JP7745562B2

JP7745562B2 - Ｐｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金

Info

Publication number: JP7745562B2
Application number: JP2022558022A
Authority: JP
Inventors: ビョルンレーツ，; ティルマンミュンヒ，; トーマスプレット，
Original assignee: オットーフックスカーゲー
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2025-09-29
Anticipated expiration: 2041-03-30
Also published as: EP3908682A1; DE202020101700U1; JP2023520678A; BR112022015524A2; ES2927042T3; EP3908682B1; WO2021198236A1; KR20220155437A; US20230091831A1; CN115103921A; US12195833B2

Description

本発明は、特に潤滑条件下で使用される合金製品を製造するためのＰｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金に関する。

ドイツ銅研究所（ＧｅｒｍａｎＣｏｐｐｅｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）の材料データシート（ステータス２００５）に記載されている特殊真鍮ＣｕＺｎ３７Ｍｎ３Ａｌ２ＰｂＳｉ（ＣＷ７１３Ｒ）は、長年にわたって広範に使用されており、高い耐摩耗性及び良好な熱間加工性を特徴とする合金である。この材料は、高い強度値及び平均機械加工性を有し、良好な耐食性を有する。このため、この合金は、機械工学における構造部品、自動車の構造におけるシンクロナイザーリング及びバルブガイドチューブ、並びに様々な滑り軸受要素及びホットプレス部品に使用される。これは、この合金から製造された合金製品が潤滑条件下で使用されることを意味する。可能な用途としては、常設的油浸（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｉｍｍｅｒｓｉｏｎｉｎｏｉｌ）、又はこの目的のために設けられたチャネルと溝のシステムを介した潤滑剤の供給が挙げられる。シンクロナイザーリングは、油環境において見られる。この合金は、滑り軸受要素にも適用され得るが、滑り軸受要素は油を用いてのみ潤滑され得る。またこの合金は、定着板（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒｐｌａｔｅ）などの油圧で使用される部品（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を製造するためにも利用される。この従来公知の合金は、以下の組成（データは重量％）を有する：Ｃｕ：５７．０～５９．０％、Ｍｎ：１．５～３．０％、Ａｌ：１．３～２．３％、Ｓｉ：０．３～１．３％、及び残部は不可避不純物を伴った亜鉛。許容可能な混和材（ａｄｍｉｘｔｕｒｅ）は容認される（データは重量％）：Ｎｉ：最大１．０％、Ｆｅ：最大１．０％、Ｓｎ：最大０．４％、Ｐｂ：０．２～０．８％。

上記の材料説明から分かるように、この従来公知の合金はＰｂを含む。この元素（ｅｌｅｍｅｎｔ）は、機械加工性を担い、トライボロジー層に組み込まれることにより、摺動用途（ｓｌｉｄｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）におけるランニングイン挙動（ｒｕｎｎｉｎｇ－ｉｎｂｅｈａｖｉｏｒ）並びに摩擦及び摩耗に影響を及ぼす。

特殊な真鍮合金ＣＷ７１３Ｒは、高い耐摩耗性及びキャビテーション耐性、潤滑剤との適合性、並びに特に合金製品の強度及び延性に関する十分な機械的特性など、多様な応用特性を特徴とする。これらの特性には、良好な機械加工性も含まれる。Ｐｂ元素は、所望の機械加工性を得るために真鍮合金に導入される。

健康上の理由及び環境面から、最近では、鉛を含まない真鍮合金を設計する努力がなされている。可能であれば、Ｐｂ元素の特性を生かさないですむような合金にしたい。

独国特許出願公開第１０２００５０１７５７４号明細書は、任意の鉛含有量を有するシンクロナイザーリング用の耐摩耗性真鍮合金を記載している。組成（データは重量％）は、銅５７．５～５９％、マンガン２～３．５％、アルミニウム１～３％、ケイ素０．９～１．５％、鉄０．１５～０．４％、鉛０～１％、ニッケル０～１％、スズ０～０．５％、及び残部は亜鉛である。

国際特許出願公開第２０１４／１５２６１９号は、以下の組成を有するターボチャージャ用の真鍮合金を開示しており、任意で鉛を含有している（データは重量％）：銅５７～６０％、マンガン１．５～３．０％、アルミニウム１．３～２．３％、ケイ素０．５～２．０％、ニッケル０～１％、鉄０～１％、スズ０～０．４％、鉛０～０．１％、及び残部は亜鉛。

摺動用途では、特開昭５６－１２７７４１号公報は、以下の組成（データは重量％）を有する真鍮合金を開示している：銅５４～６６％、マンガン１．０～５．０％、アルミニウム１．０～５．０％、ケイ素０．２～１．５％、ニッケル０．５～４．０％、鉄０．１～２．０％、スズ０．２～２．０、及び残部は亜鉛。

上述の先行技術に基づいて、本発明は、先行技術について上述したＣｕＺｎ３７Ｍｎ３Ａｌ２ＰｂＳｉ合金も適していた用途又は使用に基本的に適したＰｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金を提案するという目的に基づいている。この従来公知の特殊な真鍮合金と比較して、冷間及び熱間加工性並びに機械加工性に関して悪影響を受けることなく、機械的強度特性がさらに改善されることが望ましい。

この目的は、以下の組成（データは重量％）を有するＰｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金によって達成される：
Ｃｕ：５７～５９％、
Ｍｎ：１．７～２．７％、
Ａｌ：１．３～２．２％、
Ｓｉ：０．４～１．０％、
Ｎｉ：０．４～０．８５％、
Ｆｅ：０．３～０．７％、
Ｓｎ：０．１５～０．４％、
残部は、不可避不純物を伴ったＺｎ。

合金中の不可避不純物は、１元素当たり０．０５重量％で許容され、不可避不純物の合計は０．１５重量％を超えない。

この合金は、とりわけ、合金元素Ｎｉ、Ｆｅ及びＳｎの選択によって、並びに他の合金元素、とりわけＭｎ、Ａｌ及びＳｉに対する合金組成中のこれらの元素の（特許請求の範囲に記載される）含有量によって、特徴付けられる。このバランスのとれた合金組成により、合金製品は、冷間及び熱間加工性、機械加工性、強度及び耐摩耗性に関して特に良好な特性を有するようになり、後者は特に潤滑条件下で良好となる。他の特殊な真鍮合金ではＰｂの代わりにＢｉが利用されるが、本発明による合金はＢｉを使用しないので、この結果は驚くべきことである。従来公知の合金ＣｕＺｎ３７Ｍｎ３Ａｌ２ＰｂＳｉも良好な熱間加工性を有するが、特許請求の範囲に記載される合金（ｓｕｂｊｅｃｔ）は、熱間加工性が特に良好なだけでなく、冷間加工性も良好である。後者は、従来公知の合金にはなかった。興味深いことに、この合金は鍛造品の製造に適している。次いでこの鍛造品に応力除去アニーリング（３００℃と４５０℃との間の温度で行われる）を施せば、この手段は埋め込まれるα混晶（α－ｍｉｘｅｄｃｒｙｓｔａｌ）の含有量を１０～１５％に増加させることができる。所望の特性を得るためには、温度範囲が３５０～３８０℃のアニーリングで十分であることが多い。このα混晶含有量の増加が、冷間成形性を向上させた理由である。このようなアニーリング工程がなければ、合金微細構造のα混晶含有量は３～５％未満である。押出製品の場合にも応力除去アニーリングの同様の利点が見られ、この場合も、前述の熱処理によってα混晶含有量が１０～１５％である微細構造を得ることができる。

この合金で達成可能な強度値、及び比較合金と比べて驚くほど著しく良好なキャビテーション耐性は、この合金の開発に関わった者達には予測できなかった。本発明の合金から鍛造により製造された合金製品の０．２％降伏力は３３０と３５０ＭＰａとの間であり、これは、合金ＣｕＺｎ３７Ｍｎ３Ａｌ２ＰｂＳｉの鍛造によって典型的に得られたもの（２３０～３００ＭＰａの値）よりもはるかに大きい。本発明の合金から製造された合金製品の引張強度は、６００～６４０ＭＰａである。従来公知の合金ＣｕＺｎ３７Ｍｎ３Ａｌ２ＰｂＳｉの場合、引張強度値は通常５９０と６７０ＭＰａとの間である。特別な処理を用いてわずかに高い引張強度値を達成することもできる。

研究により、元素Ｎｉ、Ｆｅ及びＳｎが互いに相互作用するだけでなく、Ｍｎ、Ａｌ及びＳｉとも相互作用し、金属間相の形成に関連して、Ｍｎ含有量を１．９～２．６％、Ａｌ含有量を１．４～２．１％、Ｎｉ含有量を０．４５～０．７５％及びＦｅ含有量を０．３～０．６％に制御すると、特に良好な結果が得られることが判明した。合金組成が以下のように選択される場合、良好な冷間及び熱間加工性、機械加工性、強度及び耐摩耗性という特別な特性を有する所望の目的に特に適していることが分かった（データは重量％）：
Ｃｕ：５７．５～５８．５％、
Ｍｎ：２．０～２．５％、
Ａｌ：１．５～２．０％、
Ｓｉ：０．５０～０．７０％、
Ｎｉ：０．５０～０．７０％、
Ｆｅ：０．５～０．５５％、
Ｓｎ：０．２０～０．３５％。

この合金から製造される合金製品の特別な特性は、Ｓｉ含有量がＮｉ含有量以上であることが好ましいという事実に基づいている。さらに、合金のＳｎ含有量は、最大でもＮｉ含有量の５０％、又は最大でもＳｉ含有量の５０％ですむように調整されることが好ましい。Ｎｉ含有量は、好ましくはＳｉ含有量以上であり、偏差は０．０７５％まで許容される。Ｆｅ含有量は、他の元素との関連でも影響を及ぼす。好ましくは、Ｆｅ含有量は、Ｎｉ含有量よりも約０．０５重量％～０．１重量％少ない。

この合金から製造される合金製品の上記の特別な特性は、鍛造製品の場合及び押出製品の場合の両方で見られる。

押圧方向に沿った、プレス開始時からプレス状態にあるサンプル１の顕微鏡写真である。押圧方向を横切る、プレス開始時からプレス状態にあるサンプル１の顕微鏡写真である。プレス終了からの対応する顕微鏡写真である。プレス終了からの対応する顕微鏡写真である。上述した応力除去アニーリング後のサンプル２の顕微鏡写真である。上述した応力除去アニーリング後のサンプル２の顕微鏡写真である。サンプル２の顕微鏡写真に対応する、プレス状態にあるアニーリング処理後のサンプルＣＷ７１３Ｒの顕微鏡写真である。鍛造製品の周辺の微細構造を示す。鍛造製品のコアの微細構造を示す。油圧用途のための定着板を製造するためのアニーリング半製品の微細構造（周辺）を示す。油圧用途のための定着板を製造するためのアニーリング半製品の微細構造（コア）を示す。

本発明の合金から幾つかの合金を鋳造し、次いで押出成形し、その部品を続く鍛造工程に供した。並行して、材料ＣＷ７１３Ｒからなる比較サンプルも同様に製造した。以下は、本発明による２つのサンプル（サンプル１及び２）の合金組成、並びに比較サンプル（ＣＷ７１３Ｒ）の組成に関する例である。

鋳造（連続鋳造）後、ブロックを切り取り、次にブロックを用いて直径５０ｍｍ、長さ２０ｍのバーをプレスした。一連のテストサンプルの押出温度は６８５℃と７１０℃との間であった。記載されたサンプルの押出温度は約７００℃であった。得られた微細構造は、プレスバーの全長にわたり、長手方向及び横方向の両方において、押出バー全体にわたって非常に均質である。観察され得る唯一のことは、押出成形において通常観察されるように、プレス開始からプレス終了までに粒径がいくらか減少することである。微細構造は概ね、金属間化合物が埋め込まれたβ相（プレス方向に調整された混合ケイ化物）のみからなる。金属間化合物の含有量は約３～４％である。

図１ａ、１ｂは、プレス開始時からプレス状態にあるサンプル１の顕微鏡写真である（図１ａは押圧方向に沿ったもの、図１ｂは押圧方向を横切るもの）。図２ａ、２ｂは、プレス終了からの対応する顕微鏡写真である。次の工程では、プレスバーから切り取ったサンプルを、熱応力除去、すなわち３６０℃で３時間処理した。応力除去アニーリングの結果、微細構造中にα混晶相が形成され、α混晶含有量が約１４％であるβ混晶が支配的な微細構造が形成された。金属間相含有量は約３％である。

図３ａ、３ｂは、上述した応力除去アニーリング後のサンプル２の顕微鏡写真である。

上記の微細構造のパラメータ及びこれらのサンプルの強度値を以下の表に示す。

ＩＭＰは金属間相を示す。硬度ＨＢＷは、ＨＢＷ２．５／６２．５として測定した。

プレス状態にある比較サンプルＣＷ７１３Ｒの微細構造は、α混晶相含有量が約１０％であるβ相が支配的である。この合金に含まれるＰｂは、細粒化効果を有し、チップブレーカとして機能する。図４は、サンプル２の顕微鏡写真に対応する、プレス状態にあるアニーリング処理後のサンプルＣＷ７１３Ｒの顕微鏡写真である。α混晶相含有量は約４０～４５％である。

定着板を製造するための次の工程では、連結ピース（ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｐｉｅｃｅ）を予備鍛造製品としてプレスバーから分離し、熱間鍛造した。サンプルシリーズの鍛造品は、６３５℃と６７０℃との間の温度で鍛造した。サンプル２及び比較サンプルは、約６５０℃で鍛造した。油圧用途の定着板のためにこのように鍛造された半製品の微細構造を図５ａ、図５ｂに示す。図５ａは、鍛造製品の周辺の微細構造を示し、図５ｂは、鍛造製品のコアの微細構造を示す。これらの画像は、鍛造半製品の直径にわたって非常に均質な微細構造を示す。前記半製品は、概ねβ相のみからなり、約３％の金属間相が埋め込まれている。

次の工程では、このタイプのサンプルを３６０℃で３時間アニーリングした。このアニーリングプロセスの過程で、含有量約１２％のα相が形成された。金属間相含有量は約３．７％に増加した。油圧用途のための定着板を製造するためのアニーリング半製品の微細構造を図６ａ、６ｂに示す（図６ａは周辺、図６ｂはコア）。そこに含まれるα相は明らかに顕著である。

これらのサンプルの微細構造のパラメータ及び機械的強度値を以下の表に示す。

鍛造した比較サンプル（ＣＷ７１３Ｒ）を上記のようにアニーリングプロセスにかけると、α相含有量が最大約４０％まで大幅に増加する。

また、サンプル２の合金及び比較合金（ＣＷ７１３Ｒ）の合金から、押出によりパイプも作製した。チューブから切片を切り出し、次いで、２つの合金の機械加工性を比較するために旋盤加工によってチューブを機械加工した。この旋盤加工処理の過程で、リングを作製した。興味深いことに、サンプル２の合金から作製されたリングの機械加工性は、比較合金から作製されたリングの機械加工性と少なくとも同程度に良好である。比較サンプルの合金組成とは対照的に、本発明のサンプル（サンプル２）はＰｂを含有しないため、すなわち比較サンプル中の合金元素Ｐｂがこの合金の良好な機械加工性を担うため、これは注目に値する。

本発明による合金製品は、直接延伸することができる。しかし、可能な限り応力のない合金製品を得るために、延伸前に中間アニーリングを行うことが好ましい。さらに、サンプル１及び２の合金組成で、異なる設定の材料状態について追加調査を行った結果、直接延伸した試験片又は中間アニーリング工程の後に延伸した試験片でも、比較合金ＣＷ７１３Ｒから作製された半製品と比較して、引張強度Ｒ_ｍ、０．２％降伏力、破断点伸び及び硬度ＨＢが著しく向上したことが判明した。２種類のサンプルの最終的な応力除去アニーリング後の材料状態についても、結果は同じであった。これは、合金から製造された鍛造品、並びにプレス後に引抜加工（延伸加工）された押出半製品にも見られた。いずれの場合においても、その後のアニーリングは、加工物における応力を低減するのに役立ち得る。

さらに、鍛造及びアニーリングを施したサンプル２を用いてキャビテーション調査を行った。この目的のために、サンプル２から得られた試験片の表面をまず１０００メッシュの粒径で研磨し、次いで蒸留水中でＡＳＴＭＧ３２に従って実施されたキャビテーション試験に使用した。比較合金ＣＷ７１３Ｒの高評価のキャビテーション耐性をさらに大きく増加させることができることが分かった。水中でのキャビテーション傾向がこのように低減することは、本発明の組成から製造された合金製品が、例えばアキシャルピストンポンプのシリンダライナで生じるような潤滑剤環境での高い動的負荷（ｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄ）下でも安定性が向上することを示している。このようなシリンダライナは、押出成形した後に冷間引抜加工（延伸加工）された半製品から製造される。したがって、そのような用途のシリンダライナは、本発明の合金から製造するのに特に適している。

Claims

潤滑条件下で使用される合金製品を製造するための、Ｐｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金であって、
Ｃｕ：５７．５～５８．５重量％、
Ｍｎ：２．０～２．５重量％、
Ａｌ：１．５～２．０重量％、
Ｓｉ：０．５０～０．７０重量％、
Ｎｉ：０．５０～０．７０重量％、
Ｆｅ：０．３５～０．５５重量％、
Ｓｎ：０．２０～０．３５重量％、及び
不可避不純物を伴ったＺｎである残部
からなり、
Ｓｉ含有量がＮｉの含有量以上であることを特徴とし、
Ｓｎ含有量が最大でＮｉ含有量の５０％であり、かつ最大でＳｉ含有量の５０％であることを特徴とし、
合金製品の硬度が１６０～１９０ＨＢＷ２．５／６２．５であることを特徴とする、Ｐｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金。
Ｆｅ含有量がＮｉ含有量よりも０．０５％～０．１％低いことを特徴とする、請求項１に記載のＰｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金。
合金製品の０．２％降伏力が３００ＭＰａと４００ＭＰａとの間、及び引張強さが６００～７００ＭＰａであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＰｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金。
合金製品の破断点伸びが１０～３０％の間であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のＰｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金。
合金製品の破断点伸びが１０～１６％であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のＰｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金。
合金製品の導電率が９ＭＳ／ｍと１１ＭＳ／ｍとの間であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のＰｂを含まないＣｕ－Ｚｎ合金。