Медно-цинковый сплав, а также изготовленное из него блокирующее кольцо синхронизатора - RU2415188C2

Чертежи

Описание

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.

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.

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

Реферат

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.

Формула