ЛИТАЯ ЗАГОТОВКА ИЗ ЛАТУНИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЕЦ СИНХРОНИЗАТОРОВ
CAST SECTION FROM BRASS FOR MANUFACTURING OF RINGS OF SYNCHRONISER

Предлагаемый объект относится к области металлургии, в частности к производству трубных заготовок из медных сплавов, предназначенных для изготовления колец синхронизаторов коробок передач автомобилей.
Из уровня техники известны составы латуни для изготовления колец синхронизаторов коробок передач автомобилей [1-7]. Как правило, применяют латуни сложного химического состава, в котором функции элементов оказываются различными. Легирование цинком и алюминием позволяет получить прочный медный сплав, а также добиться возможности регулирования его свойств за счет различного распределения фаз. Легирование свинцом улучшает триботехнические свойства изделия.
Введение некоторых элементов позволяет добиться выделения интерметаллидных составляющих, которые в качестве дисперсных твердых частиц резко улучшают характеристики материала. К таким составляющим относят никель, железо, алюминий, кремний, ниобий, марганец и некоторые другие элементы.
Фирма CHUETSU METAL WORKS получила патент № US 5288683 [1] на состав сплава на основе меди, содержащего 28-32% цинка, 3,5-5,5% алюминия, 0,5-2,0% железа, 1-3% никеля, 0,1-1,0% ниобия, 0,4-1,5% титана. В состав сплава входит две составляющие, образующие интерметаллидные соединения: Ti-Ni-Fe-Al и Nb-Fe-Al. Несмотря на наличие титана этот сплав не может являться прототипом, поскольку, в целом, его состав отличен от заявляемого, а упрочняющее действие здесь основано на интерметаллидах иного класса. Недостатком сплава является применение дорогостоящих элементов: никеля или ниобия, что удорожает сплав.
В соответствии с патентом фирмы MITSUBISHI METAL CORP [2] кольцо синхронизатора изготавливают из материала на основе меди, при этом рабочая поверхность кольца может содержать слой оксида алюминия толщиной 0,1-10 мкм. Изготовление самого изделия - синхронизатора не предусмотрено данной заявкой, поэтому этот патент не может быть признан в качестве прототипа.
Фирма MITSUBISHI METAL CORP в патенте № US 5788924 [3] описала заготовку сплав на основе меди, содержащий 20-40% цинка, 2-11% алюминия, и 1-5% металла из группы железа, никеля, кобальта, 0,1-4% титана, 0,01-0,5% магния. Следующий патент № JP 8120427 [4] этой фирмы предполагал наличие в сплаве матрицы на основе α- и β'- фаз в регламентированных пределах. По этому патенту слиток из латуни сложного состава, содержащей алюминий, никель, титан, магний, должен состоять из смеси α- и β-фаз, но содержание титана в фазах не оговаривалось. Сплав не содержит основных элементов, необходимых для получения упрочняющих интерметаллидов в заявляемом составе - марганца и кремния, поэтому также не может являться прототипом.
В патенте Японии JP 2001355030 [5] фирмы MITSUBISHI METAL CORP заявлен сплав для синхронизаторов автомобилей, содержащий 27-33% цинка, 3-4,5% алюминия, и 1,5-3% никеля, 1-2% титана, 0,2-0,7% марганца, 0,005-0,5% железа, 0,01-0,1% кремния. Сплав должен иметь одинаковые по величине зерна α- или β-фаз с равномерно распределенными интерметаллическими частицами. Этот состав предполагает наличие никеля, которого нет в заявляемом сплаве, кроме того, титан здесь содержится в слишком большом количестве, что допустимо, если никель свяжет титан в интерметаллид, но в противном случае свойства материала окажутся неудовлетворительными. Марганца, кремния и железа в сплаве содержится слишком мало для создания достаточного количества упрочняющей фазы.
Большой объем исследований, направленных на улучшение характеристик колец синхронизаторов, представлен фирмой MITSUBISHI METAL CORP в патенте № US 4874439 [6]. Выработаны составы, требования к заготовкам и технологии их производства. В том числе предложена литая заготовка из латуни(прототип), содержащей (мас.%): 17-40% цинка, 2-11% алюминия, 0,1-3,5 Ti или Zr или V, 0-3 Fe или Ni или Со, 0-0,5 Si; 0-4 Mn; 0-1,5 Pb.
5
3
5
3
Таким образом, в прототипе описана латунь для изготовления колец синхронизаторов, содержащая добавки марганца, алюминия, железа, кремния, свинца и титана. Известно, что высокоцинковые латуни кристаллизуются в виде α-фазы, (α+β') - смеси фаз, а при получении сплава кремний, марганец и железо образуют интерметаллиды: силициды состава (Fe,Mn)Si. Поэтому литая заготовка из латуни по прототипу содержит добавки марганца, алюминия, железа, кремния, свинца и титана при наличии α-фазы, (α+β') - смеси фаз и силицидов марганца и железа (Fe,Mn)Si. В тексте описания к патенту утверждается, что содержание титана менее 0,1% является незначимым, что, возможно, справедливо в отношении свойств готовых изделий, но не справедливо в отношении технологических свойств литой заготовки.
Недостатком объекта по прототипу является слишком большое содержание титана в сплаве и неконтролируемое содержание титана в фазовых составляющих, что приводит к пониженной технологической прочности сплава. В реальном производстве прочностные свойства определяют возможность осуществления полунепрерывного литья крупногабаритных слитков и их транспортирования без разрушения. Эта задача не была решена в патенте по прототипу, поскольку для получения заготовок использовалось наполнительное литье, имеющее свои особенности, в частности долгое нахождение кристаллизующегося металла в нагретом состоянии, относительно малая масса слитка, но большая масса изложницы и т.д.
Как показали исследования авторов, наибольшее упрочняющее действие при условии сохранения достаточной технологической пластичности титан оказывает при его содержании 0,01-0,07 мас.% и нахождении его не в α-фазе, а в (α+β') - смеси фаз, а также в силициде марганца и железа. Для достижения наибольшей технологической прочности содержание титана должно составлять (мас.%) 0,04-0,18 в (α+β') - смеси фаз и 0,06-0,26 в силициде марганца и железа. Здесь и далее под технологической прочностью будет пониматься временное сопротивление, измеренное не у готового изделия (у него временное сопротивление окажется заведомо выше вследствие применения операций термомеханической обработки), а после определенной технологической операции, в данном случае, после литья. Эта характеристика важна не для потребителя, а для технолога, поскольку она показывает, насколько прочен материал в данном месте технологического процесса. В объекте по прототипу эта характеристика не определялась.
Особенностями структуры сплавов синхронизаторов на основе латуни является наличие α и β фаз, а также присутствие интерметаллидных соединений, упрочняющих такую матрицу. Структурные составляющие матрицы представляют собой α - твердый раствор цинка в меди, имеющий ГЦК (гранецентрированную кубическую)-решетку, β - твердый раствор меди в цинке, имеющий ОЦК (объемно-центрированную кубическую)-решетку, силицидов железа, марганца или других компонентов, имеющих сложную гексагональную кристаллическую решетку. В сплаве фаза β присутствует в виде двухфазной (α+β)-структуры в горячем состоянии (выше температуры 460°С) и в виде двухфазной (α+β')-структуры в холодном состоянии (ниже температуры 460°С).
Таким образом, прочность сплава в холодном состоянии определяется, в основном, фазой β, которая является заведомо более прочной, чем α-фаза. Еще более прочными образованиями являются интерметаллиды в виде силицида марганца и железа. Именно поэтому в данном техническом решении предлагается дополнительно упрочнить эти фазовые составляющие титаном.
На чертеже приведена фотография шлифа литой заготовки из латуни заявляемого состава с указанием места расположения отдельных фаз.
в
в
Пример 1. Выплавляли латунь следующего химического состава (мас.%): медь 70,45; алюминий 5,44; железо 1,79; марганец 6,80; свинец 0,86; кремний 2,09; цинк - остальное, при содержании примесей не более 0,3. В этом опыте (№ 1 в таблице) титан в плавку не добавляли с целью определить его роль при последующем легировании. Методом полунепрерывного литья в водоохлаждаемый кристаллизатор получали литую заготовку диаметром 212 мм и разрезали на мерные длины. На вырезанных образцах определили временное сопротивление σ=380 МПа. Из заводской практики известно, что слитки из сплава σ менее 420 МПа склонны к трещинообразованию в транспортных операциях и при нагреве перед прессованием, поэтому этот вариант сплава не является оптимальным.
Зависимость временного сопротивления латуни в литом состоянии от содержания титана в различных фазовых составляющих
№ опыта
Содержание титана, %
Содержание титана в (α+β') - смеси фаз
Содержание титана в силициде
σ<sub>в</sub>, МПа
1
0
0
0
380
2
0,01
0,04
0,06
430
3
0,03
0,07
0,12
425
4
0,04
0,11
0,18
425
5
0,07
0,18
0,26
420
6
0,14
0,36
0,50
329
Пример 2. Выплавляли латунь того же химического состава, но в отличие от первого примера добавляли в нее титан из расчета его содержания в сплаве (мас.%) 0,01; 0,03; 0,04; 0,07; 0,14, а также 0,04; 0,07; 0,11; 0,18; 0,36 мас.% в (α+β') - смеси фаз и, соответственно 0,06; 0,12; 0,18; 0,26; 0,50 мас.% в силициде. Регулирование соотношения фаз осуществляли соответствующим набором шихтовых материалов и назначением скоростей охлаждения металла на различных этапах процесса литья. Содержание элементов в фазовых составляющих определяли с использованием микрорентгеноспектрального анализа.
Для варианта достижения содержания титана 0,04 мас.% в сплаве; 0,11 мас.% в (α+β') - смеси фаз и 0,18 мас.% в силициде марганца и железа на чертеже приведена фотография структуры литой заготовки, где обозначено размещение различных фазовых составляющих: 1 - α-фаза; 2 - (α+β') -смесь фаз и 3 - силицид марганца и железа. В этом и других опытах в указанных областях определяли химический состав фазовых составляющих материала.
Результаты, приведенные в таблице (опыты 2-6), показывают, что временное сопротивление увеличивается выше 420 МПа при содержании титана 0,01-0,07 мас.% в сплаве; 0,04-0,18 мас.% в (α+β') - смеси фаз и при 0,06-0,26 мас.% в силициде марганца и железа.
В части содержания титана в латуни, равном 0,14 мас.%, опыт №6 соответствует условиям прототипа, в котором в состав сплава входит 0,1-3,5 мас.% Ti. Обнаружено, что в этом случае временное сопротивление уменьшается ниже допустимого предела, поэтому такой вариант сплава не является рациональным. Кроме того, в опытах выявлено, что если в заявляемом интервале компонентов относительное удлинение δ находится на уровне 2%, то в опыте №6 получен материал, характеризующийся δ=1%, т.е. заявляемый материал имеет пластичность в два раза выше материала по прототипу.
Полученные литые заготовки из латуни заявленного состава подвергнуты прошивке и прессованию при температуре 740°С на горизонтальном прессе с получением трубных заготовок с толщиной стенки 6,9-9,25 мм. После регламентированного режима охлаждения они направлены потребителю, от которого получено положительное заключение.
Технический результат от применения заявляемого объекта заключается в повышении технологической прочности и пластичности литых заготовок.
Литература
1. Патент US 5288683. Wear-resistant copper alloys and synchronizer rings for automobiles, comprising the same. Appl: CHUETSU METAL WORKS (JP). Inv.: NAKASHIMA KUNIO. IPC C22C 9/04. Publ. 1994-02-22.
2. Патент US 4995924. Synchronizer ring in speed variator made of copper alloy. Appl: MITSUBISHI METAL CORP (JP). Inv.: AKUTSU HIDETOSHI. IPC C22C 9/04. Publ. 1991-02-06.
3. Патент US 5788924. Wear resistant copper alloy and synchronizer ring made thereof. Appl.: MITSUBISHI METAL CORP (JP). Inv.: МАЕ YOSHIHARU, KOBAYASHI MASAO. IPC C22C 9/04. Publ. 1998-08-04.
4. Патент JP 8120427. Production of synchronizer ring made of brass type copper alloy for automobile gearbox, excellent in seizure resistance. Appl.: MITSUBISHI METAL CORP (JP). TOYOTA MOTOR CORP (JP). Inv.: KOBAYASHI MASAO, МАЕ YOSHIHARU. IPC C22F 1/08. Publ. 1996-05-14.
5. Патент JP 2001355030. Copper alloy-made hot-die forged synchronizer rings having excellent fatigue strength in chamber part. Appl.: MITSUBISHI METAL CORP (JP). Inv.: KOBAYASHI MASAO. IPC C22C 9/04. Publ. 2001-12-25.
6. Патент US 4874439. Synchronizer ring in speed variator made of wear-resistent copper alloy having high strength and toughness. Appl.: MITSUBISHI METAL CORP (JP). Inv.: AKUTSU HIDETOSHI. IPC C22C 9/00. Publ. 1989-10-17.
7. Патент ЕР 1690952. Synchronizer ring made of copper alloy exhibiting excellent resistance to plastic flow under high exothermic circumstance. Appl.: MITSUBISHI MATERIALS CORP (JP). Inv.: KOBAYASHI MASAO. IPC C22C 9/04; F16D 23/02; F16D 23/06. Publ. 2006-08-16.