Медно-цинковый сплав, а также изготовленное из него блокирующее кольцо синхронизатора

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, в частности к медно-цинковым сплавам и изготовленным из них блокирующим кольцам синхронизатора. Заявлен медно-цинковый сплав, его применение для изготовления блокирующего кольца синхронизатора и блокирующее кольцо синхронизатора. Сплав содержит от 55 до 75 мас.% меди, от 1,65 до 8 мас.% алюминия, от 0,3 до 3,5 мас.% железа, от 0,5 до 8 мас.% марганца, от 0 до менее 5 мас.% никеля, от 0 до менее 0,1 мас.% свинца, от 0 до 3 мас.% олова, от 0,3 до 5 мас.% кремния, от 0 до менее 0,1 мас.% кобальта, от 0 до менее 0,05 мас.% титана, от 0 до менее 0,02 мас.% фосфора, неизбежные примеси, а остальное - цинк. Сплав характеризуется повышенной износостойкостью. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к медно-цинковому сплаву, который является по существу бессвинцовым. Кроме того, изобретение относится к применению такого медно-цинкового сплава для изготовления блокирующего кольца синхронизатора, а также к блокирующему кольцу синхронизатора.

Медно-цинковые сплавы или латуни используются как в сантехнической промышленности, так и в электронной промышленности. В автомобильной промышленности латуни с высокой износостойкостью и высоким коэффициентом трения применяются для блокирующих колец синхронизаторов, которые используются в механических коробках передач для синхронизации зубчатого колеса включаемой передачи.

Для обеспечения возможности легкой обработки медно-цинкового сплава, в частности с помощью обработки резанием, необходимо обеспечить определенную хрупкость материала, чтобы при такой обработке по возможности не возникала слишком длинная стружка, которую с трудом можно отводить от обрабатываемой детали и от обрабатывающего инструмента. Как известно, эта желательная для механической обработки латуней хрупкость достигается за счет добавления определенной доли свинца. Однако свинец в соответствующих дозах представляет, к сожалению, опасность для здоровья человека.

Поэтому, желательно, создание механически обрабатываемых медно-цинковых сплавов, которые имеют как можно меньшее или вообще отсутствующее содержание свинца. Различные правила Европейского союза хотя и допускают еще применение свинца в латунных сплавах, однако можно ожидать, что допустимое для используемых в автомобилях латуней содержание свинца вплоть до 4% будет скорректировано в сторону меньших значений.

Из ЕР 1045041 В1 известен бессвинцовый медно-цинковый сплав для применения в сантехнической промышленности. Указанный сплав содержит 69-79 мас.% меди, 2-4 мас.% кремния, 0,1-1,5 мас.% алюминия, а также 0,02-0,25 мас.% фосфора. Из-за взаимодействия компонентов кремния, алюминия и фосфора в сплаве должна возникать гамма-фаза, за счет чего без применения свинца обеспечивается хорошая механическая обрабатываемость.

Бедные свинцом медно-цинковые сплавы с высокой износостойкостью для применения в блокирующем кольце синхронизатора известны из DE 2919478 C2, DE 3735783 C1 и ЕР 0657555 В1.

В DE 2919478 C2 указан медно-цинковый сплав с 70-73 мас.% меди, 6-8 мас.% марганца, 4-6 мас.% алюминия, 1-4 мас.% кремния, 1-3 мас.% железа, 0,5-1,5 мас.% свинца, 0-0,2 мас.% никеля, 0-0,2 мас.% олова, а остальное - цинк. Для достижения высокой износостойкости этот сплав имеет структуру из 60-85% α-твердого раствора с преимущественно тонкодисперсным распределением в β-фазе. Свинец находится в сплаве с относительно низкой по массе долей.

В DE 3735783 C1 предлагается медно-цинковый сплав для применения, в частности, для блокирующих колец синхронизатора, который состоит из 50-65 мас.% меди, 1-6 мас.% алюминия, 0,5-5 мас.% кремния, 5-8 мас.% никеля, а также по выбору 0-1 мас.% железа, 0-2 мас.% свинца, а остальное - цинк. Доля свинца менее 2 мас.% является необязательной. Высокая износостойкость достигается за счет того, что никель присутствует преимущественно в интерметаллическом соединении с кремнием и алюминием.

Кроме того, из ЕР 0657555 В1 известен медно-цинковый сплав с высокой износостойкостью, который включает 40-65 мас.% меди, 8-25 мас.% никеля, 2,5-5 мас.% кремния, 0-3 мас.% алюминия, 0-3 мас.% железа, 0-2 мас.% марганца, 0-2 мас.% свинца, остальное - цинк и неизбежные примеси. Высокая износостойкость достигается за счет очень большого содержания никеля и кремния, что приводит к присутствию в матрице силицида никеля с высоким объемным содержанием. Структура не имеет γ-фазы и состоит главным образом из β-фаз. Свинец в небольшом количестве рассматривается полезным с точки зрения хорошей обрабатываемости.

Кроме того, в DE 2830459 C3 раскрывается медно-цинковый сплав с высокой износостойкостью, который состоит из 45-75 мас.% меди, 2-7 мас.% алюминия, 0,1-2 мас.% железа, 1-5 мас.% никеля, 0,5-2 мас.% кремния, 0,1-2 мас.% кобальта, а остальное - цинк. Для высокой износостойкости этот сплав также содержит интерметаллическое соединение типа никель-кремний, с которым связаны также алюминий и кобальт. Свинец не содержится.

Наконец, в DE 3809994 C3 для блокирующего кольца синхронизатора указан медно-цинковый сплав из 20-40 мас.% цинка, 2-8 мас.% алюминия, из по меньшей мере двух других компонентов, которые образуют интерметаллические соединения, при этом по меньшей мере один из этих компонентов является титаном, а остальное - медь и случайные примеси. Высокая износостойкость достигается за счет интерметаллических соединений. Свинец не является необходимым.

Для бедных свинцом и бессвинцовых медно-цинковых сплавов, которые имеют высокую износостойкость, общим является то, что они имеют высокое содержание интерметаллических фаз. Эти интерметаллические фазы приводят к определенной хрупкости сплава, так что они легче поддаются машинной обработке резанием. Стружка легко ломается и ее можно удалять. Поэтому доля свинца может быть уменьшена или, соответственно, от свинца можно отказаться вообще. Если, как в ЕР 1045041 В1, не требуется высокая износостойкость, то можно уменьшить содержание свинца посредством того, что γ-фаза в сплаве стабилизируется за счет взаимодействия кремния, алюминия и фосфора. Фосфор содержится в этом сплаве для обеспечения устойчивости сплава к обесцинкованию в случае желаемого применения в сантехнической промышленности.

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы создать как можно более износостойкий медно-цинковый сплав, который особенно подходит для применения в блокирующем кольце синхронизатора и является по существу бессвинцовым.

Эта задача решена согласно изобретению с помощью медно-цинкового сплава, который содержит от 55 до 75 мас.% меди, от 0,1 до 8 мас.% алюминия, от 0,3 до 3,5 мас.% железа, от 0,5 до 8 мас.% марганца, от 0 до менее 5 мас.% никеля, от 0 до менее 0,1 мас.% свинца, от 0 до 3 мас.% олова, от 0,3 до 5 мас.% кремния, от 0 до менее 0,1 мас.% кобальта, от 0 до менее 0,05 мас.% титана, от 0 до менее 0,02 мас.% фосфора, неизбежные примеси, а остальное - цинк.

При этом изобретение исходит из сознательного уменьшения содержания свинца до менее 0,1 мас.% без достижения компромисса по желаемой механической обрабатываемости за счет интерметаллических фаз или стабилизации γ-фазы. Достаточная износостойкость обеспечивается с помощью необходимых легирующих компонентов алюминия, марганца, железа и кремния. Марганец, железо и кремний в заданных количественных диапазонах приводят в таком медно-цинковом сплаве к достаточному основному содержанию интерметаллических фаз. Алюминий, в частности, упрочняет твердый раствор. Марганец оказывает положительное воздействие на износостойкость. Улучшение удается достичь с помощью других необязательно вводимых легирующих компонентов никеля и олова. Кобальт и титан могут содержаться ниже указанных границ. Добавление свыше этого, однако, не требуется для желаемой механической обрабатываемости и для получения желаемой износостойкости. Фосфор в качестве легирующего компонента для улучшения устойчивости к обесцинкованию не требуется.

Неожиданно возможным является уменьшение содержания свинца до менее 0,1 мас.% без увеличения доли интерметаллических фаз, в противоположность распространенному до настоящего времени среди специалистов мнению, поскольку после обширных исследований было установлено, что также без добавления свинца возможна обработка заявленного медно-цинкового сплава резанием, в частности, для изготовления блокирующего кольца синхронизатора.

Износостойкость и прочность на истирание медно-цинкового сплава удается улучшить в том случае, когда в медно-цинковом сплаве предпочтительно содержатся алюминий с содержанием от 0,5 до 2,5 мас.%, железо с содержанием от 0,3 до 1 мас.%, марганец с содержанием от 0,5 до 5 мас.%, никель с содержанием от 0,5 до менее 5 мас.%, олово с содержанием от 0 до 1,5 мас.% и кремний с содержанием от 0,3 до 2 мас.%.

В предпочтительном альтернативном варианте реализации изобретения медно-цинковый сплав содержит более высокую долю алюминия и отличается тем, что в нем содержатся алюминий с содержанием от 3 до 8 мас.%, железо с содержанием от 1 до 3 мас.%, марганец с содержанием от 5 до 8 мас.%, никель с содержанием от 0 до менее 0,5 мас.%, олово с содержанием от 0 до менее 0,5 мас.% и кремний с содержанием от 1 до 4 мас.%. Такой материал имеет необходимые для блокирующего кольца синхронизатора механические свойства.

Медно-цинковый сплав пригоден для изготовления блокирующего кольца синхронизатора, в частности, с применением обработки резанием.

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основе чертежа и последующих примеров, при этом на чертеже изображено блокирующее кольцо синхронизатора в изометрической проекции.

На чертеже показано типичное блокирующее кольцо 1 синхронизатора, которое может быть изготовлено, в частности, из медно-цинкового сплава посредством обработки резанием. Блокирующее кольцо 1 синхронизатора имеет внутреннюю поверхность 3, которая предусмотрена для образования пары трения с коническим участником. На наружном периметре блокирующего кольца 1 синхронизатора расположены зубья 2, которые входят в зацепление с соответствующими канавками на подходящей гильзе с канавками. Для улучшения отвода масла внутренняя поверхность 3 имеет выполненные в осевом направлении масляные канавки 4, которые в случае образования пары трения быстро отводят имеющееся масло.

Примеры

В целом были исследованы четыре сплава, при этом каждые два сплава отличались лишь своей долей свинца. Сплав 1А содержал 57,9 мас.% меди, 1,65 мас.% алюминия, 0,4 мас.% железа, 1,95 мас.% марганца, 0,55 мас.% свинца, 0,6 мас.% кремния, а остальное - цинк. От этого сплава 1А сплав 1В отличается тем, что в нем нет свинца и, соответственно, неизбежная примесь содержится с долей 0,02 мас.%. Сплав 2А содержит 69,7 мас.% меди, 5,2 мас.% алюминия, 1,1 мас.% железа, 7,8 мас.% марганца, 0,8 мас.% свинца, 1,8 мас.% кремния, а остальное - цинк и неизбежные примеси. Сплав 2В отличается от сплава 2А тем, что свинец содержится в нем с неизбежной долей 0,05 мас.%. Сплавы А являются свинецсодержащими сравнительными сплавами, которые по своей износостойкости и обрабатываемости пригодны для блокирующих колец синхронизатора. Сплавы В являются вариантами реализации изобретения.

Пример 1

На весах Райхерта для измерения износа при скорости скольжения 1,65 м/сек и нагрузке 52 Н/мм² после прохождения в сумме пути 2500 м определяют для указанных сплавов износостойкость в км/г и коэффициент трения. Для этого латунный штифт из соответствующего испытуемого сплава с диаметром 2,7 мм прижимают с указанной нагрузкой к вращающемуся стальному кольцу. Износостойкость и коэффициент трения определяют исходя из потери массы латунного штифта после прохождения указанного пути. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1
Сплав, номер	Износостойкость, км/г	Коэффициент трения
1А	201	0,12
1В	235	0,12
2А	1215	0,11
2В	1458	0,11

Можно видеть, что износостойкость и коэффициент трения бессвинцовых сплавов В не ухудшились по сравнению со свинецсодержащими сплавами А, а наоборот, улучшились.

Пример 2

Указанные сплавы подвергают испытаниям на обработку резанием. Для этого на блокирующих кольцах синхронизатора согласно чертежу, которые выполнены из испытываемых сплавов, нарезают резьбу с глубиной резьбы 0,37 мм, шагом 0,65 мм и углом профиля 60°. Ход резьбы проходят в целом пять раз, т.е. выполняют пять ходов нарезания резьбы. В качестве материала режущего инструмента для нарезания резьбы применяется твердосплавный материал качества К20 согласно стандарту DIN 4990. После заданного числа нарезанных с помощью этого режущего инструмента ходов резьбы измеряют износ инструмента. Для этого определяют разницу площади поперечного сечения хода резьбы до и после выполнения испытания. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2
Сплав, номер	Число нарезанных ходов резьбы	Износ инструмента, мм2
1А	6846	0,0226
1В	14670	0,0085
2А	10273	0,0015
2В	10273	0,0005

Для сплава 1А после нарезания 6846 ходов резьбы испытания были прерваны, поскольку уже проявился явный износ инструмента. Можно сделать вывод, что износ инструмента при бессвинцовых сплавах В меньше, чем при свинецсодержащих сплавах А.

Пример 3

При выполнении испытаний согласно примеру 2 на обработку резанием наблюдали за отводимой стружкой. При этом было установлено, что стружка бессвинцовых сплавов В по сравнению со стружкой свинецсодержащих сплавов А хотя и является более длинной, но не сцепляется и не спутывается друг с другом. Против ожидания, можно без проблем отводить стружку при обработке резанием.

Бессвинцовые сплавы особенно пригодны для изготовления блокирующего кольца синхронизатора. В соответствии с этим можно отказаться от добавления свинца для улучшения механической обрабатываемости.

Перечень позиций:

1 Блокирующее кольцо синхронизатора

2 Зубья

3 Внутренняя поверхность

4 Масляные канавки

1. Медно-цинковый сплав, содержащий от 55 до 75 мас.% меди, от 1,65 до 8 мас.% алюминия, от 0,3 до 3,5 мас.% железа, от 0,5 до 8 мас.% марганца, от 0 до менее 5 мас.% никеля, от 0 до менее 0,1 мас.% свинца, от 0 до 3 мас.% олова, от 0,3 до 5 мас.% кремния, от 0 до менее 0,1 мас.% кобальта, от 0 до менее 0,05 мас.% титана, от 0 до менее 0,02 мас.% фосфора, неизбежные примеси, а остальное - цинк.

2. Медно-цинковый сплав по п.1, отличающийся тем, что в нем содержатся алюминий с содержанием от 1,65 до 2,5 мас.%, железо с содержанием от 0,3 до 1 мас.%, марганец с содержанием от 0,5 до 5 мас.%, никель с содержанием от 0,5 до менее 5 мас.%, олово с содержанием от 0 до 1,5 мас.% и кремний с содержанием от 0,3 до 2 мас.%.

3. Медно-цинковый сплав по п.1, отличающийся тем, что в нем содержатся алюминий с содержанием от 3 до 8 мас.%, железо с содержанием от 1 до 3 мас.%, марганец с содержанием от 5 до 8 мас.%, никель с содержанием от 0 до менее 0,5 мас.%, олово с содержанием от 0 до менее 0,5 мас.% и кремний с содержанием от 1 до 4 мас.%.

4. Применение медно-цинкового сплава по любому из пп.1-3 для изготовления блокирующего кольца (1) синхронизатора.

5. Применение по п.4, отличающееся тем, что блокирующее кольцо (1) синхронизатора изготовлено из медно-цинкового сплава с применением обработки резанием.

6. Блокирующее кольцо (1) синхронизатора, изготовленное из медно-цинкового сплава по любому из пп.1-3.