業場および加工機械から取り除くのが困難である長い削りくずが生じるのを、可能な限り避けることができる。周知のとおり、真鍮の機械加工において求められるこのようなもろさは、一定の比率で鉛を加えることにより達成される。しかしながら、人が一定量の鉛を摂取すると、人は健康を害する。

従って、機械加工が容易で、かつ、鉛の含有量が可能な限り低い、若しくは無鉛の銅‐亜鉛合金を供給することが求められている。種々のＥＵのガイドラインは、真鍮に鉛を使うことをまだ許可しているが、それでもやはり、自動車で使われる真鍮に許されている最大４％という鉛含有量は、下方へ修正されることが予想されている。

特許文献１により、無縁の銅‐亜鉛合金を清潔な産業において利用することが開示されている。開示された合金は、６９〜７９質量％の銅と、２〜４質量％の珪素と、０．１〜１．５質量％のアルミニウムと、０．０２〜０．２５質量％の燐とを備えている。その合金の構成要素である珪素、アルミニウム、そして燐の相互作用により、合金のγ相が形成され、このγ相により、鉛を使うことなく、良好な機械加工性が確保される。

特許文献２乃至特許文献４により、シンクロナイザリングで用いられる、高い磨耗強度を有する低鉛合金が開示されている。

特許文献２では、７０〜７３質量％の銅と、６〜８質量％のマンガンと、４〜６質量％のアルミニウムと、１〜４質量％の珪素と、１〜３質量％の鉄と、０．５〜１．５質量％の鉛と、０〜０．２質量％のニッケルと、０〜０．２質量％の錫とを有し、残部が亜鉛からなる銅‐亜鉛合金が開示されている。この合金は、主にβ相の中に細かく分散しているα相が結晶格子の６０〜８５％を占める混晶からなる結晶格子を備えている。これによって、高い磨耗強度が実現されている。この合金には、比較的に小さな重量比率で錫が混ぜられている。

特許文献３では、とりわけシンクロナイザリングで用いられる、５０〜６５質量％の銅と、１〜６質量％のアルミニウムと、０．５〜５質量％の珪素と、５〜８質量％のニッケルと、並びに、０〜１質量％の鉄又は０〜２質量％の鉛から選択的に選ばれたものと、残部の亜鉛からなる銅‐亜鉛合金が提案されている。鉛の比率は、０〜２重量％において任意である。ニッケルがシリコン及びアルミニウムとの金属間化合物として支配的に存在することで、高い磨耗抵抗が実現されている。

また、特許文献４では、４０〜６５質量％の銅と、８〜２５質量％のニッケルと、２．５〜５質量％の珪素と、０〜３質量％のアルミニウムと、０〜３質量％の鉄と、０〜２質量％のマンガンと、０〜２質量％の鉛と、不可避の不純物とを備え、残部が亜鉛からなる、高い磨耗抵抗を有する銅‐亜鉛合金が開示されている。この合金のニッケルおよび珪素の含有量は非常に高く、その効果として母材におけるニッケル珪化物の体積含有量が高くなる。これによって、高い磨耗抵抗が実現されている。結晶格子は主としてβ相からなり、γ相は存在しない。良好な加工性という観点からは、少量の鉛が有用であると考えられている。

さらに、特許文献５は、４５〜７５質量％の銅と、２〜７質量％のアルミニウムと、０．１〜２質量％の鉄と、１〜５質量％のニッケルと、０．５〜２質量％の珪素と、０．１〜２質量％のコバルトと、残部の亜鉛からなり、高い磨耗抵抗を有する銅‐亜鉛合金に関連している。高い磨耗抵抗を実現するために、この合金はニッケル‐珪素の金属間化合物をさらに含んでいる。この金属間化合物には、アルミニウムとコバルトも結合されているが、鉛は含まれていない。

最後に、特許文献６においては、シンクロナイザリング用に、２０〜４０質量％の銅と、２〜８質量％のアルミニウムと、金属間化合物を形成する、少なくともさらに２つ以上の構成要素とから銅‐亜鉛合金が形成されている。２つ以上の構成要素のうち少なくとも１つはチタンであり、残りは銅と任意の不純物である。高い磨耗抵抗は、金属間化合物により実現されており、鉛は不要である。

高い磨耗強度を有する低鉛及び無鉛の銅‐亜鉛合金に共通している特徴は、それらの合金において、金属間化合物相の含有量が高いということである。これらの金属間化合物相は、合金に一定のもろさをもたらす。これによって、機械加工が容易となる。削りくずは迅速に壊れ、そして取り除かれる。このため、鉛の比率を削減する、もしくは無鉛にすることができる。もし高い磨耗抵抗が不要であれば、特許文献１のように、シリコン、アルミニウムそして燐の相互作用により合金中でγ相を安定化することで、鉛の含有量を削減することができる。この合金は、清潔な産業において望まれている応用のために、燐を含むことで脱亜鉛抵抗を確保している。
ＥＰ１０４５０４１Ｂ１号公報ＤＥ２９１９４７８Ｃ２号公報ＤＥ３７３５７８３Ｃ１号公報ＥＰ０６５７５５５Ｂ１号公報ＤＥ２８３０４５９Ｃ３号公報ＤＥ３８０９９９４Ｃ３号公報

本発明は、とりわけ、シンクロナイザリングに使用するのに適し、そして基本的に無鉛である銅‐亜鉛合金であって、最大の磨耗抵抗を有する合金を提供することを目的とする。

この目的は、５５〜７５質量％の銅と、０．１〜８質量％のアルミニウムと、０．３〜３．５質量％の鉄と、０．５〜８質量％のマンガンと、０〜５質量％のニッケルと、０〜０．１質量％の鉛と、０〜３質量％の錫と、０．３〜５質量％の珪素と、０〜０．１質量％のコバルトと、０〜０．０５質量％のチタンと、０〜０．０２質量％の燐と、不可避の不純物と、を備え、残部が亜鉛からなる銅‐亜鉛合金の発明によって実現される。

本発明は、所望の機械加工性を実現するための、金属間化合物による、若しくはγ相の安定化による補償を行うことなく、意識的に鉛の含有量を０．１質量％より小さい含有量に低減するという思想に基づく。十分な磨耗抵抗は、必要不可欠な合金構成要素であるアルミニウム、マンガン、鉄そして珪素により確保される。ある一定範囲の量のマンガン、鉄、そしてシリコンは、銅‐亜鉛合金において、十分な金属間相の基礎的比率をもたらす。とりわけ、アルミニウムは混晶を硬化させる。マンガンは、磨耗抵抗に積極的に寄与する。特性の改善を、選択的に挙げられたさらなる合金構成要素であるニッケルと錫によっても実現することができる。また合金は、コバルトとチタンを、特定の限界量を超えない範囲で含有することもできる。しかしながら、特定の限界量を超えてそれらを混ぜることは、所望の機械加工性を得る上で、そして所望の磨耗抵抗を実現する上では不要である。合金構成要素としての燐は、脱亜鉛抵抗を改善する上では不要である。

包括的な研究によって、とりわけシンクロナイザリングを生産する上で、本発明の銅‐亜鉛合金を、たとえ亜鉛を付加していなくても、機械加工可能であることが見出された。従って、金属間化合物相の比率を増やすことなく鉛の含有量を０．１質量％より小さい含有量にまで減らすことは、従来の技術界における見解に反して、驚くほどに可能である。

銅‐亜鉛合金が好ましくは、０．５〜２．５質量％のアルミニウムと、０．３〜１質量％の鉄と、０．５〜５質量％のマンガンと、０．５〜５質量％のニッケルと、０〜１．５質量％の錫と、０．３〜２質量％の珪素とを備えるとき、銅‐亜鉛合金の磨耗抵抗と摩擦強度を改善することができる。

本発明の他の好ましい形態においては、銅‐亜鉛合金が高い比率でアルミニウムを備える。この銅‐亜鉛合金は、３〜８質量％のアルミニウムと、１〜３質量％の鉄と、５〜８質量％のマンガンと、０〜０．５質量％のニッケルと、０〜０．５質量％の錫と、１〜４質量％の珪素とを備えたことを特徴とする。そのような材料は、シンクロナイザリングに必要とされる機械的特性を有している。

本発明の銅‐亜鉛合金は、とりわけ機械加工によりシンクロナイザリングを生産するのに適している。従って、機械加工性を改善するために鉛を付加することが不要となる。

発明を実施するための形態

本発明の詳細な形態を、図と以下の例によってより詳しく説明する。

図１は、透視法図により描いたシンクロナイザリングを示す。

図１は、とりわけ機械加工によって銅‐亜鉛合金から生産することができる典型的なシンクロナイザリングである。シンクロナイザリング１は、円錐形の連結部材との間で摩擦ペアを形成する内側の表面３を有している。シンクロナイザリング１の外側の円周上には歯部２が配列されており、歯部２は、係合用の溝が設けられたスリーブの上で、対応する溝と係合される。オイルの流れ出しを改善するために、内側の表面３は軸方向に設けられたオイル経路４を有し、このため、摩擦ペアのケースの中にあるオイルが迅速に取り除かれる。

実施の形態
全４種類の合金が研究に用いられた。それぞれの合金のペアは、その鉛含有量のみが異なっている。合金１Ａは、５７．９質量％の銅と、１．６５質量％のアルミニウムと、０．４質量％の鉄と、１．９５質量％のマンガンと、０．５５質量％の鉛と、０．６質量％の珪素とを含み、残部が亜鉛からなる。合金１Ｂは鉛を含まないという点が合金１Ａと異なる。すなわち、合金１Ｂは不可避な不純物としての水準である０．０２質量％しか鉛を含まない。合金２Ａは、６９．７質量％の銅と、５．２質量％のアルミニウムと、１．１質量％の鉄と、７．８質量％のマンガンと、０．８質量％の鉛と、１．８質量％の珪素と、不可避の不純物とを含み、残部が亜鉛からなる。合金２Ｂは、不可避な不純物としての水準である０．０５質量％しか鉛を含まないという点が合金２Ａと異なる。合金Ａは鉛を含む、比較用の合金であり、鉛を含むことにより、合金の磨耗抵抗と加工性の点でシンクロナイザリングに適している。合金Ｂは本発明における形態である。

第１の実施の形態
前記の合金において、磨耗強度（ｋｍ／ｇ）および摩擦係数を測定した。測定には、ライハルト摩擦磨耗試験機（Ｒｅｉｃｈｅｒｔｆｒｉｃｔｉｏｎ‐ａｎｄ‐ｗｅａｒＢａｌａｎｃｅ）を用いた。測定条件は、合計移動距離２５００ｍにわたって、スライド速度１．６５ｍ／ｓ、負荷５２Ｎ／ｍｍ^２とした。この測定のために、各々の試験合金からなる直径２．７ｍｍの真鍮ピンを、所定の負荷で回転する鉄製リングの上へ押圧した。磨耗強度と摩擦係数は、所定の運転距離の後に減少した真鍮の重量から測定した。結果を以下の表に示す。

無鉛合金Ｂの磨耗強度と摩擦係数は、鉛を含む合金Ａに相対的に劣っていないどころか、反対に、勝っていることがみてとれる。

第２の実施の形態
前記の合金に対して、切削試験を行った。この試験のため、ねじ面の高さが０．３７ｍｍ、ピッチが０．６５ｍ、フランク角が６０度のねじ山を、試験用の合金からなる図１に示すシンクロナイザリングに形成した。ねじ溝は、合計５回切削された。すなわち、５つの溝すじが形成された。ネジ切削用材料としては、ドイツ工業規格（ＤＩＮ）４９９０に準じたＫ２０品質の硬さの金属材料を用いた。切削工具により所定の数のネジ溝を形成した後に、工具磨耗を測定した。このために、試験前後での、工具のねじ山のピッチにおける断面積の差を測定した。結果は以下のとおりである。

合金１Ａにおいては、６８４８のねじ溝が形成された時点でかなりの工具磨耗が既に生じていたので、その時点で試験を止めた。無鉛の合金Ｂの場合の工具磨耗は、鉛を含む合金Ａの場合の工具磨耗よりも小さいことが認められた。

第３の実施の形態
第２の実施の形態で行った切削試験において取り除かれた削りくずを観測した。その結果、無鉛の合金Ｂの削りくずは、鉛を含んでいる合金Ａの削りくずと比較して長いけれども、合金Ｂの削りくずは、削りくず同士が結びついたりもつれたりするような形ではないことが認められた。予想に反して、機械加工の間、問題なく削りくずを取り除くことができた。

無鉛の合金は、とりわけシンクロナイザリングを生産するのに適している。従って、機械加工性を改善するために鉛を付加することが不要となる。

図１は、透視図法により描いたシンクロナイザリングを示す図。

符号の説明

１シンクロナイザリング
２歯部
３内側の表面
４オイル経路

Claims

５５〜７５質量％の銅と、
０．１〜８質量％のアルミニウムと、
０．３〜３．５質量％の鉄と、
０．５〜８質量％のマンガンと、
０〜５質量％のニッケルと、
０〜０．１質量％の鉛と、
０〜３質量％の錫と、
０．３〜５質量％の珪素と、
０〜０．１質量％のコバルトと、
０〜０．０５質量％のチタンと、
０〜０．０２質量％の燐と、
不可避の不純物と、を備え、残部が亜鉛からなる銅‐亜鉛合金。
０．５〜２．５質量％のアルミニウムと、
０．３〜１質量％の鉄と、
０．５〜５質量％のマンガンと、
０．５〜５質量％のニッケルと、
０〜１．５質量％の錫と、
０．３〜２質量％の珪素と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の銅‐亜鉛合金。
３〜８質量％のアルミニウムと、
１〜３質量％の鉄と、
５〜８質量％のマンガンと、
０〜０．５質量％のニッケルと、
０〜０．５質量％の錫と、
１〜４質量％の珪素と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の銅‐亜鉛合金。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の銅‐亜鉛合金を使用したことを特徴とするシンクロナイザリングの生産方法。
機械加工により銅‐亜鉛合金を使用してシンクロナイザリングを生産したことを特徴とする請求項４に記載のシンクロナイザリングの生産方法。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の銅‐亜鉛合金からなることを特徴とするシンクロナイザリング。