JP4257562B2 - チャンファー部がすぐれた疲労強度を有する銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高い疲労強度を有し、特に薄肉化した状態での高負荷条件下の実用に際しても、最も疲労破壊の発生し易いチャンファー部に破損の発生なく、長期に亘ってすぐれた性能を発揮する銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、シンクロナイザーリングは、例えば変速機の構造部材として知られ、図１に斜視図で例示される形状を有し、かつ内面１が回転するテーパーコーンとの高面圧下での同期摺動並びにこれよりの離脱の断続的面接触を受け、また外周面にはキーが嵌合するキー溝３が形成され、さらに、その外縁にそって所定間隔おきに設けたチャンファー２が同じく相手部材であるハブスリーブとかみ合う機能を発揮するものであることも知られている。
【０００３】
また、上記のシンクロナイザーリングが、例えば特開昭６４−５５３４７号公報に記載される組成、すなわち、質量％で（以下、％は質量％を示す）、
Ｚｎ：１７〜４０％、 Ａｌ：２〜１１％、
酸素：５０〜３０００ｐｐｍ、
Ｎｉ、Ｆｅ、およびＣｏのうちの１種または２種以上：０．０２〜３％、
Ｔｉ、Ｚｒ、およびＶのうちの１種または２種以上：０．１〜３．５％、
Ｐ、Ｍｇ、およびＣａのうちの１種または２種以上：０．００３〜０．３％、
Ｍｎ：０．１〜４％、 Ｓｉ：０．０５〜０．５％、
を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成を有する銅合金などを通常の低周波溶解炉で溶製し、これを半連続鋳造装置の水冷鋳型に鋳込んでビレットとし、このビレットに熱間押出し加工を施して管材とし、この管材からリング材を切り出し、このリング材に熱間型鍛造を施して、シンクロナイザーリング素材を成形し、これを機械加工にて最終寸法に仕上げることにより製造され、この製造された銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングがＣｕ−Ｚｎ系状態図で示されるβ相の素地に、いずれもＮｉ−Ｔｉ−Ｆｅ系金属間化合物からなる相対的に粒径の粗い晶出物と微細な析出物が分散した組織を有する銅合金で構成されることも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年のエンジンの高出力化はめざましく、かつ軽量化に対する要求も強く、これに伴ない、変速機の構造部材であるシンクロナイザーリングの作動条件も一段と過酷さを増し、高負荷条件での操業を余儀なくされ、一方で軽量化のために薄肉化にも対応しなければならないことになるが、上記の従来銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングにおいては、これを薄肉化した状態で、高負荷条件での操業に用いると、比較的短時間で、特にチャンファー部に疲労破壊を起し、使用寿命に至るのが現状である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述の観点から、高い疲労強度を有する銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングを開発すべく研究を行った結果、これを構成する銅合金の組成を、
Ｚｎ：２７〜３３％、 Ａｌ：３〜４．５％、
Ｎｉ：１．５〜３％、 Ｔｉ：１〜２％、
Ｍｎ：０．２〜０．７％、 Ｆｅ：０．０５〜０．５％、
Ｓｉ：０．０１〜０．１％、
を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成に特定した上で、上記の従来銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングの製造工程における熱間型鍛造後に、
（ａ）大気中、６５０〜７５０℃の温度に１０分〜２時間保持後、水中浸漬または油中浸漬、
（ｂ）大気中、２５０〜３５０℃の温度に１０分〜５時間保持後、放冷、水中浸漬、および油中浸漬のうちのいずれか、
以上（ａ）および（ｂ）の熱処理を施すと、製造後の銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングは、針状形状をもったＣｕ−Ｚｎ系状態図で示されるα相が新たに同状態図のβ相の素地に分散分布し、かついずれも金属間化合物からなる相対的に粒径の粗い晶出物および超微細な析出物の分散分布が均一化した組織をもつようになり、この組織の銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングは、特に針状形状のα相の出現および晶出物と析出物の均一分散と相俟ってすぐれた疲労強度をもつようになり、したがってこれを薄肉化した状態で、高負荷条件操業に用いても、特にチャンファー部に疲労破壊の発生なく、すぐれた性能を長期に亘って発揮するという研究結果を得たのである。
【０００６】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）Ｚｎ：２７〜３３％、 Ａｌ：３〜４．５％、
Ｎｉ：１．５〜３％、 Ｔｉ：１〜２％、
Ｍｎ：０．２〜０．７％、 Ｆｅ：０．０５〜０．５％、
Ｓｉ：０．０１〜０．１％、
を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成を有する銅合金溶湯を水冷鋳型に鋳込んでビレットとし、
（２）上記ビレットに熱間押出し加工を施して管材とし、
（３）上記管材からリング材を切り出し、
（４）上記リング材に熱間型鍛造を施してシンクロナイザーリング素材を成形し、
（５）上記シンクロナイザーリング素材に、
（ａ）大気中、６５０〜７５０℃の温度に１０分〜２時間保持後、水中浸漬または油中浸漬、
（ｂ）大気中、２５０〜３５０℃の温度に１０分〜５時間保持後、放冷、水中浸漬、および油中浸漬のうちのいずれか、
以上（ａ）および（ｂ）の熱処理を施して、Ｃｕ−Ｚｎ系状態図で示されるβ相の素地に、針状形状のα相を析出させ、
（６）上記熱処理後、機械加工にて最終寸法に仕上げる、
以上（１）〜（６）の工程により、Ｃｕ−Ｚｎ系状態図で示されるβ相の素地に、いずれも金属間化合物からなる相対的に粒径の粗い晶出物と超微細な析出物が均一分散し、さらに同状態図に示されるα相が針状形状の析出物として分散分布した組織を有する銅合金で構成された、チャンファー部がすぐれた疲労強度を有する銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングの製造方法に特徴を有するものである。
【０００７】
つぎに、この発明の方法によって製造された銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングにおいて、これを構成する銅合金の成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）ＺｎおよびＡｌ
銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリング（以下、単にリングという）の強度は、これら両成分が、Ｃｕ−Ｚｎ系状態図で示されるβ相の素地を形成することにより確保されるが、ＺｎおよびＡｌのうちのいずれかの含有量でもＺｎ：２７％未満、Ａｌ：３％未満になると、所望のすぐれた強度を確保することができず、またＺｎおよびＡｌのうちのいずれかの含有量でもＺｎにあっては３３％、Ａｌにあっては４．５％をそれぞれ越えると、リングの靭性が急激に低下するようになることから、その含有量をＺｎ：２７〜３３％、Ａｌ：３〜４．５％と定めた。
【０００８】
（ｂ）Ｎｉ、Ｔｉ、およびＦｅ
これらの成分は、硬質の金属間化合物を形成し、相対的に粒径の粗い晶出物と超微細な析出物として素地に存在し、これによってリングはすぐれた耐摩耗性を具備するようになるが、Ｎｉ、Ｔｉ、およびＦｅのうちのいずれかの含有量でもＮｉ：１．５％未満、Ｔｉ：１％未満、およびＦｅ：０．０５％未満になると、硬質の金属間化合物の形成が不充分になって、所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、またＮｉ、Ｔｉ、およびＦｅのうちのいずれかの含有量でもＮｉにあっては３％、Ｔｉにあっては２％、そしてＦｅにあっては０．５％をそれぞれ越えると、リングの靭性が急激に低下するようになることから、その含有量をＮｉ：１．５〜３％、Ｔｉ：１〜２％、Ｆｅ：０．０５〜０．５％と定めた。
【０００９】
（ｃ）ＭｎおよびＳｉ
これら両成分は、上記条件の熱処理で上記β相の素地に同じくＣｕ−Ｚｎ系状態図で示されるα相を針状の状態で析出させるのに不可欠の成分であって、上記の通り前記α相の析出によってリングはすぐれた疲労強度を具備するようになるものであり、したがってＭｎおよびＳｉのうちのいずれかの含有量でもＭｎ：０．２％未満、Ｓｉ：０．０１％未満になると、α相の析出が不充分となって、所望のすぐれた疲労強度を確保することができず、またＭｎおよびＳｉのうちのいずれかの含有量でもＭｎにあっては０．７％、Ｓｉにあっては０．１％をそれぞれ越えると、リングの靭性が急激に低下するようになることから、その含有量をＭｎ：０．２〜０．７％、Ｓｉ：０．０１〜０．１％と定めた。
【００１０】
【発明の実施の態様】
ついで、この発明のリングの製造方法を実施例により具体的に説明する。
通常の低周波溶解炉でそれぞれ表１に示される組成をもった銅合金溶湯を溶製し、これを１１００℃の鋳込み温度で，半連続鋳造装置のキャビテイ直径：２５０ｍｍの水冷鋳型に鋳込んで長さ：３０００ｍｍのビレットとし、このビレットを５００ｍｍの長さに切断し、これに７５０℃の温度に加熱した状態で熱間押出し加工を施して、外径：７２ｍｍ×内径：５４ｍｍの寸法をもった管材とし、ついでこの管材から外径：７０ｍｍ×内径：５６ｍｍ×高さ：１０ｍｍの寸法のリング材を切り出し、このリング材に、７５０℃の温度に加熱した状態で、上下金型を用いて熱間型鍛造を施して、リング素材を成形し、このリング素材に、
（ａ）大気中、６５０〜７５０℃の範囲内の所定温度に１時間保持後、水中浸漬、
（ｂ）大気中、２５０〜３５０℃の温度に３時間保持後、放冷、
以上（ａ）および（ｂ）の熱処理を施し、引き続いてこれに機械加工を施して、図１に示される形状を有し、かつ最大外径：７６ｍｍ、最小内径：５４ｍｍ、高さ：７ｍｍ、内面ネジ山高さ：０．３ｍｍ，内面ネジのトップランド幅：０．１ｍｍの最終寸法に仕上げることにより本発明法を実施し、本発明リング１〜１４を製造し、さらに比較法を実施して比較リング１〜１４をそれぞれ製造した。
【００１１】
なお、比較リング１〜１４は、銅合金の組成を表２に示される通り、いずれも合金成分のうちのいずれかの成分含有量がこの発明の範囲から外れた銅合金とする以外は本発明リング１〜１４の製造条件と同じ条件で製造したものである。
また、上記本発明リング１〜１４および比較リング１〜１４について、これを構成する銅合金の組織を光学顕微鏡（５００倍）にて観察したところ、Ｍｎの含有量が本発明範囲から低い方に外れた銅合金で構成された比較リング９およびＳｉを含有しない銅合金で構成された比較リング１３ではβ相の素地に金属間化合物からなる相対的に粒径の粗い晶出物と超微細な析出物が均一分散した組織を示し、針状α相の析出は見られなかったが、それ以外のリングを構成する銅合金は、β相の素地に前記金属間化合物の相対的に粒径の粗い晶出物と超微細な析出物が均一分散し、かつα相が針状形状で分散分布した組織を示した。
【００１２】
さらに、上記の本発明リング１〜１４および比較リング１〜１４について、強度、耐摩耗性、および疲労強度を評価する目的で、チャンファー部の破断荷重を測定し、かつ通常の条件での摩耗試験、および加速条件での耐久試験を行った。
チャンファー部の破断荷重は、下広がりの円錐台支持体の上端部にリングを水平に嵌着支持した状態で、リング状パンチにて上方から前記リングのチャンファー部を圧下し、前記チャンファー部に割れが発生した時点の付加荷重を測定し、この測定結果をもって表した。
また、摩耗試験は、リングをそれぞれ変速機に組み込み、
油温：８０℃（ミッションオイル使用）、
負荷加重：９０ｋｇ、
同期時間：０．３〜０．３５秒、
回転数：３０００ｒｐｍ、
相手材（テーパーコーン）材質：浸炭焼入れ鋼、
試験回数：１０万回、
の通常条件で行い、試験後リングのテーパーコーンとの接触摺動面である内面のネジ山における最大摩耗量（ネジ山高さの最大低下長さ）を測定した。
さらに、耐久試験は、同じくリングをそれぞれ変速機に組み込み、
油温：１００℃（ミッションオイル使用）、
負荷加重：１５０ｋｇ、
同期時間：０．０３〜０．０４秒、
回転数：７０００ｒｐｍ、
相手材（テーパーコーン）材質：浸炭焼入れ鋼、
の加速条件で行い、リングのチャンファー部に割れが発生するまでの試験回数（耐久回数）を測定した。これらの測定結果を表１，２に示した。
【００１３】
【表１】

【００１４】
【表２】

【００１５】
【発明の効果】
表１、２に示される結果から、本発明リング１〜１４は、いずれもこれを構成する銅合金のβ相の素地によって高強度が確保され、また前記素地に分散する金属間化合物からなる相対的に粒径の粗い晶出物と超微細な析出物によってすぐれた耐摩耗性を示すようになり、さらに同じく前記素地に分散する針状のα相によって特にチャンファー部がすぐれた疲労強度を具備するようになるのに対して、比較リング１〜１４に見られるように、これを構成する銅合金の合金成分のうちのいずれかの成分含有量がこの発明の範囲から外れると、強度、耐摩耗性、およびチャンファー部の疲労強度のうちのいずれかの特性が劣ったものになることが明らかである。
上述のように、この発明の方法により製造された銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングは、高強度およびすぐれた耐摩耗性を有し、特にチャンファー部がすぐれた疲労強度を有するので、エンジンの高出力化に伴なう、変速機の一段と苛酷な作動条件、並びに軽量化のための薄肉化にも十分満足に対応することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 変速機のシンクロナイザーリングを例示する斜視図である。
【符号の説明】
１テーパーコーンとの接触摺動面（内面）
２チャンファー
３キー溝

Claims (1)

1. （１）質量％で、
   Ｚｎ：２７〜３３％、 Ａｌ：３〜４．５％、
   Ｎｉ：１．５〜３％、 Ｔｉ：１〜２％、
   Ｍｎ：０．２〜０．７％、 Ｆｅ：０．０５〜０．５％、
   Ｓｉ：０．０１〜０．１％、
   を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成を有する銅合金溶湯を水冷鋳型に鋳込んでビレットとし、
   （２）上記ビレットに熱間押出し加工を施して管材とし、
   （３）上記管材からリング材を切り出し、
   （４）上記リング材に熱間型鍛造を施してシンクロナイザーリング素材を成形し、
   （５）上記シンクロナイザーリング素材に、
   （ａ）大気中、６５０〜７５０℃の温度に１０分〜２時間保持後、水中浸漬または油中浸漬、
   （ｂ）大気中、２５０〜３５０℃の温度に１０分〜５時間保持後、放冷、水中浸漬、および油中浸漬のうちのいずれか、
   以上（ａ）および（ｂ）の熱処理を施して、Ｃｕ−Ｚｎ系状態図で示されるβ相の素地に、針状形状のα相を析出させ、
   （６）上記熱処理後、機械加工にて最終寸法に仕上げる、
   以上（１）〜（６）の工程により、Ｃｕ−Ｚｎ系状態図で示されるβ相の素地に、いずれも金属間化合物からなる相対的に粒径の粗い晶出物と超微細な析出物が均一分散し、さらに同状態図に示されるα相が針状形状の析出物として分散分布した組織を有する銅合金で構成された、チャンファー部がすぐれた疲労強度を有する銅合金製熱間型鍛造シンクロナイザーリングの製造方法。

Images