JP2001355029A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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を提供す
る。 【解決手段】 熱間型鍛造シンクロナイザーリングを、
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、並びに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相が針状形状で分散分布した
組織を有する銅合金で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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構造をもつ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もつことも知ら
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：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、急冷（水または油中に浸漬）、（ｂ）大気
中、２５０〜３５０℃の温度に１０分〜５時間保持後、
放冷または急冷（水または油中に浸漬）、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、 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、並
びに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相が針状形状で分散分布した組織を有する銅合
金で構成してなる、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に
特徴を有するものである。

【０００７】つぎに、この発明の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−Ｚ
ｎ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：２８％未満、Ａｌ：１．５％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３４％、Ａｌにあっては４％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：２８〜３４％、Ａｌ：１．５〜
４％と定めた。

【０００８】（ｂ）Ｍｎ、Ｓｉ、およびＣｒ これらの成分は、主として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、Ｍｎ、Ｓｉ、およびＣｒのう
ちのいずれかの含有量でもＭｎ：２％未満、Ｓｉ：０．
５％未満、およびＣｒ：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Ｍｎ、Ｓｉ、
およびＣｒのうちのいずれかの含有量でもＭｎにあって
は４．５％、Ｓｉにあっては２％、そしてＣｒにあって
は０．５％をそれぞれ越えると、リングの強度が急激に
低下するようになることから、その含有量をＭｎ：２〜
４．５％、Ｓｉ：０．５〜２％、Ｃｒ：０．０５〜０．
５％と定めた。

【０００９】（ｃ）ＮｉおよびＦｅ 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ＮｉおよびＦｅ
のうちのいずれかの含有量でもＮｉ：０．２％未満、Ｆ
ｅ：０．０２％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ＮｉおよびＦｅのうちのいずれかの含有量でも
Ｎｉにあっては０．６％、Ｆｅにあっては０．５％をそ
れぞれ越えると、リングの強度が急激に低下するように
なることから、その含有量をＮｉ：０．２〜０．６％、
Ｆｅ：０．０２〜０．５％と定めた。

【００１０】

【発明の実施の態様】ついで、この発明のリングを実施
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５００ｍ
ｍ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、２５０〜３５
０℃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：７６
ｍｍ、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：０．１
ｍｍの最終寸法に仕上げることにより本発明リング１〜
１４および比較リング１〜１４をそれぞれ製造した。

【００１１】なお、比較リング１〜１４は、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
から外れた銅合金で構成されたものである。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、合金成分としてＮｉまたはＦ
ｅを含有しない銅合金で構成された比較リング１１およ
び比較リング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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、並
   びに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相が針状形状で分散分布した組織を有する銅合金で
   構成したことを特徴とする、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。