JPH0380859B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、真ちゆう合金、特に、自動車部品
におけるシンクロリング（変速歯車かみ合わせの
同期作用において主要な働きをする摩擦環。シン
クロナイジングリング、ボークリングともいう。）
に用いる真ちゆう合金に関するものである。 シンクロリングについては、特殊真ちゆうおよ
びアルミニウム合金などの各種材料が使用され、
さらには硬質金属をもつて被覆された特殊真ちゆ
うおよび類似品が使用される。後者の場合の使用
は、価格の点から特殊の場合に限定されるが、特
殊真ちゆうおよびアルミニウム合金の場合には、
特に自動車工業における需要のたえまない増大の
故に、その摩耗性に関して問題点が増加してい
る。 したがつて、本発明の目的は、前述の摩耗性に
関して需要の増大に応えることのできるシンクロ
リング用真ちゆう合金を提供することにある。 この課題を解決するため、本発明によるシンク
ロリング真ちゆう合金は、重量比で、10〜35％の
亜鉛、６％を超え12％以下のマンガン、２〜７％
のアルミニウム、1.2％を超え４％以下のケイ素
および0.01〜0.15％のクロムまたは／およびジル
コニウムを含有し、残部が銅ならびに不可避的不
純物からなる合金であつて、ケイ素が実質的にケ
イ化マンガンの形態で含有されており、耐摩性お
よび高硬度を有することを特徴としている。 本発明の真ちゆう合金は、1300〜3500Km／ｇの
耐摩性および170〜270HBの硬度を示す。 また、本発明による真ちゆう合金は、これによ
つて達成されうる技術的特性にもかかわらず、比
較的安価な成分から製造され得るという利点を有
する。一般に特殊で高価な合金の形でのみ融解す
ることのできる鉄などの金属成分が不必要であ
り、あるいは鉄は不純物として小量のみ存在す
る。 前記組成のCu−Zn−Al基合金は合金技術の観
点から特殊真ちゆうに属する。この種の合金は、
耐摩性部品、たとえばシンクロリングとして広く
利用されている。 たとえば本出願人の西独特許公開公報第
2919478号明細書から、下記組成を有するシンク
ロリング用の真ちゆう合金が公知である。 60〜75％ 銅 ６〜８％ マンガン ４〜６％ アルミニウム １〜４％ ケイ素 １〜３％ 鉄 0.5〜1.5％ 鉛 必要に応じて 0.2％まで ニツケル 0.2％まで スズ 0.05％まで １種またはそれ以上の元素クロム、
バナジウムおよびチタン 残 部 亜鉛 この際に得られる比較的高い耐摩性は、鉄、マ
ンガン、ケイ素からなる金属間化合物の寄与によ
るものである。また、クロム、バナジウムおよび
チタンの添加は、鉄のほかに金属組織の結晶粒微
細化に役立つと考えられる。このような合金にお
いては、特に好ましい実施例の1.6重量％の比較
的高い鉄含有量にみられるようにコストが高くな
る。なぜなら、一方ではこのような高い鉄分は高
価な前駆合金のみによつてもたらされるからであ
り、他方では、特に微細な粒結晶粒構造の形成に
とつては、このような高価な鉄成分が本質的に必
要だからである。 さらに、西独特許公告公報第2145690号明細書
には、内燃機用弁座材料として使用されうる高温
耐摩性真ちゆう合金が開示されている。この種の
部品はシンクロリングと類似の特性を示さなけれ
ばならないが、また特に均一な摩擦係数を有しな
ければならない。しかしこの摩擦係数は弁座の場
合、できるだけ低くなければならないが、シンク
ロリングの場合はできるたげ高くなければならな
い。上述した真ちゆう合金は次の組成を示す。 25〜40％ 亜鉛 １〜８％ アルミニウム １〜５％ マンガン 0.8〜３％ クロム 0.3〜２％ ケイ素 0.3〜１％ リン また任意成分として、 ２％まで 鉄および／またはニツケルその他のオ
プシヨン成分（この際にオプシヨ
ン成分全量が５％を超えてはなら
ない） 残 部 銅 その際に、アルミニウムとクロムは結晶マトリ
ツクスを強化し、耐摩性の改良に寄与することに
なり、ケイ素はマンガンと固い金属間結合を生
じ、この金属間結合が同じく耐摩性の向上に寄与
する。リンは脱酸剤として役立ち、また同じく材
料の硬度を向上させる。 この種のCu−Zn−Al基合金においては、銅−
亜鉛マトリツクスの中にアルミニウムを導入する
ことにより（初結晶格子の緊張化によつて）混合
硬化が生じる。この種の合金は、特に金属鉄およ
び金属マンガンとケイ素との金属間結合（ケイ化
物）によつて、その耐摩性を保持している。この
場合、耐摩性はケイ化物の混合割合と共に一定範
囲内において増大する。そこで、ケイ化物の含有
量、従つて、耐摩性の増大に一般的努力が払われ
ている。 しかし、ケイ化物の含有量の増大に伴なつて、
非常に粗大なケイ化物析出物の形成、ならびにケ
イ化物が集塊状または巨大な錯体状に凝固する危
険性が増大する。これらのプロセスはいずれも、
この種の合金からなる部品の脆性破断の危険を増
大させる。しかし、脆性破断は、シンクロリング
などの部品においては極力避けられなければなら
ない。そのような脆性破断は、重大な事故につな
がるからである。 さらに、このようなケイ化物富化は自動的にケ
イ化物貧化に対立し、これらの貧化が常に耐摩性
の不十分な材料を生じる。 したがつて、関連の可鍛合金のケイ化物含有量
は最大１重量％までに限定されている（DIN17
660 CuZn₄OAl1と２）。この種の合金において
は、最大２重量％までのケイ化物含有量はむしろ
例外的である。故に、種々の特許明細書において
この種の合金について指示されている高ケイ化物
含有量は、下記の実施例から推測されうるよう
に、実施できないものである。 すなわち、西独特許公開第2919478号明細書に
おいては、４重量％までのケイ化物含有量が推定
される。しかし好ましい実施例は、1.5重量％の
ケイ化物含有量を指示している。実際に好ましく
は最高約1.7重量％のケイ化物含有量を有するこ
の種の合金が、与えられた目的に応じて使用され
ている。 また西独特許公告公報第2145690号明細書にお
いては、２％までのケイ素含有量が請求されてい
るが、実施例は最大0.8％のケイ素含有量を指示
している。 ある合金メーカによつて、この種の合金につい
ては1.53％の最高ケイ素含有量が実証されている
（自動車技術誌83（1981）227−230）。 上述したことから、一般に、Cu−Zn−Al−材
料の中に多量のケイ化物を導入することは困難で
あることが推察される。さらにまた、ケイ化物析
出物の微細化と均質化に適していると思われるな
んらかの方法を利用することは不可能である。す
なわち、驚くべきことに、同一のケイ化物含有量
においてケイ化物の微細化は耐摩性の顕著な悪化
を招くことが確認されている。 したがつて、所要の高い耐摩性に適合したケイ
化物含有量においては、そのケイ化物が均一分布
を示すことのほか、一定の粒径範囲内における特
定の中程度の粒径を示すようにすることが必要で
ある。 これは本発明によれば、真ちゆう合金成分のク
ロムおよび／またはジルコニウムの特定の含有量
によつて可能となる。この場合、クロム含有量
が、一方ではケイ素含有量に対応して、また他方
では小程度の他の合金成分に対応して、0.01〜
0.15重量％、好ましくは0.05〜0.1重量％の範囲内
において変動する。 これより少ないクロムおよび／またはジルコニ
ウムの含有量はケイ化物析出に対して影響を与え
ず、一方、これより高い含有量は望ましくない程
度に微細なケイ化物析出を生じ、これは耐摩性を
著しく低下させる。この際に、クロムとジルコニ
ウムはそれぞれ置換され、また添剤として使用さ
れる。添加されるべきクロムないしジルコニウム
の量は、それぞれの合金のすべての成分に対応し
て決定されなければならない。たとえば、驚くべ
きことに、アルミニウム含有量の高い場合、同等
のケイ化物析出をうるためには、クロムないしジ
ルコニウムの添加量も増大しなければならないこ
とが確認された。過度に多量のクロムないしジル
コニウムを添加する際には、過度に微細なケイ化
物析出のほか、この析出物の粗大な密集体が生
じ、これによりこのような真ちゆう合金はそれ以
上使用することができなくなる。 従つて、本発明の真ちゆう合金においては、目
的とする素材の耐摩性および破断強さを考慮して
ケイ化物析出物の形状と分布とを制御するための
驚くべき選択的な方法が実施される。 この発明の他の利点および有利な構成は下記の
説明から明らかとなろう。以下において、この発
明による素材の構造について、添付図面によつて
さらに詳細に説明する。 下記において使用される用語、合金、材料およ
び半完成品ないし半製品はそれぞれ次の意味を有
するものとする。 合金−きわめて一般的に化学的組成物を意味す
る、材料−“仕上合金”、これは化学組成および構
造を含む。 半完成品、ないし半製品−すでにある特定の外
形を示すが、最終製品となるまで、さらに加工を
必要とする材料を意味する。 本発明による合金は下記の成分から成る組成を
有する（下記組成のデータはすべて重量％であ
る）。 10〜35％ 亜鉛 ６％を超え12％以下 マンガン ２〜７％ アルミニウム 1.2％を超え４％以下 ケイ素 0.01〜0.15％ クロムまたはジルコニウム 任意成分として、 ２％まで 鉛 ２％まで ニツケル １％まで 通常の不純物 残 部 銅 この場合、マンガン含有量はそれぞれケイ素含
有量に関連する。なぜならば、ケイ素は実質的に
ケイ化マンガンの形態で化合されていることが前
提だからである。 また不純物については、鉄の不純物合計含有量
が0.7％を超えてはならないことが前提されてい
る。 このような合金組成を有する材料の場合、銅、
亜鉛、アルミニウムが基体構成をなす。これらの
成分のそれぞれの含有量範囲は本質的に材料の硬
さおよび加工性に関する通常の要請に従つて決定
される。その際に、これらの材料についてはβ相
ないしはβ＋α相が介在しなければならない。γ
相は可能な限り避けなければならない。 マンガン含有量とケイ素含有量の上限と下限は
相互に関連されている。すなわち、本発明の合金
組成において、1.2％を超え４％以下のケイ素は、
ケイ化物として完全に化合されうるためには６％
を超え12％以下のマンガンを必要とする。また、
これらの下限は、耐摩性を得るために必要とされ
る約５％のケイ素最小限必要量から与えられる。
マンガン12％ないしケイ素４％の上限は、基本構
造中に有意義に導入されうる最小限ケイ化物含有
量、約16％から与えられる。この上限を超える
と、不均一なケイ化物析出を生じ、これが耐摩性
に悪影響を与える。６％を超えるマンガン含有量
と化合した２〜３％のケイ素含有量を使用するこ
とが好ましい。シンクロリング用合金に利用する
際に、この含有量範囲内で最も平衡した材料特性
が得られるからである。 クロムないしジルコニウムは0.01％〜0.15％の
範囲内で添加され、ケイ化物析出に影響する。こ
の場合に、0.01％未満のクロムないしジルコン含
有量は、ケイ化物析出に対してもはや本質的影響
を与えることなく、これに対して、0.15％を超え
る含有量においては、ケイ化物析出物が微細にな
りすぎ、さらに粗大な密集体を形成する可能性が
ある。クロムないしジルコニウムは選択的にまた
は累加的に使用することができる。クロムおよ
び／またはジルコニウムのそれぞれの添加量は、
ケイ素含有量およびケイ化物析出物の所望の形状
に依存し、またこれより少ない程度において、他
の成分、特にアルミニウムの含有量に依存してい
るが、その際にケイ素含有量の増大に伴なつてケ
イ化物析出物が微細化され、またアルミニウム含
有量の増大に伴なつて、クロム含有量を増大する
必要がある。0.05〜0.1％のクロム含有量範囲が
好ましい。その場合には、シンクロリングに使用
するに適した最も平衡した材料特性が得られるか
らである。 クロムないしジルコニウムによるケイ化物析出
に対する影響のメカニズムは公知の知識によれば
下記の通りである。公知のように、ケイ化マンガ
ンは、その高温耐性の故に、冷却に際して、Cu
−Zn−Al基本構造の固化に先立つて融成物から
析出する。 クロムないしジルコニウムあるいはその化合物
はケイ化物析出物にとつて核形成剤として作用す
る。存在する核形成剤の数により、またクロムな
いしジルコニウムの含有量に応じて、対応数のケ
イ化物析出物が形成され、これらの析出物は、合
金のマンガンおよびケイ素の限られた含有量の故
に、特定の中程度の粒径にのみ達することができ
る。 特に驚くべきことは、クロムないしジルコニウ
ムの添加により、ケイ化物の共晶微細析出が抑止
される。このような微細晶出は、先行技術におい
ては、存在するケイ化物量の大部分をなし、しか
も摩耗行動に対して対応の寄与を成すことがな
い。 本発明による合金に対する他の添加可能な任意
成分は鉛とニツケルである。 オプシヨン成分としての鉛は２％の含有量まで
添加することができ、特に削りくずを発生する加
工に際しての材料性能を改良する。 オプシヨン成分としてのニツケルも２％の含有
量まで添加することができ、拡散制御剤として好
ましく作用する。故にニツケルは、素材に対して
長時間熱処理が予定され、その間に拡散作用によ
り構造ができるだけ望ましくない状態を生じない
ようにする場合にのみ添加される。 この合金はその構造形成に関して、通常の真ち
ゆう製造に際して見られる不純物に対して比較的
寛大である。故に、１％までの通常の不純物含有
量は許容される。しかしこれを鉄の不純物にあて
てはならない。このような不純物における鉄分は
最大0.7％まで許容されるにすぎない。この限界
を超えた鉄分、特に１％を超えた鉄分は融解を困
難にし、マンガンケイ化物析出物の均質性に影響
する。これにより材料の技術特性が劣化する。 前記の合金組成範囲内の組成を有する材料ない
し半完成品の製造方法はきわめて簡単である。な
ぜかならば、高度の耐摩性にとつて決定的に重要
なケイ化物が一次析出物として発生するからであ
る。 この発明による製造工程においては、通常の方
法で融解された合金を、約1000℃以上の温度で鋳
込み、または好ましくは連続鋳造し、次に任意の
冷却速度で、400℃以下の温度まで冷却する。こ
の冷却された材料ないしすでに押出プレスを通し
て成形された半完成品は、銅分、亜鉛分およびア
ルミニウム分に依存して、また冷却速度に応じ
て、純粋なβ−混晶構造からなり、また銅当量
（理論的銅含有量）が高く冷却速度が低い場合、
βプラスα−混合構造からなり、その際に原則と
してβ部分が大部分を占める基本構造を示す。 このβ乃至β＋α基本構造においては、特に結
晶粒内部において、本質的にケイ化マンガンから
成る一次析出物が形成されている。このケイ化マ
ンガンは極度に均質に配分され、先に述べたクロ
ム／ジルコニウム核成形メカニズムに基いて、比
較的一様な粒径を有する。この材料において、ケ
イ化マンガンは通常の針状を成し、この場合、針
状体の直径は主として約5μｍまでであり、その
長さは約30μｍまでである。 鋳込まれまた好ましくは冷却された材料は、
550〜800℃、好ましくは620〜720℃の範囲の温度
で加熱成形工程を受けることができる。第１加熱
成形段階として、好ましくは押出成形され、その
のちオプシヨンとして、例えばダイス鍛造する。 さらに、それぞれの形成段階ののち、200〜500
℃の温度範囲での熱処理段階を実施することがで
きる。このような熱処理工程は、構造の焼鈍また
は時効硬化に役立ち、ないしβ＋α混晶構造にお
けるα部分の増大など、特定の構造比の調整に役
立つ。この場合、加熱時間は数秒（たとえばダイ
ス鍛造前の誘導加熱）から約24時間（たとえば、
低温焼鈍）までの範囲内にある。 その場合、加熱成形処理段階ならびに熱処理段
階は本質的にCu−Zn−Al基本組織の変更のみに
作用する。これに反して、一次析出物としてのケ
イ化マンガンは実際上影響されない。 この種の真ちゆう材料ないし真ちゆう合金は、
前述のケイ化物析出の故に、すぐれた加工性のほ
かに高度の耐摩性を示す必要のある半完成品およ
び半製品について有効に利用される。好ましく
は、この種の材料から自動車部品のシンクロリン
グを製作する。 実施例および対照例

【表】 前記の表において、各種の合金の組成を示し
た。その組織乃至は耐摩耗性については下記にお
いて詳細に説明する。 合金１と２、乃至３と４はそれぞれクロム含有
量までは同等の組成を有するが、合金１と３はい
ずれもクロム含有量が０であり、合金２と４はそ
れぞれ0.05％のクロム含有量を有する。 合金５〜７の組成はクロム含有量までは本質的
に同等である（ただマンガン含有量のみが若干異
なる）。クロム含有量は合金５の場合0.10％、合
金６の場合0.20％、合金７の場合0.40％にそれぞ
れ等しい。 合金８はクロムの代わりにジルコニウムを含む
態様である。 合金CuZn₄OAl₂は標準型シンクロリング合金
を示し、これは後述の摩耗テストにおいて対照と
して用いられる。 表に示したすべての合金はルツボ炉の中で融
解され、1000℃以上の初温度で、直径220mmの連
続鋳造物状に鋳造された。中程度の冷却速度をも
つて冷却されたのち、構造試料を採取し、これを
通常の方法で薄片状になす。図１〜７において
（図の番号は合金番号と一致する）、これらの材料
の代表的200倍率の金属組織写真を示した。 図１と図３に示した組織が最も不均一なケイ化
マンガン析出を示している（写真において黒色で
示されている）。特に、先行技術に関連してすで
に述べた共晶ケイ化物析出が見られる（図１の下
半分と中央、図３の左下）。図２と図４による組
織においては、ケイ化マンガン析出の均一性に対
する0.05％のクロム添加の有効な作用が明白に見
られる。すなわち、ケイ化物は本質的に均一に分
散され、また非常に類似したサイズを示している
（これらの断面写真においては、ランダム配向の
針状ケイ化マンガン析出物の一部のみが正確に断
面に横たわつているので、その断面のみが見られ
る）。図１〜４において部分的に見られる明るい
背景の細い線は基本構造の結晶粒界を示す。共晶
ケイ化物析出は特に見られない。 図５〜７は、本発明の材料（図５）の組織に対
比して、高すぎるクロム添加が黒色で示したケイ
化マンガン析出物（図６と７）に対して及ぼす作
用を示している。 すでに図５においては、ケイ化物針状体が図４
の組織におけるよりも小さくなつていることが分
かる。これは、ケイ素含有量のわずかの増大に際
して（図４：2.25％、図５：2.5％）クロム含有
量が２倍に増大された結果である（図４：0.05
％、図５：0.10％）。 図６においては、0.20％のさらに倍増されたク
ロム含有量から成る組織を示す。この場合、他の
成分は図５の合金組成の成分と同等である。この
場合、すでにケイ化マンガン析出物は極度に微細
であつてこのような組織の素材においては、耐摩
性挙動が明白に劣化している。さらにこの組織に
おいては、すでにケイ化物の配分の不均一性が見
られる（図６の右下）。 図７の組織においては、このような不均一配分
はさらに明白となつている。この場合、図６の場
合に対して、組成は他の点ではほとんど同等であ
るがクロム含有量がさらに倍加されている（0.40
％）。 図６による組織の場合、微細すぎるケイ化マン
ガン析出物のほか、明白に粗大なケイ化物密集体
が見られ、これはこの種の材料を所望の用途に使
用不能とする。 合金番号２および８の材料と対照としての材料
CuZn₄OAl₂とから下記の好ましい方法によつて
シンクロリングを製造した。連続鋳造された材料
を650℃、約85×70mm直径の管状に押出した。次
にこの管を冷却し、切断した。管片を誘導加熱に
よつて650℃に加熱し、ダイス鍛造によつてシン
クロリング状に成した。そののち、このシンクロ
リングを250℃で10時間時効硬化させた。そこで
この半完成品から摩耗テスト試料を採取し、後述
ライヘルトシステムによる摩耗性測定を実施し
た。その結果を下表に示す。

【表】 材料損失グラムあたりキロメータで表わされる
耐摩性のほか、表には試料片の硬度ならびに構
造のα相部分の％が示されている。この表から見
られるように、両方の試料片の硬度はほとんど同
等であり、またα相部分の％は正確に等しい。こ
れら両方の値は、技術的特性に関してきわめて類
似した基本構造によつて決定されている。 これに反して、本質的にケイ化物析出に帰せら
れる試料片の耐摩性はきわめて相違している。総
括的に、合金No.２および８から成る試料片の摩耗
度は、対照材料から成る試料片よりも１桁低い。 耐摩度を測定するため、この特殊目的に調整さ
れた摩耗度計測器、ライヘルト・システムが使用
された。試料片は直径2.7mmの丸いピンから成り、
このピンは当接面は正面削りされており、その当
接面はシンクロリングに似せて摩擦ねじれから成
つていた。対向物は、35mmの外径と、硬度58−
65HRCと、約2μｍの当接面粗さとを有する
100Cr6の研磨されたニードルころ軸受リングが
使用された。グリースは、10mmの軸受リング浸漬
深さにおいて、75体積％の歯車グリースSQ
M2C−9008Aと、25体積％のシエルフユサスオイ
ル10であつた。 使用されたテスト・パラメータ： 52N／mm²に相当する試料片荷重300N、 約1.8w／秒のすべり速度に対応するリング回
転速度100U／分、 約100℃のグリース温度、 走行距離2500ｍ。 摩耗値としては、試料片の重量損失を観察し
た。その際に、重量損失の測定に先立つて、試料
片に生じたバリを除去した。表に示された摩耗
抵抗は、走行距離、キロメータと重量損失、グラ
ムとの比である

【図面の簡単な説明】

図１と図２はそれぞれクロムを含有せずまたは
含有するCu−Zn−Al材料の合金組織写真、図３
と図４はそれぞれクロムを含有せずまたは含有す
る他のCu−Zn−Al材料の合金組織写真、また図
５乃至図７は相異るクロム含有量を有する本質的
に同一組成のCu−Zn−Al材料の合金組織写真で
ある。

【特許請求の範囲】

１ テルルを0.005〜0.025重量％、亜鉛を0.1〜
2.5重量％、ニツケルを0.005〜0.5重量％、残部が
実質的に銅及び付随的不純物からなることを特徴
とするラジエータフイン用銅合金。

Claims (1)

1. ５ 重量比で、10〜35％の亜鉛、６％を超え12％
   以下のマンガン、２〜７％のアルミニウム、1.2
   ％を超え４％以下のケイ素および0.01〜0.15％の
   ジルコニウムを含有し、残部が銅ならびに不可避
   的不純物からなる合金であつて、ケイ素が実質的
   にケイ化マンガンの形態で含有されており、耐摩
   性および高硬度を有することを特徴とする、シン
   クロリング用真ちゆう合金。 ６ ケイ素の含有量が1.5〜３％の範囲である、
   特許請求の範囲第５項の真ちゆう合金。 ７ ジルコニウムの含有量が0.05〜0.1％の範囲
   である、特許請求の範囲第５項または第６項の真
   ちゆう合金。 ８ ケイ化マンガンがその形態で５〜16％含有さ
   れている、特許請求の範囲第５項ないし第７項の
   いずれか１項に記載の真ちゆう合金。