JP6179996B2 - 被削性に優れたＣｕ合金、押出しパイプ部材およびＣｕ合金製シンクロナイザーリング - Google Patents

Description

この発明は、すぐれた機械的性質と耐摩耗性とを備え、かつ、被削性にも優れたＣｕ合金に関し、特に、自動車のマニュアルトランスミッション用部品であるシンクロナイザーリングとして好適なＣｕ合金およびＣｕ合金製シンクロナイザーリングに関するものである。

銅合金は、従来から、そのすぐれた強度、熱伝導性、導電性、耐食性、耐摩耗性等を生かし、幅広い分野で利用されているが、自動車部品用の用途としては、例えば、マニュアルトランスミッション用のシンクロナイザーリングとして利用されている。
そして、シンクロナイザーリングは、図１に概略斜視図で示すように、シンクロナイザーリングの内面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構造をもつものであることは既によく知られている。
このようなＣｕ合金製シンクロナイザーリングについて、使用条件の高負荷化に伴い、その耐摩耗性とともに、強度、靱性、耐疲労特性等を改善すべく、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献1には、Ｚｎ２０〜４０重量％、Ａｌ：２〜１１重量％、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち１種以上：１〜５重量％、Ｔｉ：０．１〜４重量％を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる銅合金製シンクロナイザーリングに、さらに、Ｍｎ：０．０１〜０．１重量％未満、Ｓ：０．０００５〜０．０１重量％のうちの一方または双方を含有させることにより、従来のＣｕ合金製シンクロナイザーリングよりも耐摩耗性を向上させることが提案されている。

また、特許文献２には、質量％で、Ｚｎ：２８〜３４％、Ａｌ：１．５〜４％、Ｍｎ：２〜４．５％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｃｒ：０．０５〜０．５％、Ｎｉ：０．２〜０．６％、Ｆｅ：０．０２〜０．５％を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成のＣｕ合金製シンクロナイザーリングにおいて、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で構成された相対的に粒径の粗い晶出物と超微細な析出物を均一分散させ、さらに、同状態図で示されるα相が針状形状で分散分布した組織を形成することにより、シンクロナイザーリングのチャンファー部の疲労強度を高めるとともに、所定量のＭｎ、ＳｉおよびＣｒを含有することによって、金属間化合物からなる粗粒の晶出物と超微細な析出物を形成し、疲労強度および耐摩耗性を向上させることが提案されている。

また、特許文献３には、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のＣｕ合金製シンクロナイザーリングにおいて、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で構成された相対的に粒径の粗い晶出物と超微細な析出物を均一分散させ、さらに、同状態図に示されるα相が針状形状で分散分布した組織を形成することにより、シンクロナイザーリングのチャンファー部の疲労強度を高めるとともに、所定量のＮｉ、Ｔｉ、およびＦｅを含有することによって、金属間化合物からなる粗粒の晶出物と超微細な析出物を形成し、疲労強度および耐摩耗性を向上させることが提案されている。

さらに、特許文献４には、Ｃｕ：６２．５〜６７．５％、Ａｌ：４．５〜５．５％、Ｎｉ：２．７〜３．７％、Ｔｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．３５％を含有し、残りがＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＣｕ合金製シンクロナイザーリングにおいて、Ｚｎ＋不可避不純物＝ＺＮとしたとき、式：｛ＺＮ＋６×（Ａｌ−０．９）｝／｛Ｃｕ−１．３＋ＺＮ＋６×（Ａｌ−０．９）｝で表される亜鉛当量が０．４〜０．４６の範囲内に有り、かつ、素地組織を、Ｃｕ：６５〜７４％、Ａｌ：２．５〜４．５％、Ｎｉ：０．５〜２．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．６％を含有するα相と、Ｃｕ：６２〜７１％、Ａｌ：３．５〜６．０％、Ｎｉ：０．３〜２．３％、Ｔｉ：０．０５〜０．６％を含有するβ´相の２相組織として構成することにより、高発熱環境下での使用における耐塑性流動性を改善することが提案されている。

特開平８−１２７８３１号公報 特開２００１−３５５０２９号公報 特開２００１−３５５０３０号公報 特開２００５−１６３１０１号公報

Ｃｕ合金製シンクロナイザーリングは、通常、所定の成分組成となるようにＣｕ合金溶湯を溶製し、得られた溶湯をモールドに鋳込んで所定サイズのビレットを製造し、このビレットを熱間押出しすることによってＣｕ合金製パイプを作製し、ついで、このパイプを所定幅（高さ）になるように切削加工することによって作製している。
前記特許文献１〜４に示されるＣｕ合金製シンクロナイザーリングにおいては、使用環境からの要請に応えるため、主として、強度、靱性、耐摩耗性、耐疲労特性等の改善に重点が置かれており、特に、金属間化合物を素地に分散させることによって耐摩耗性の向上が図られている。
しかし、金属間化合物が素地に分散分布している組織の場合には、確かに耐摩耗性は高められるものの、その反面、前述したＣｕ合金製シンクロナイザーリングの作製工程において切削加工する際に、硬質の金属間化合物の存在によって被削性が劣り、加工能率が低下するという問題があった。
そこで、Ｃｕ合金製シンクロナイザーリングとして必要とされる特性、即ち、強度、靱性、耐摩耗性等を備えるとともに、これに加え、被削性にも優れるＣｕ合金の開発が望まれている。

そこで、本発明者は、前記の課題を解決すべく、Ｃｕ合金の成分組成について鋭意検討したところ、シンクロナイザーリング用のＣｕ合金において、被削性低下の原因となる金属間化合物の生成量を低減し、その代わりに、合金成分として微量のＣｒとＣを含有させ、素地中に微細炭化物を形成することによって、耐摩耗性等のシンクロナイザーリングに求められる特性を確保するとともに、被削性を向上させ得ることを見出したのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、以下のところを特徴とする。
（１）質量％で、Ｚｎ：２５％以上４３％以下、Ａｌ：２．０％以上８．０％以下、Ｔｉ：０．１０％以上５．０％以下、Ｃｒ：０．０１０％以上０．０４０％以下、Ｃ：０．０００５％以上０．０１０％以下、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏの内から選ばれる１種または２種以上を合計で１．０％以上５．０％以下含有し、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする被削性に優れたＣｕ合金。
（２）前記（１）に記載のＣｕ合金において、Ａｌの含有量は２．０％以上６．０％以下、Ｔｉの含有量は０．１０％以上２．０％以下であることを特徴とする被削性に優れたＣｕ合金。
（３）前記（１）に記載のＣｕ合金において、ＡｌとＴｉとＣｒのそれぞれの含有量が、（Ａｌ＋Ｔｉ＋３Ｃｒ）≦８．１％を満足することを特徴とする被削性に優れたＣｕ合金。
（４）前記（１）乃至（３）に記載のＣｕ合金からなることを特徴とするＣｕ合金製押出しパイプ部材。
（５）前記（１）乃至（３）に記載のＣｕ合金からなることを特徴とするＣｕ合金製シンクロナイザーリング。

本発明について、以下に、詳細に説明する。

Ｚｎ：
本発明のＣｕ合金中のＺｎ成分には、Ａｌと共存することによってＣｕ合金の強度、靭性および耐摩耗性を向上させる作用があるが、Ｚｎの含有量が２５質量％（以下、単に「％」と記す）未満になると、素地に占めるβ相の面積割合が減少し、α相の面積割合が増加するため、硬さが低下し、所望の耐摩耗性を確保することができない。
一方、Ｚｎの含有量が４３％を超えると、耐摩耗性は向上するものの、γ相の出現によってＣｕ合金の強度、靭性、熱間加工性が低下傾向を示すようになる。
したがって、Ｚｎの含有量は、２５〜４３％とする。

Ａｌ：
Ａｌ成分はＺｎとの共存によって、Ｃｕ合金の強度、靭性および耐摩耗性を向上させることは前記のとおりであるが、さらに、Ａｌは、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏの内から選ばれる１種または２種以上の鉄族元素およびＴｉとの金属間化合物を形成して、耐摩耗性を向上させることから２．０％以上含有させる。しかし、８．０％を超えて含有させても耐摩耗性向上効果は少なく、その反面、γ相の出現によりＣｕ合金の靱性、熱間加工性を低下させるようになることから、Ａｌの含有量は２．０〜８．０％とする。
また、本発明では、Ｃｕ合金の被削性を向上させるために、金属間化合物の生成量の低減を図っていることから、Ａｌ含有量の上限を６．０％とし、Ａｌの含有量を２．０〜６．０％とすることが望ましい。

Ｔｉ、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏ：
Ｔｉ成分は、ＡｌおよびＦｅ、ＮｉおよびＣｏの内から選ばれる１種または２種以上の鉄族成分元素と共存した場合、凝固時に微細粒状の金属間化合物を形成し、これが組織を微細化すると同時に、素地に分散して耐摩耗性を向上させる作用を有する。
しかし、Ｔｉ含有量が０．１０％未満あるいはＦｅ、ＮｉおよびＣｏの含有量合計が１．０％未満では、組織の微細化効果、耐摩耗性向上効果が少なく、一方、Ｔｉ含有量が５．０％を超える場合、あるいは、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏの含有量合計が５．０％を超える場合には、Ｃｕ合金の靭性が低下するので、好ましくない。
したがって、Ｔｉ含有量は０．１０〜５．０％、また、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏの内から選ばれる１種または２種以上の鉄族元素の合計含有量は１．０〜５．０％とする。
ただ、Ｃｕ合金中に生成する金属間化合物の生成量を低減し、被削性能を改善するという観点からは、Ｔｉ含有量は２．０％を上限とし、Ｔｉ含有量を０．１０〜２．０％とすることが望ましい。なお、上記のＦｅ、ＮｉおよびＣｏのうち、とりわけＮｉは前述の組織微細化並びに耐摩耗性向上に寄与する効果が大きい。そのため、Ｎｉは必須添加とするのが望ましく、その場合のＮｉの下限値は１．５％にすれば良い。

Ｃｒ：
Ｃｒは、Ｃｕ合金素地に固溶し、固溶強化により素地の強度を高め、金属間化合物生成量の減少に伴うＣｕ合金の強度低下、耐摩耗性の低下を補完するが、０．０１０％未満の含有量ではその効果が少なく、一方、含有量が０．０４０％を超えると、金属間化合物として析出し、被削性を低下させるようになることから、Ｃｒ含有量は０．０１０％以上０．０４０％以下とする。
なお、前記特許文献２には、Ｃｕ合金中の合金成分として、Ｍｎ：２％以上４．５％以下及びＳｉ：０．５％以上２％以下の添加とともに、Ｃｒを０．０５％以上０．５％以下添加含有させることが提案されているが、特許文献２におけるＣｒ（およびＭｎ、Ｓｉ）の添加は、合金中に金属間化合物を形成することによる耐摩耗性の向上を目的としているものであり、金属間化合物の生成の低減化を図る本発明とは、Ｃｒを添加する目的、Ｃｕ合金中でＣｒが果たす作用（固溶強化と炭化物の析出・分散による耐摩耗性の向上）は明らかに異なるものである。

Ｃ：
Ｃｕ合金中のＣは、主として、Ｔｉ、Ｃｒ等の成分元素と反応して炭化物を形成し、素地中に微細に分布することによりＣｕ合金の強度、硬さを高め、耐摩耗性を向上させると同時に被削性を向上させる。
しかし、その含有量が０．０００５％未満では、耐摩耗性を向上させるに十分なほど炭化物が形成されず、一方、その含有量が０．０１０％を超えると、形成される炭化物量が過剰になり、また、炭化物の粗大化により、強度、被削性がともに低下する。
したがって、Ｃ含有量は０．０００５％〜０．０１０％とする。

本発明のＣｕ合金の成分組成の数値範囲限定理由は前記のとおりであるが、このような成分組成を有するＣｕ合金製シンクロナイザーリングにおいては、後記する実施例でも明らかにするようにビッカース硬さＨＶが２００以上である高硬度が得られ、すぐれた摩耗性を示すと同時に、突切用超硬バイトによる加工個数が３０００個以上であるすぐれた被削性をも示す。
また、耐摩耗性を低下させずに被削性を一段と向上させるという観点からは、Ａｌ：２．０％以上６．０％以下で、かつ、Ｔｉ：０．１０％以上２．０％以下とすることが望ましい。
あるいは、ＡｌとＴｉとＣｒのそれぞれの含有量について、（Ａｌ＋Ｔｉ＋３Ｃｒ）≦８．１％を満足する範囲とすることが望ましい。
これは、すでに述べたように、Ｃｒ、Ｃを合金成分として含有することによって、微細炭化物を形成させてＣｕ合金の強度、耐摩耗性を確保し、その一方、ＡｌとＴｉの含有量をできるだけ少なくして、被削性を劣化させる金属間化合物の生成を抑制するという理由による。
そして、被削性を一段と向上させた前記成分組成を有するＣｕ合金製シンクロナイザーリングにおいては、ビッカース硬さＨＶが２００以上であり、高硬度、耐摩耗性を備えることに加えて、突切用超硬バイトによる加工個数が３２００個以上という被削性が一段とすぐれたものとなる(後記実施例の表３の本発明４〜１２の加工個数の数値参照)。

本発明では、例えば、高周波溶解炉により前記所定の成分組成となるようなＣｕ合金を溶製し、金型鋳造にてインゴットを製造し、このインゴットを熱間鍛造する。
次いで、熱間押出しにより所定の寸法のＣｕ合金製押出しパイプ部材を作製する。
次いで、上記Ｃｕ合金製押出しパイプ部材を、所定の幅（高さ）になるように切削加工することによって、所定の成分組成のＣｕ合金からなる所定サイズのＣｕ合金製シンクロナイザーリング（素材）を得ることができる。

この発明のＣｕ合金によれば、被削性を低下させる金属間化合物の生成量を低減し、その一方、微量含有成分であるＣｒ、Ｃによって微細炭化物を素地に分散させ、Ｃｕ合金の強度、靱性および耐摩耗性を担保していることから、従来のＣｕ合金に匹敵する強度、靱性、耐摩耗性を有するとともに、従来のＣｕ合金に比してすぐれた被削性を備えたＣｕ合金を得ることができる。
また、この発明のＣｕ合金を用いてシンクロナイザーリングを作製するに際し、従来よりも高い加工能率で、しかも、シンクロナイザーリングとして求められる高強度、靱性、耐摩耗性を備えたシンクロナイザーリングを得ることができる。

シンクロナイザーリングの概略斜視図である。

本発明を、実施例に基づいて、以下に詳細に説明する。

先ず、通常の高周波溶解炉により、表１に示される成分組成となるように本発明Ｃｕ合金溶湯を溶製し、得られた溶湯を、鋳込み温度：１，１００℃で内径：２５０ｍｍの金型に鋳込み、直径：２５０ｍｍ、長さ：３０００ｍｍのＣｕ合金インゴットを製造した。
ついで、このインゴットを所定の長さに切断し、７５０℃で熱間押出し加工を行い、外径：７２ｍｍ、内径：５４ｍｍのＣｕ合金製押出しパイプを作製した。
ついで、このパイプを、突切用超硬バイト（型式：ＪＩＳ２１型、超硬チップ：ＩＳＯ Ｍ２０）を用いて幅１０ｍｍで突切加工を施して高さ１０ｍｍの本発明リング１〜１２を作製した。
さらに、前記本発明リング１〜１２についで、内・外径の切削加工を施すことにより、外径：７０ｍｍ、内径：５６ｍｍ、高さ：１０ｍｍのＣｕ合金製シンクロナイザーリングを作製した。

比較のため、通常の高周波溶解炉により、表２に示される成分組成となるように比較例Ｃｕ合金溶湯を溶製し、次いで、前記実施例と同様な工程で比較例リング１〜６を作製し、さらに、内・外径の切削加工を施すことにより、外径：７０ｍｍ、内径：５６ｍｍ、高さ：１０ｍｍのＣｕ合金製シンクロナイザーリングを作製した。

前記Ｃｕ合金製シンクロナイザーリングの作製工程において、それぞれのＣｕ合金の被削性の良否を調べるために、前記突切用超硬バイト１個当たりの本発明リング１〜１２および比較例リング１〜６の加工個数をカウントし、該加工個数の大小によって本発明Ｃｕ合金、比較例Ｃｕ合金の被削性の良否を評価した。
また、前記で作製した高さ１０ｍｍの本発明リング１〜１２および比較例リング１〜６の断面について、ビッカース硬さ試験（ただし、荷重：１０ｋｇ）を行い、ビッカース硬さＨＶの大小によって、本発明リング１〜１２および比較例リング１〜６の耐摩耗性の良否を評価した。
表３に、これらの結果を示す。

表３に示される結果から、本発明Ｃｕ合金およびこれから作製したシンクロナイザーリングは、ビッカース硬さＨＶは２０４〜２２３という高硬度を有していることから耐摩耗性に優れ、さらに、バイト１個当たりの突切加工個数で評価した被削性は３００４〜３７０２（個）であって被削性にも優れており、耐摩耗性と被削性とのバランスに優れたものであることがわかる。
特に、請求項２あるいは請求項３の条件を満足する本発明４〜１２については、本発明１〜３に比して硬さは若干劣る（ＨＶ：２０４〜２１４）ものの、すぐれた被削性（加工個数：３２８３〜３７０２）を備えている。

これに対して、本発明で定めた成分組成を外れる比較例１〜３は、被削性に優れる（突切加工個数が３７４４〜３７９２（個））もののビッカース硬度ＨＶの値が１７２〜１９２と小さいため耐摩耗性に劣り、一方、ビッカース硬さが高い比較例４〜６（ＨＶ：２３８〜２５８）では、突切加工個数が２３４２〜２５４２（個）と小さいために被削性に劣ることが明らかである。

即ち、比較例のＣｕ合金は、耐摩耗性と被削性の双方の特性を兼備するものではないのに対して、本発明のＣｕ合金は、すぐれた耐摩耗性及びすぐれた被削性の双方の特性を相兼ね備えるものであるから、シンクロナイザーリング作製用のＣｕ合金として好適な材料である。

以上説明したように、本発明のＣｕ合金は被削性と耐摩耗性に優れていることから、シンクロナイザーリングとして好適な材料であるが、この用途に限定されるわけではなく、すぐれた機械的特性とともに、被削性の求められる各種技術分野への幅広い応用・展開が可能である。

１ シンクロナイザーリング内面
２ チャンファー
３ キー溝

Claims (5)

1. 質量％で、Ｚｎ：２５％以上４３％以下、Ａｌ：２．０％以上８．０％以下、Ｔｉ：０．１０％以上５．０％以下、Ｃｒ：０．０１０％以上０．０４０％以下、Ｃ：０．０００５％以上０．０１０％以下、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏの内から選ばれる１種または２種以上を合計で１．０％以上５．０％以下含有し、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする被削性に優れたＣｕ合金。
2. 請求項１に記載のＣｕ合金において、Ａｌの含有量は２．０％以上６．０％以下、Ｔｉの含有量は０．１０％以上２．０％以下であることを特徴とする被削性に優れたＣｕ合金。
3. 請求項１に記載のＣｕ合金において、ＡｌとＴｉとＣｒのそれぞれの含有量が、（Ａｌ＋Ｔｉ＋３Ｃｒ）≦８．１％を満足することを特徴とする被削性に優れたＣｕ合金。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＣｕ合金からなることを特徴とするＣｕ合金製押出しパイプ部材。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＣｕ合金からなることを特徴とするＣｕ合金製シンクロナイザーリング。