FR3029534B1 - COPPER-BASED ALLOY AND MECHANICAL PART, ESPECIALLY GEAR FORK OBTAINED FROM THE ALLOY - Google Patents
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Abstract
La présente invention est relative à un alliage à base de cuivre désigné par la formule générale CuaZnbPb0. Sa composition chimique comprend entre 64,0 et 68,0% de cuivre et entre 23,0% et 32,0% de zinc, ledit alliage comportant en outre moins de 0,50% d'étain, entre 0,4 et 1,2% de fer, moins de 0,50% de nickel, entre 1.5% et 2,3% d'aluminium, entre 2,5% et 3,3% de manganèse et moins de 1,0% de silicium. Ledit alliage est également particulier du fait de sa proportion en plomb qui est inférieure ou égale à 0,10%. La présente invention concerne également une pièce mécanique comportant une teneur réduite en plomb et obtenue à partir de l'alliage CuaZnbPb0, notamment un élément de boîte de vitesses, en particulier une fourchette de boîte de vitesses (1).The present invention relates to a copper-based alloy designated by the general formula CuaZnbPb0. Its chemical composition comprises between 64.0 and 68.0% of copper and between 23.0% and 32.0% of zinc, said alloy also comprising less than 0.50% of tin, between 0.4 and 1 , 2% iron, less than 0.50% nickel, between 1.5% and 2.3% aluminum, between 2.5% and 3.3% manganese and less than 1.0% silicon. Said alloy is also particular because of its proportion of lead which is less than or equal to 0.10%. The present invention also relates to a mechanical part having a reduced lead content and obtained from the CuaZnbPb0 alloy, in particular a gearbox element, in particular a gearbox fork (1).
Description
La présente invention concerne le domaine des alliages cuivreux.
La présente invention trouvera son application principalement dans le domaine des pièces destinées à être utilisées dans l'industrie automobile.
Ces pièces consistent plus particulièrement en des éléments de boîtes de vitesses, qui sont régulièrement soumises à des contraintes mécaniques importantes.
Par exemple, les éléments de boîtes de vitesses qui peuvent être fabriqués à partir du présent alliage consistent en particulier, mais non limitativement, en des fourchettes de boîtes de vitesses.
Ainsi, l'invention concerne plus particulièrement un alliage à base de cuivre pour la fabrication de pièces de boîtes de vitesses, notamment des fourchettes, ledit alliage présentant une teneur très faible, voire nulle, en plomb.
Traditionnellement, il est connu de l'état de la technique, depuis les années 1970, un laiton, c'est-à-dire un alliage composé principalement de cuivre (Cu) et de zinc (Zn), identifié sous la dénomination commerciale CuZn27Mn3A12, ou plus simplement par CuZn27.
La composition de cet alliage a été spécifiquement développée en partenariat avec un constructeur automobile, pour ses bonnes caractéristiques mécaniques et surtout sa bonne résistance à l'usure. Cet alliage est utilisé pour la fabrication de fourchettes de boîtes de vitesses.
Cette composition, inchangée depuis son développement, est la suivante :
Une composition particulière de l'alliage CuZn27Mn3Al2 a été définie afin d'obtenir le»-earactéristiques mécaniques et la résistance à l'usure optimale grâce à la présence maîtrisée de composés intermétalliques Fe-Mn-Si. Cette composition est la suivante :
Les composés intermétalliques Fe-Mn-Si sont le résultat de la présence d'éléments d'addition au sein de cet alliage, comme le fer, (Fe), le manganèse (Mn) et le silicium (Si).
Plus spécifiquement, une partie des éléments d'addition va précipiter de sorte à former ces composés intermétalliques à base de Fe, lin et de Si qui vont favoriser notamment la résistance à l'usure de l'alliage, particulièrement importante pour une application dans les fourchettes de boîtes de vitesses.
Dans les années 90, l'alliage CuZn27Mn3A12 a été normalisé à l'occasion de la création de la norme européenne EN1982 qui regroupe entre autres les normes française, anglaise et allemande. Les tolérances sur chaque élément ont été élargies à cette occasion. L'appellation est CuZn32A12îto2Fel-C suivant la norme NF EN1982:2008-07 présente la composition suivante :
Il convient de noter que l'alliage CuZn27l4n3A12 en question comporte une teneur en plomb (Pb) inférieure à 1,5% en masse, par rapport à la masse totale dudit alliage, Toutefois, cette proportion est généralement supérieure à 0,80% en masse.
La présence de plomb dans 1'alliage CuZn27Mh3Al2 assure notamment une bonne usinabilité de ee derniex-
En effet, le plomb est présent dans la majorité des laitons essentiellement pour l'aptitude à l'usinage qu'il apporte à l'alliage. Il peut être présent en quantité importante, jusqu'à 4% en masse pour les nuances de décolletage.
Ce métal, pratiquement insoluble dans les laitons, se présente sous la forme de nodules ou de points noirs répartis uniformément dans la matrice de l'alliage. De tels points noirs sont notamment visibles et entourés sur la figure 1, mais uniquement sur la photographie représentant la structure micrographique d'éprouvettes obtenues à partir d'un alliage de l'état de la technique CuZn27Mn3A12 (noté CuZn27 sur ladite photographie).
Ces nodules de plomb, appelés également précipités de Guinier et Preston, permettent de limiter la diffusion des contraintes au sein du matériau. Ce phénomène a pour effet de créer un durcissement du laiton.
Le plomb présente également un bas point de fusion, 327°C.
Toutes ces particularités du plomb permettent une fragmentation des copeaux, des vitesses d'usinage élevées (en décolletage notamment), ne nécessitant pas de lubrifiant (usinage à sec) et tout en limitant l'usure des outils de coupe. Suivant la composition particulière du CuZn27, la teneur en plomb (Pb) a été définie à 0,90 % en masse afin d'assurer la bonne usinabilité du laiton.
Toutefois, suite à une évolution de la règlementation européenne en vigueur dans le domaine des VHU (Véhicules Hors d'Usage), et notamment suite à l'éventuelle suppression de l'exemption 3 de l'annexe II de la Directive 2000/53CE, la présence de plomb dans les alliages cuivreux serait bientôt proscrite.
En conséquence, pour répondre à cette évolution, il convient de proposer un alliage duquel le plomb a été éliminé. Toutefois, la principale difficulté d'une telle opération réside dans le fait que les pièces, obtenues à partir de cet alliage sans plomb, doivent présenter des caractéristiques mécaniques similaires à celles obtenues avec l'alliage traditionnel.
Il existe déjà des laitons sans plomb, notamment au silicium comme l'alliage CuZnl6Si4-C. Toutefois, un tel alliage ne présente pas les mêmes caractéristiques mécaniques que l'alliage traditionnel CuZn27Mn3A12. En outre, le comportement à l'usure de l'alliage CuZnl6Si4-C ne permet pas de répondre aux cahiers des charges des constructeurs automobiles, en particulier pour l'application des fourchettes de boîtes de vitesses.
Il est aussi connu de l'état de la technique de remplacer le plomb par du bismuth (Bi) et/ou par de l'antimoine (Sb) dans certains laitons.
Cependant, ces éléments présentent l'inconvénient de ne pas être compatibles avec la coulée sous pression, car ils fragilisent le métal à chaud. L'invention offre la possibilité de pallier les divers inconvénients de l'état de la technique en proposant un alliage ne comportant pas de plomb, ou dans une proportion substantiellement diminuée, par rapport à l'alliage CuZn27Mn3A12 traditionnellement utilisé, ledit alliage conservant par ailleurs des caractéristiques satisfaisantes.
Plus précisément, il a été mis en évidence, de manière surprenante, que la proportion de plomb, retrouvée dans un alliage traditionnel, pouvait être remplacée par d'autres éléments, en l'occurrence par du cuivre et/ou par du zinc, et ce sans altérer les caractéristiques mécaniques de l'alliage, certaines de ces caractéristiques étant, de manière plus surprenante encore, améliorées par les modifications effectuées. A cet effet, la présente invention concerne un alliage à base de cuivre désigné par la formule générale CuaZnbPbO, ledit alliage étant caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en pourcentage en masse par rapport à la masse totale dudit alliage, une proportion a de cuivre (Cu) comprise entre 64,0 et 68,0%, une proportion b de zinc (Zn) comprise entre 23,0% et 32,0%, ledit alliage comportant en outre une proportion d'étain (Sn) inférieure à 0,50%, une proportion de fer (Fe) comprise entre 0,4 et 1,2%, une proportion de nickel (Ni) inférieure à 0,50%, une proportion d'aluminium (Al) comprise entre 1,5% et 2,3%, une proportion de manganèse (Mn) comprise entre 2,5% et 3,3% et une proportion de silicium (Si) inférieure à 1,0%. L'alliage CuaZnbPbO selon l'invention est également caractérisé par le fait qu'il comporte une proportion de plomb inférieure ou égale à 0,10%.
De manière avantageuse, la proportion a de cuivre (Cu) est comprise entre 65,0 et 67,0%, une proportion b de zinc (Zn) comprise entre 25,5% et 29,5%, la proportion d'étain (Sn) est comprise entre 0,20 et 0,30%, la proportion de fer (Fe) est comprise entre 0,6 et 1,0%, la proportion de nickel (Ni) est comprise entre 0,20 et 0,30%, la proportion d'aluminium (Al) est comprise entre 1,6 et 2,0%, la proportion de manganèse (Mn) est comprise entre 2,6 et 3,0%, la proportion de silicium (Si) est comprise entre 0,40 et 0,60%, et en ce que ledit alliage comporte une proportion de plomb (Pb) inférieure ou égale à 0,08%.
Plus avantageusement encore, la proportion en plomb (Pb) de l'alliage est inférieure ou égale à 0,05%.
De manière spécifique, l'alliage à base de cuivre de l'invention comporte 65,75% de cuivre, 27,75% de zinc, 0,25% d'étain, 0,80% de fer, 0,25% de nickel, 1,80% d'aluminium, 2,80% de manganèse, 0,55% de silicium et 0,05% de plomb.
La présente invention concerne également une pièce mécanique fabriquée à partir de l'alliage à base de cuivre selon 1'invention.
Ladite pièce mécanique consiste préférentiellement en un élément de boîte de vitesse de véhicule soumis à des contraintes mécaniques.
Plus précisément encore, cette pièce mécanique peut consister préférentiellement en une fourchette de boîte de vitesses de véhicule comportant un fût destiné à être traversé par un arbre sur lequel sera montée la fourchette, ledit fût étant relié à deux branches au moyen d'une toile, lesdites branches formant ensemble un demi-cercle comprenant intérieurement deux patins aptes à coopérer avec un baladeur de la boîte de vitesse. L'invention est encore relative à un procédé de fabrication d'une telle pièce mécanique, ledit procédé comprenant une étape dans laquelle on coule l'alliage CuaZnbPbO sous pression dans des moules métalliques ou encore une étape dans laquelle on coule l'alliage CuaZnbPbO par gravité dans des moules métalliques.
Avantageusement, on coule l'alliage CuaZnbPbO à une température comprise entre 1000 et 1050°C.
Selon une autre particularité de l'invention, on obtient ladite pièce par usinage.
De manière intéressante, l'étape d'usinage est effectuée avec micropulvérisation de lubrifiant.
La présente invention comporte de nombreux avantages.
En particulier, l'alliage selon l'invention incorpore une quantité de plomb sensiblement réduite, voire nulle, par rapport aux alliages conventionnels existant dans l'état de la technique, qui eux comportent généralement 0,90% de plomb en masse, cette proportion pouvant aller jusqu'à 1,20%.
En effet, par comparaison, la proportion de plomb dans l'alliage selon l'invention est typiquement comprise entre 0 et 0,10% en masse par rapport à la masse totale de l'alliage.
En conséquence, un tel alliage est particulièrement intéressant, car il permet de résoudre les problématiques liées à l'évolution de la règlementation européenne relative aux VHU, celle-ci interdisant à terme la présence de plomb dans les VHU en question.
En outre, malgré l'absence de plomb dans l'alliage, celui-ci, de par sa composition particulière, conserve tout de même des caractéristiques mécaniques qui sont au moins comparables à celles des alliages traditionnels.
De manière surprenante, certaines caractéristiques mécaniques du présent alliage ont été mesurées comme étant supérieures à celles des alliages de l'état de la technique.
De ce fait, cet alliage est particulièrement intéressant pour la fabrication de pièces destinées à l'industrie automobile, et notamment de pièces qui sont soumises à des contraintes mécaniques spécifiques, par exemple des contraintes de résistance à l'usure, de déformation plastique de la matière (ou matage), etc, comme les fourchettes de boîtes de vitesses. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence aux figures annexées dans lesquelles :
La figure 1 est une photographie représentant la structure micrographique d'éprouvettes obtenues à partir d'un alliage de l'état de la technique CuZn27Mn3A12 (noté CuZn27 sur la photographie) et d'un alliage selon l'invention (noté CuZn27PbO sur la photographie)selon un grossissement X500 pour les deux images du haut Al et BI et un grossissement supérieure pour les deux images du basA2 et B2 ;
Les figures 2 à 11 illustrent de manière schématique une vue en perspective d'une fourchette de boîte de vitesses qui peut être fabriquée à partir de l'alliage selon la présente invention.
La présente invention concerne un alliage à base de cuivre. De manière générale, ledit alliage peut être désigné par la formule CuaZnbPbO. L'alliage selon l'invention comporte avantageusement au moins du cuivre (Cu) , du zinc (Zn) , de l'étain (Sn) , du fer (Fe), du nickel (Ni), de l'aluminium (Al), du manganèse (Mn), du silicium (Si).
En outre, ledit alliage est particulier en ce qu'il comporte une proportion extrêmement faible, voire quasi-nulle, en élément plomb (Pb).
Cela permet notamment de répondre aux critères mis en place par les autorités européennes, en matière de réduction des quantités de plomb, du fait de la dangerosité de cet élément en particulier pour la santé humaine.
Plus particulièrement, l'alliage CuaZnbPbO selon l'invention présente une composition chimique comprenant, en pourcentage en masse par rapport à la masse totale dudit alliage : une proportion a de cuivre (Cu) comprise entre 64,0 et 68,0% ; une proportion b de zinc (Zn) comprise entre 23,0% et 32,0%; une proportion d'étain (Sn) inférieure à 0,50%; une proportion de fer (Fe) comprise entre 0,4 et 1,2%; une proportion de nickel (Ni) inférieure à 0,50%; une proportion d'aluminium (Al) comprise entre 1,5% et 2,3% ; une proportion de manganèse (Mn) comprise entre 2,5% et 3,3% et, une proportion de silicium (Si) inférieure à 1,0%, une proportion de plomb inférieure ou égale à 0,10%.
De manière avantageuse : - la proportion a de cuivre (Cu) est comprise entre 65,0 et 67,0% ; - la proportion b de zinc (Zn) est comprise entre 25,5% et 29,5% ; - la proportion d'étain est comprise entre 0,20 et 0,30%, - la proportion de fer est comprise entre 0,6 et 1,0%, - la proportion de nickel est comprise entre 0,20 et 0,30%, - la proportion d'aluminium est comprise entre 1,6 et 2,0%, - la proportion de manganèse est comprise entre 2,6 et 3,0%, - la proportion de silicium est comprise entre 0,40 et 0,60%, - ledit alliage comporte une proportion de plomb (Pb) inférieure ou égale à 0,08%, celle-ci étant encore plus avantageusement inférieure ou égale à 0,05%. L'association des constituants listés ci-dessus, dans les proportions indiquées, permet de minimiser l'impact des modifications apportées à l'alliage traditionnel sur la structure microscopique de ce dernier, et, en conséquence, sur les caractéristiques mécaniques de ce dernier.
En effet, malgré les changements dans la composition par rapport à l'alliage traditionnel, l'alliage selon l'invention montre toujours la présence de composés intermétalliques entre au moins une partie de certains éléments d'addition, comme le fer, le manganèse, ou encore le silicium.
Ce sont donc les éléments d'addition susmentionnés qui sont en partie responsables de la formation desdits composés intermétalliques. Toutefois, tout changement, même minime, dans la composition globale de l'alliage, est susceptible de remettre en cause la formation de ces composés, et en conséquence les caractéristiques techniques de l'alliage.
Les composés intermétalliques en question sont visibles et entourés par un cercle, notamment sur la photographie en haut à gauche Al de la figure 1 représentant la structure microscopique de l'alliage de l'état de la technique (noté CuZn27).
Ces mêmes composés intermétalliques sont retrouvés sur l'autre photographie en haut à droite Bl, qui illustre la structure micrographique d'éprouvettes obtenues à partir de l'alliage selon l'invention (noté CuZn27PbO).
On note également, sur cette même photographie après un agrandissement réalisé par un logiciel de grossissement d'image numérique, visible en B2, l'absence de points noirs représentatifs de la présence de plomb pour l'alliage selon l'invention. L'alliage selon l'invention est donc exempt de nodule de plomb, contrairement à l'alliage de l'état de la technique (CuZn27) tel qu'illustré sur la photographie A2 en bas à gauche de la figure 1.
Les inventeurs ont constaté de manière surprenante, en réalisant des tests comparatifs selon le procédé de coulée sous pression, que certaines caractéristiques mécaniques étaient comparables entre l'alliage traditionnel contenant du plomb et l'alliage selon l'invention ayant une teneur sensiblement réduite, voire quasi nulle, de plomb.
De manière concrète, la caractérisation des matériaux métalliques est représentée par 4 grandeurs qui sont : la résistance à la traction Rm qui définit la limite à la rupture, exprimée en MPa ; la limite d'élasticité Rp 0,2%, exprimée en MPa, et qui caractérise le domaine conventionnel de réversibilité ; l'allongement à rupture A, exprimé en %, qui mesure la capacité d'un matériau à s'allonger sous charge avant rupture ; le module de Young, E, ou module d'élasticité longitudinal, exprimé généralement en GPa.
La caractérisation des matériaux métalliques peut également être représentée par la dureté desdits matériaux, qui est définie par la résistance qu'oppose une surface de l'échantillon à la pénétration d'un poinçon, par exemple une bille en acier trempé (dureté Brinell) ou une pyramide en diamant (dureté Vickers). S'il y résiste bien, le matériau est dit dur, sinon il est dit mou. La dureté se mesure sur différentes échelles selon le type de matériau considéré.
Les résultats des tests ont montré que la limite élastique à 0,2% et le module de Young de l'alliage selon l'invention et de l'alliage traditionnel, contenant du plomb, étaient tout à fait comparables, selon le procédé de coulée sous pression.
Pour d'autres caractéristiques, comme la résistance à la traction (Rm) ou l'allongement à la rupture (A%), les inventeurs ont pu mettre en évidence que celles-ci étaient sensiblement améliorées avec la composition d'alliage CuaZnbPb0 selon 1'invention.
Plus précisément, les essais comparatifs effectués sur les alliages ont permis de montré que la résistance à la traction (Rm) de l'alliage selon l'invention est augmentée d'environ 20% par rapport à l'alliage connu et utilisé dans l'état de la technique. L'amélioration est encore plus significative en ce qui concerne l'allongement à la rupture, qui est amélioré de plus de 200% dans l'alliage selon l'invention.
Avantageusement, l'alliage selon l'invention comporte entre 65,0 et 67,0% de cuivre, entre 25,5 et 29,5% de zinc, entre 0,20 et 0,30% d'étain, entre 0,6 et 1,0% de fer, entre 0,20 et 0,30% de nickel, entre 1,6 et 2,0% d'aluminium, entre 2,6 et 3,0% de manganèse, entre 0,40 et 0,60% de silicium et 0,05% maxi de plomb.
De manière toute préférentielle, l'alliage selon l'invention comporte 65,75% de cuivre, 27,75% de zinc, 0,25% d'étain, 0,80% de fer, 0,25% de nickel, 1,80% d'aluminium, 2,80% de manganèse, 0,55% de silicium et 0,05% de plomb. En effet, les résultats qui ont été obtenus ont permis de montrer qu'un alliage présentant de telles proportions des différents constituants était le mieux adapté en termes de caractéristiques mécaniques.
Les résultats des tests, menés pour évaluer et comparer les caractéristiques mécaniques du présent alliage sans plomb avec celles de l'alliage connu comportant du plomb, sont détaillés dans l'exemple ci-dessous.
De par ses caractéristiques mécaniques particulièrement intéressantes, l'alliage CuaZnbPb0 selon l'invention peut notamment être utilisé dans la fabrication de diverses pièces.
Ainsi, la présente invention concerne également une pièce mécanique en alliage à base de cuivre CuaZnbPb0 selon 1'invention.
Préférentiellement, ledit alliage composant ladite pièce mécanique présente une résistance à la traction (Rm) supérieure ou égale à 580 MPa et un allongement à la rupture (A%) supérieur ou égal à 10%.
En outre, ledit alliage présente également, de manière intéressante, une limite élastique (Rp 0,2%) supérieure ou égale à 380 MPa, un module de Young supérieur ou égal à 90 GPa et une dureté HRB supérieure à 80 HRB.
De manière préférentielle, la pièce mécanique en alliage à base de cuivre selon l'invention est un élément de boite de vitesses qui est susceptible d'être soumis à des contraintes mécaniques importantes. L'élément de boîte de vitesse en question peut consister avantageusement en une fourchette de boîte de vitesses.
Une telle fourchette 1 est représentée sur les figures 2 à 11 ci-jointes.
De manière générale, une fourchette de boîte de vitesses 1 sert à mettre en rapport deux pignons de taille différente.
Une fourchette de boîte de vitesses 1, visible sur la figure 2, comporte généralement un fût 2 destiné à être traversé par une tige, ou axe 11, qui porte ladite fourchette 1, l'axe 11 étant visible sur la figure 4.
Ladite fourchette 1 est destinée à coopérer avec une gorge d'un baladeur coaxial à l'arbre primaire ou à un arbre secondaire de la boîte de vitesses.
La coopération entre la fourchette 1 et le baladeur se fait au moyen de deux branches 3, 4 formant ensemble sensiblement un demi-cercle comme représenté sur la figure 2, lesdites deux branches ou bras 3, 4 étant reliées au fût 2 au moyen d'une toile ou plateau 5 et étant terminées chacune par un patin 31, 41.
Il est également envisageable que ladite fourchette 1 comporte, de manière optionnelle, un troisième patin 51. Ce patin 51, lorsqu'il est présent, supplée aux efforts de passage en soulageant les deux branches 3, 4.
Les patins 31, 41 viennent en coopération avec le baladeur, et plus particulièrement la gorge dudit baladeur, eux-mêmes associés à des pignons mobiles sur l'arbre.
Dans un autre exemple de réalisation, représenté sur la figure 3, les patins sont en forme de gorge, et sont alors dénommés patins gorgés 32, 42, et c'est alors le baladeur qui vient à l'intérieur desdits patins 32, 42.
Lesdites branches 3, 4 peuvent avantageusement être pourvues de nervures afin de renforcer la fourchette 1.
Dans un mode de réalisation particulier, représenté sur la figure 4 jointe, la fourchette de boîte de vitesses 1 comporte un évidement 10, ménagé dans le plateau 5, et ce dans l'optique d'améliorer le passage de l'huile et de gagner en masse.
La fourchette de boîte de vitesses 1 est mobile en translation sur la tige 11 et parallèlement à l'arbre.
En d'autres termes, ladite tige 11, assemblée dans le fût 2 de la fourchette 1, permet de garantir le guidage de ladite fourchette 1 en translation.
La fourchette 1 peut également, dans un exemple de réalisation particulier, être montée libre sur la tige 11. Dans ce cas de figure précis, des éléments de guidage 12, représentés sur la figure 5, sont assemblés à chaque extrémité du fût 2 de la fourchette 1.
Cela permet de diminuer le frottement entre la fourchette 1 et la tige 11, afin d'augmenter le rendement.
Plus particulièrement, ladite fourchette 1 est entraînée en translation par l'intermédiaire d'une crosse 6 se terminant par un crabot 8 susceptible de venir en prise avec un doigt de commande non représenté sur les figures. La crosse 6 transmet l'effort de passage du doigt de commande sur le baladeur, via les patins 31, 41, et éventuellement 51, ou via les patins gorgés 32, 42.
Ladite fourchette 1 peut, dans un exemple de réalisation particulier, être reliée à la crosse 6 représentée sur la figure 2, au moyen, préférentiellement, de rivets 7 et goupilles coopérant avec un support crosse 9.
La crosse 6 peut par exemple s'étendre selon une direction sensiblement parallèle au fût 2.
Dans un exemple de réalisation différent, représenté sur la figure 6, la crosse 6 fait partie intégrante de la fourchette 1.
Il existe de nombreux autres exemples de fourchettes de boîte de vitesses 1, représentés sur les figures 7 et suivantes : une fourchette 1 comprenant un fût 20 dans le plan des patins 31, 41, sur la figure 7 ; une fourchette 1 avec un double fût 21 et un système de billage intégré 13, sur la figure 8 ; une fourchette 1 avec un fût en U 22 permettant une rotation de ladite fourchette 1 sur l'axe sur la figure 9 ; une fourchette 1 avec un fût 23 en deux parties sur la figure 10 ; une fourchette 1 basculante par l'intermédiaire de deux tourillons 14 sur la figure 11.
Une fourchette de boite de vitesses 1, du fait du rôle important qu'elle joue dans une boite de vitesses, doit présenter un certain nombre de critères, notamment une bonne résistance mécanique, en particulier à l'usure. En outre, une telle fourchette 1 est également soumise à des contraintes de contact glissant avec le baladeur.
En conséquence, il est particulièrement intéressant que l'alliage de la fourchette de boite de vitesses confère à cette dernière des caractéristiques mécaniques optimales.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce mécanique, notamment un élément de boite de vitesse, ce dernier consistant en particulier en une fourchette de boite de vitesses 1 telle que décrite précédemment.
Le procédé en question comporte avantageusement une étape dans laquelle l'alliage selon l'invention est coulé sous pression dans des moules métalliques, de sorte à obtenir ladite pièce mécanique.
Le procédé en question comporte également une étape dans laquelle l'alliage selon l'invention est coulé par gravité dans des moules métalliques, de sorte à obtenir ladite pièce mécanique.
Au cours du procédé de fabrication des pièces mécaniques, et notamment des fourchettes 1, la santé desdites pièces a été vérifiée au moyen de coupes dans les pièces. Celles-ci ont permis de mettre en évidence que l'élimination du plomb n'altère pas la cohésion de la structure de l'alliage, donc n'altère pas la santé de la pièce coulée sous pression.
Dans un mode de réalisation avantageux, la coulée, sous pression comme par gravité, est effectuée à une température comprise entre 1000 et 1050°C, en fonction de la température de fusion de l'alliage CuaZnbPbO selon l'invention.
En comparaison, la coulée de l'alliage traditionnel CuZn27Mn3A12 de série doit être effectuée à une température comprise entre 950 et 1000°C.
En effet, les modifications de la composition massique qui ont été effectuées pour aboutir à l'alliage à teneur réduite en plomb selon l'invention ont entraîné un changement dans la température de fusion dudit alliage, par rapport à celle de l'alliage de série.
De manière toute préférentielle, la pièce mécanique, notamment la fourchette de boîte de vitesse 1 est obtenue par usinage, notamment alésage du fût 2, perçage du support crosse 9 pour obtenir les passages de rivets et goupilles, fraisage du diamètre inter patins 31, 41, fraisage de la surface du support de crosse 9, etc.
De manière avantageuse, l'usinage de la fourchette de boîte de vitesses 1, par exemple, visible sur les figures 2 à 11 peut nécessiter le recours à un système de lubrification de la coupe comme par exemple la micropulvérisation qui permet d'éviter une surchauffe des outils de coupe pouvant aboutir à une destruction prématurée de ces derniers.
Certains usinages, notamment l'alésage du fût 2 et le perçage du support crosse 9 ont nécessité une modification des zones coupantes de l'outil permettant l'usinage, afin d'améliorer la coupe, de diminuer la surchauffe de l'outil et d'avoir une bonne évacuation des copeaux.
Car, en effet, les copeaux issus de l'alésage du fût 2 de l'alliage selon l'invention à teneur réduite en plomb sont différents de l'alliage traditionnel de série ; en particulier, l'élément plomb contenu dans ce dernier n'est pas miscible au laiton, et se présente sous forme de nodules et fragmente les copeaux au moment du passage de l'outil coupant.
Les tests en laboratoire ont permis de montrer l'intérêt d'un mode de réalisation particulier de l'alliage selon l'invention, en détaillant certaines de ces caractéristiques mécaniques et en les comparant à celles de l'alliage traditionnel CuZn27Mn3A12 ou CuZn27.
Exemple 1 : Détermination des caractéristiques mécaniques de l'alliage CuaZnbPbO et résultats comparatifs
Les caractéristiques mécaniques d'un alliage coulé sous pression selon l'invention ont été mesurées et comparées à celles d'un alliage traditionnel coulé sous pression de l'état de la technique.
La teneur en plomb présente dans les alliages selon l'invention est considérablement réduite par rapport à celle de 1'alliage traditionnel.
Les caractéristiques mécaniques qui ont été testées sont la résistance à la traction (Rm), la limite élastique à 0,2% (Rp 0,2%), l'allongement (A%), le module de Young (E) et la dureté HRB.
Ces caractéristiques mécaniques ont été mesurées à température ambiante, et ont été obtenues à partir de plusieurs lots de 30 éprouvettes plates moulées sous pression.
La géométrie de l'éprouvette est représentative des épaisseurs couramment coulées sous pression et respecte le rapport entre la longueur initiale lo et la section initiale So : lo = 5.65>(so.
Plus précisément, les essais ont été menés sur des compositions A à C de l'alliage CuZn27PbO selon l'invention comprises dans les proportions récapitulées dans le tableau 1 ci-dessous :
Tableau 1 : Proportions minimales et maximales en % massique par rapport à la masse totale de l'alliage des différents composants de l'alliage selon l'invention
La composition A comprend : 65% de Cu 0,20 % de Sn 0,6 % de Fe 0,20 % de Ni - 1,6 % de Al 2,6 % de Mn 0,40% de Si
La composition B comprend: 67 % de Cu 0,05 % de Pb 0,30 % de Sn - 1,0 % de Fe 0,30 % de Ni 2,0 % de Al 3,0 % de Mn 0,6 % de Si
La composition C comprend : 65.75 % de Cu 27.75 % de Zn 0,25 % de Sn 0,80 % de Fe 0,25 % de Ni 1.80 % d'Al 2.80 % de Mn 0,55 % de Si 0,05 % de Pb
Les résultats obtenus sont récapitulés dans le tableau ci-dessous .
Tableau 2 : Caractéristiques mécaniques moyennes obtenues à partir de plusieurs compositions A à C pour l'alliage selon l'invention.
En comparaison, l'alliage CuZn27Mn3A12 contenant du plomb présente une résistance à la traction de 488 MPa, une limite élastique à 0,2% de 372 MPa, un allongement de 4,7%, un module de Young de 110 GPa et une dureté HRB de l'ordre de 81 (±7).
Par conséquent, il est notable que l'alliage selon l'invention CuZn27PbO donne des résultats, en termes de caractéristiques mécaniques, supérieurs ou au moins égaux en comparaison à l'alliage connu CuZn27Mn3A12.
Plus précisément, le module de Young E et la dureté HRB sont similaires entre le présent alliage et l'alliage traditionnel.
En outre, l'alliage selon l'invention à teneur réduite en plomb montre une résistance à la traction Rm améliorée de plus de 20% en comparaison à la résistance à la traction Rm de l'alliage de série. De même, l'alliage selon l'invention, à teneur réduite en plomb, montre une limite élastique Rp 0,2% améliorée de 5% en comparaison avec la limite élastique Rp 0,2% de l'alliage de série.
En ce qui concerne à présent l'allongement A%, celui-ci est amélioré de plus de 200% avec l'alliage selon l'invention, ce qui est particulièrement intéressant.
Outre les essais dont les résultats sont présentés ci-dessus, des tests comparatifs ont été menés en condition d'utilisation sur une fourchette iere/2eme de boîtes de vitesses en suivant un cahier des charges d'un constructeur.
Ces tests, effectués sur banc d'essai, consistent à simuler le passage de la fourchette 1^/2^ dans son environnement (huile, température), et suivant une vitesse de rotation, un effort d'engagement de rapport, et un nombre de cycles donnés par le cahier des charges du constructeur.
Les résultats de ces tests ont permis de mettre en évidence que la résistance à l'usure de l'alliage CuaZnbPb0 selon l'invention, comprenant une teneur en plomb réduite, voire nulle, était tout à fait similaire à la résistance à l'usure de l'alliage de l'état de la technique noté CuZn27Mn3A12 ou CuZn27. L'ensemble des résultats corroborent le fait que l'alliage CuaZnbPb0 selon l'invention est particulièrement intéressant, et notamment pour une application particulière dans la fabrication de fourchettes de boîtes de vitesses.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et décrits précédemment qui peuvent présenter des variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. En particulier, l'alliage CuaZnbPbO selon l'invention peut être utilisé pour toute application nécessitant un alliage sans plomb ayant des caractéristiques mécaniques satisfaisantes.
The present invention relates to the field of cuprous alloys.
The present invention will find its application mainly in the field of parts intended to be used in the automotive industry.
These parts consist more particularly of gearbox elements, which are regularly subjected to significant mechanical stresses.
For example, the gearbox elements that can be made from the present alloy consist in particular, but not exclusively, in gearbox ranges.
Thus, the invention relates more particularly to a copper-based alloy for the manufacture of gearbox parts, especially forks, said alloy having a very low or no lead content.
Traditionally, it is known from the state of the art, since the 1970s, a brass, that is to say an alloy composed mainly of copper (Cu) and zinc (Zn), identified under the trade name CuZn27Mn3A12 , or more simply by CuZn27.
The composition of this alloy has been specifically developed in partnership with a car manufacturer, for its good mechanical characteristics and especially its good resistance to wear. This alloy is used for the manufacture of gearbox forks.
This composition, unchanged since its development, is as follows:
A particular composition of CuZn27Mn3Al2 alloy has been defined in order to obtain the mechanical characteristics and the optimum wear resistance thanks to the controlled presence of Fe-Mn-Si intermetallic compounds. This composition is as follows:
The Fe-Mn-Si intermetallic compounds are the result of the presence of addition elements within this alloy, such as iron, (Fe), manganese (Mn) and silicon (Si).
More specifically, a portion of the additive elements will precipitate so as to form these intermetallic compounds based on Fe, Lin and Si which will promote in particular the wear resistance of the alloy, which is particularly important for application in the forks of gearboxes.
In the 90s, the alloy CuZn27Mn3A12 was standardized on the occasion of the creation of the European standard EN1982 which gathers inter alia the French, English and German standards. Tolerances on each element were expanded on this occasion. The name is CuZn32A12îto2Fel-C according to standard NF EN1982: 2008-07 has the following composition:
It should be noted that the alloy CuZn2714n3A12 in question has a lead content (Pb) of less than 1.5% by weight, relative to the total weight of said alloy. However, this proportion is generally greater than 0.80% by weight. mass.
The presence of lead in the CuZn27Mh3Al2 alloy notably ensures good machinability of the latter.
Indeed, lead is present in the majority of brasses mainly for the machinability it brings to the alloy. It can be present in large quantities, up to 4% by weight for bar-turned grades.
This metal, practically insoluble in brasses, is in the form of nodules or black dots evenly distributed in the matrix of the alloy. Such black dots are notably visible and surrounded in FIG. 1, but only in the photograph representing the micrographic structure of test pieces obtained from an alloy of the state of the art CuZn27Mn3A12 (denoted CuZn27 in said photograph).
These nodules of lead, also called Guinier and Preston precipitates, make it possible to limit the diffusion of the stresses within the material. This phenomenon has the effect of creating a hardening of the brass.
Lead also has a low melting point of 327 ° C.
All these peculiarities of lead allow fragmentation of the chips, high machining speeds (especially in the machining), not requiring lubricant (dry machining) and while limiting the wear of the cutting tools. Depending on the particular composition of CuZn27, the lead content (Pb) was set at 0.90% by weight in order to ensure the good machinability of the brass.
However, following an evolution of the European regulations in force in the field of ELVs (End of Life Vehicles), and in particular following the possible removal of exemption 3 from Annex II of Directive 2000 / 53CE, the presence of lead in copper alloys would soon be outlawed.
Consequently, to respond to this evolution, it is necessary to propose an alloy from which lead has been eliminated. However, the main difficulty of such an operation lies in the fact that the parts obtained from this lead-free alloy must have mechanical characteristics similar to those obtained with the traditional alloy.
There are already lead-free brasses, including silicon such as CuZn16Si4-C alloy. However, such an alloy does not have the same mechanical characteristics as the traditional alloy CuZn27Mn3A12. In addition, the wear behavior of CuZn16Si4-C alloy does not meet the specifications of car manufacturers, especially for the application of gearbox forks.
It is also known from the state of the art to replace lead with bismuth (Bi) and / or with antimony (Sb) in some brasses.
However, these elements have the disadvantage of not being compatible with the die casting because they weaken the metal hot. The invention offers the possibility of overcoming the various drawbacks of the state of the art by proposing an alloy not comprising lead, or in a substantially reduced proportion, with respect to the alloy CuZn27Mn3A12 traditionally used, said alloy retaining moreover satisfactory characteristics.
More specifically, it has been surprisingly found that the proportion of lead found in a traditional alloy could be replaced by other elements, in this case copper and / or zinc, and this without altering the mechanical characteristics of the alloy, some of these characteristics being, more surprising still, improved by the modifications made. For this purpose, the present invention relates to a copper-based alloy designated by the general formula CuaZnbPbO, said alloy being characterized in that its chemical composition comprises, as a percentage by weight relative to the total mass of said alloy, a proportion a of copper (Cu) between 64.0 and 68.0%, a proportion b of zinc (Zn) of between 23.0% and 32.0%, said alloy further comprising a proportion of tin (Sn) less than 0.50%, a proportion of iron (Fe) of between 0.4 and 1.2%, a proportion of nickel (Ni) of less than 0.50%, a proportion of aluminum (Al) of between 1.5 % and 2.3%, a proportion of manganese (Mn) of between 2.5% and 3.3% and a proportion of silicon (Si) of less than 1.0%. The alloy CuaZnbPbO according to the invention is also characterized in that it comprises a proportion of lead less than or equal to 0.10%.
Advantageously, the proportion a of copper (Cu) is between 65.0 and 67.0%, a proportion b of zinc (Zn) of between 25.5% and 29.5%, the proportion of tin ( Sn) is between 0.20 and 0.30%, the proportion of iron (Fe) is between 0.6 and 1.0%, the proportion of nickel (Ni) is between 0.20 and 0.30 %, the proportion of aluminum (Al) is between 1.6 and 2.0%, the proportion of manganese (Mn) is between 2.6 and 3.0%, the proportion of silicon (Si) is included between 0.40 and 0.60%, and in that said alloy has a proportion of lead (Pb) less than or equal to 0.08%.
More preferably, the proportion of lead (Pb) of the alloy is less than or equal to 0.05%.
Specifically, the copper-based alloy of the invention comprises 65.75% copper, 27.75% zinc, 0.25% tin, 0.80% iron, 0.25% copper, nickel, 1.80% aluminum, 2.80% manganese, 0.55% silicon and 0.05% lead.
The present invention also relates to a mechanical part made from the copper-based alloy according to the invention.
Said mechanical part preferably consists of a vehicle gearbox element subjected to mechanical stresses.
More precisely still, this mechanical part may consist preferentially of a vehicle gearbox fork comprising a shaft intended to be traversed by a shaft on which the fork will be mounted, said shaft being connected to two branches by means of a fabric, said branches together forming a semicircle internally comprising two pads adapted to cooperate with a player of the gearbox. The invention also relates to a method for manufacturing such a mechanical part, said method comprising a step in which the CuaZnbPbO alloy is cast under pressure in metal molds or else a step in which the CuaZnbPbO alloy is cast by gravity in metal molds.
Advantageously, the CuaZnbPbO alloy is cast at a temperature of between 1000 and 1050 ° C.
According to another feature of the invention, said piece is obtained by machining.
Interestingly, the machining step is performed with lubricant micropulverisation.
The present invention has many advantages.
In particular, the alloy according to the invention incorporates a quantity of lead substantially reduced, or even zero, compared to conventional alloys existing in the state of the art, which generally comprise 0.90% lead by weight, this proportion up to 1.20%.
Indeed, by comparison, the proportion of lead in the alloy according to the invention is typically between 0 and 0.10% by weight relative to the total weight of the alloy.
Consequently, such an alloy is particularly interesting, because it makes it possible to solve the problems related to the evolution of the European regulation on the VHU, this one banning in the long term the presence of lead in the VUH in question.
In addition, despite the absence of lead in the alloy, it, by its particular composition, still retains mechanical characteristics that are at least comparable to those of traditional alloys.
Surprisingly, certain mechanical properties of the present alloy have been measured to be superior to those of the alloys of the state of the art.
As a result, this alloy is particularly advantageous for the manufacture of parts intended for the automotive industry, and in particular of parts which are subjected to specific mechanical stresses, for example wear resistance stresses, plastic deformation of the material (or matting), etc., such as gearbox forks. Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the following detailed description of non-limiting embodiments of the invention, with reference to the appended figures in which:
FIG. 1 is a photograph showing the micrographic structure of test pieces obtained from an alloy of the state of the art CuZn27Mn3A12 (denoted CuZn27 in the photograph) and an alloy according to the invention (noted CuZn27PbO in the photograph ) at X500 magnification for the two upper Al and BI images and higher magnification for the two images of basA2 and B2;
Figures 2 to 11 schematically illustrate a perspective view of a transmission fork that can be made from the alloy of the present invention.
The present invention relates to a copper-based alloy. In general, said alloy may be designated by the formula CuaZnbPbO. The alloy according to the invention advantageously comprises at least copper (Cu), zinc (Zn), tin (Sn), iron (Fe), nickel (Ni), aluminum (Al) , manganese (Mn), silicon (Si).
In addition, said alloy is particular in that it comprises an extremely low proportion, or even almost zero, lead element (Pb).
This makes it possible, in particular, to meet the criteria set up by the European authorities in terms of reducing the quantities of lead, because of the dangerous nature of this element, in particular for human health.
More particularly, the CuaZnbPbO alloy according to the invention has a chemical composition comprising, as a percentage by weight relative to the total mass of said alloy: a proportion a of copper (Cu) of between 64.0 and 68.0%; a proportion b of zinc (Zn) of between 23.0% and 32.0%; a proportion of tin (Sn) less than 0.50%; a proportion of iron (Fe) of between 0.4 and 1.2%; a nickel (Ni) content of less than 0.50%; a proportion of aluminum (Al) of between 1.5% and 2.3%; a proportion of manganese (Mn) of between 2.5% and 3.3% and a proportion of silicon (Si) of less than 1.0%, a proportion of lead of less than or equal to 0.10%.
Advantageously: the proportion a of copper (Cu) is between 65.0 and 67.0%; the proportion b of zinc (Zn) is between 25.5% and 29.5%; - the proportion of tin is between 0.20 and 0.30%, - the proportion of iron is between 0.6 and 1.0%, - the proportion of nickel is between 0.20 and 0.30 %, - the proportion of aluminum is between 1.6 and 2.0%, - the proportion of manganese is between 2.6 and 3.0%, - the proportion of silicon is between 0.40 and 0. , 60%, - said alloy comprises a proportion of lead (Pb) less than or equal to 0.08%, the latter being still more advantageously less than or equal to 0.05%. The combination of the constituents listed above, in the proportions indicated, makes it possible to minimize the impact of the modifications made to the traditional alloy on the microscopic structure of the latter, and, consequently, on the mechanical characteristics of the latter.
Indeed, despite the changes in the composition compared with the traditional alloy, the alloy according to the invention always shows the presence of intermetallic compounds between at least a part of certain addition elements, such as iron, manganese, or else silicon.
It is therefore the aforementioned additive elements which are partly responsible for the formation of said intermetallic compounds. However, any change, even minimal, in the overall composition of the alloy, is likely to call into question the formation of these compounds, and consequently the technical characteristics of the alloy.
The intermetallic compounds in question are visible and surrounded by a circle, in particular in the upper left picture Al of FIG. 1 representing the microscopic structure of the alloy of the state of the art (denoted CuZn27).
These same intermetallic compounds are found in the other photograph at the top right Bl, which illustrates the micrographic structure of test pieces obtained from the alloy according to the invention (denoted CuZn27PbO).
We also note, in this same photograph after an enlargement performed by digital image magnification software, visible in B2, the absence of black dots representative of the presence of lead for the alloy according to the invention. The alloy according to the invention is therefore free of lead nodules, unlike the alloy of the state of the art (CuZn27) as illustrated in photograph A2 at the bottom left of FIG.
The inventors have surprisingly found, by carrying out comparative tests according to the die-casting process, that certain mechanical characteristics were comparable between the traditional alloy containing lead and the alloy according to the invention having a substantially reduced content, or even almost zero, lead.
Concretely, the characterization of metallic materials is represented by 4 magnitudes which are: the tensile strength Rm which defines the limit at break, expressed in MPa; the yield strength Rp 0.2%, expressed in MPa, which characterizes the conventional reversibility field; the elongation at break A, expressed in%, which measures the ability of a material to lie under load before breaking; the Young's modulus, E, or longitudinal modulus of elasticity, generally expressed in GPa.
The characterization of the metallic materials can also be represented by the hardness of said materials, which is defined by the resistance that a surface of the sample opposes to the penetration of a punch, for example a hardened steel ball (Brinell hardness) or a diamond pyramid (Vickers hardness). If it resists well, the material is said to be hard, otherwise it is soft. The hardness is measured on different scales depending on the type of material considered.
The results of the tests showed that the 0.2% elastic limit and the Young's modulus of the alloy according to the invention and the traditional alloy, containing lead, were quite comparable, according to the casting process. under pressure.
For other characteristics, such as tensile strength (Rm) or elongation at break (A%), the inventors have been able to demonstrate that these were substantially improved with the CuaZnbPb0 alloy composition according to 1 'invention.
More specifically, the comparative tests carried out on the alloys have made it possible to show that the tensile strength (Rm) of the alloy according to the invention is increased by about 20% relative to the known alloy and used in the alloy. state of the art. The improvement is even more significant as regards elongation at break, which is improved by more than 200% in the alloy according to the invention.
Advantageously, the alloy according to the invention comprises between 65.0 and 67.0% of copper, between 25.5 and 29.5% of zinc, between 0.20 and 0.30% of tin, between 0, 6 and 1.0% iron, between 0.20 and 0.30% nickel, between 1.6 and 2.0% aluminum, between 2.6 and 3.0% manganese, between 0.40 and and 0.60% of silicon and 0.05% of lead.
Most preferably, the alloy according to the invention comprises 65.75% of copper, 27.75% of zinc, 0.25% of tin, 0.80% of iron, 0.25% of nickel, , 80% aluminum, 2.80% manganese, 0.55% silicon and 0.05% lead. Indeed, the results that have been obtained have shown that an alloy having such proportions of the different constituents was best suited in terms of mechanical characteristics.
The results of the tests, conducted to evaluate and compare the mechanical characteristics of the present lead-free alloy with those of the known alloy containing lead, are detailed in the example below.
Due to its particularly interesting mechanical characteristics, the alloy CuaZnbPb0 according to the invention can in particular be used in the manufacture of various parts.
Thus, the present invention also relates to a mechanical part made of CuaZnbPb0 copper alloy according to the invention.
Preferably, said alloy constituting said mechanical part has a tensile strength (Rm) greater than or equal to 580 MPa and an elongation at break (A%) greater than or equal to 10%.
In addition, said alloy also has, interestingly, an elastic limit (Rp 0.2%) greater than or equal to 380 MPa, a Young's modulus greater than or equal to 90 GPa and a hardness HRB greater than 80 HRB.
Preferably, the mechanical part in copper-based alloy according to the invention is a gearbox element which is likely to be subjected to significant mechanical stresses. The gearbox element in question may advantageously consist of a gearbox fork.
Such a range 1 is shown in Figures 2 to 11 attached.
In general, a gearbox fork 1 serves to relate two gears of different size.
A transmission fork 1, visible in FIG. 2, generally comprises a shaft 2 intended to be traversed by a shaft, or shaft 11, which carries said fork 1, the axis 11 being visible in FIG. 4.
Said fork 1 is intended to cooperate with a groove of a walkman coaxial with the primary shaft or a secondary shaft of the gearbox.
The cooperation between the fork 1 and the player is made by means of two branches 3, 4 together forming substantially a semicircle as shown in Figure 2, said two branches or arms 3, 4 being connected to the shaft 2 by means of a web or plate 5 and each being terminated by a pad 31, 41.
It is also conceivable that said fork 1 optionally comprises a third shoe 51. This pad 51, when present, compensates for the passage forces by relieving the two branches 3, 4.
The pads 31, 41 come in cooperation with the player, and more particularly the throat of said player, themselves associated with the movable pinions on the shaft.
In another exemplary embodiment, shown in FIG. 3, the pads are in the shape of a groove, and are then called splayed pads 32, 42, and it is then the player that comes inside said pads 32, 42.
Said branches 3, 4 may advantageously be provided with ribs to reinforce the fork 1.
In a particular embodiment, shown in Figure 4 attached, the gearbox fork 1 has a recess 10 formed in the plate 5, in order to improve the passage of the oil and win in mass.
The gearbox fork 1 is movable in translation on the rod 11 and parallel to the shaft.
In other words, said rod 11, assembled in the barrel 2 of the fork 1, makes it possible to guarantee the guiding of said fork 1 in translation.
The fork 1 may also, in a particular embodiment, be freely mounted on the rod 11. In this specific case, guide elements 12, shown in FIG. 5, are assembled at each end of the barrel 2 of the fork 1.
This reduces the friction between the fork 1 and the rod 11, to increase the yield.
More particularly, said fork 1 is driven in translation by means of a butt 6 ending in a clutch 8 capable of coming into engagement with a control finger not shown in the figures. The butt 6 transmits the force of passage of the control finger on the player, via the pads 31, 41, and possibly 51, or via the skid pads 32, 42.
Said fork 1 may, in a particular embodiment, be connected to the butt 6 shown in FIG. 2, by means, preferably, of rivets 7 and pins cooperating with a butt support 9.
The butt 6 may for example extend in a direction substantially parallel to the barrel 2.
In a different embodiment, shown in FIG. 6, the stock 6 is an integral part of the fork 1.
There are many other examples of transmission forks 1, shown in Figures 7 and following: a fork 1 comprising a shaft 20 in the plane of the pads 31, 41, in Figure 7; a fork 1 with a double barrel 21 and an integrated blasting system 13, in Figure 8; a fork 1 with a U-shaped barrel 22 for rotating said fork 1 on the axis in FIG. 9; a fork 1 with a barrel 23 in two parts in Figure 10; a tilting fork 1 via two journals 14 in FIG.
A range of gearbox 1, because of the important role it plays in a gearbox, must have a number of criteria, including good mechanical strength, especially wear. In addition, such a fork 1 is also subject to sliding contact stresses with the player.
As a result, it is particularly interesting that the alloy of the gearbox fork gives the latter optimum mechanical characteristics.
The present invention also relates to a method of manufacturing a mechanical part, in particular a gearbox element, the latter consisting in particular of a gearbox fork 1 as described above.
The method in question advantageously comprises a step in which the alloy according to the invention is cast under pressure in metal molds, so as to obtain said mechanical part.
The method in question also comprises a step in which the alloy according to the invention is gravity-cast in metal molds, so as to obtain said mechanical part.
During the manufacturing process of the mechanical parts, and especially the forks 1, the health of said parts has been verified by means of cuts in the parts. These have made it possible to demonstrate that the elimination of lead does not alter the cohesion of the alloy structure, and therefore does not affect the health of the die casting.
In an advantageous embodiment, the casting, under pressure as by gravity, is carried out at a temperature between 1000 and 1050 ° C, depending on the melting temperature of the CuaZnbPbO alloy according to the invention.
In comparison, the casting of the traditional CuZn27Mn3A12 alloy in series must be carried out at a temperature between 950 and 1000 ° C.
Indeed, the changes in the mass composition that have been made to result in the lead-reduced alloy according to the invention have caused a change in the melting temperature of said alloy, compared to that of the alloy of series. .
Most preferably, the mechanical part, in particular the gearbox fork 1, is obtained by machining, in particular the boring of the drum 2, the drilling of the butt support 9 to obtain the rivet and pin passages, the milling of the inter-roller diameter 31, 41 milling the surface of the butt support 9, etc.
Advantageously, the machining of the gearbox fork 1, for example, visible in FIGS. 2 to 11 may require the use of a lubricating system for the cut, for example micropulverisation, which makes it possible to avoid overheating. cutting tools that can lead to premature destruction of the latter.
Some machining, including the bore of the barrel 2 and the drilling of the butt support 9 have required a modification of the cutting areas of the tool for machining, in order to improve the cut, to reduce the overheating of the tool and have a good chip evacuation.
Because, in fact, the chips from the bore of the barrel 2 of the alloy according to the invention reduced lead content are different from the traditional alloy of series; in particular, the lead element contained in the latter is not miscible with brass, and is in the form of nodules and fragments the chips at the time of passage of the cutting tool.
Laboratory tests have shown the interest of a particular embodiment of the alloy according to the invention, detailing some of these mechanical characteristics and comparing them with those of the traditional alloy CuZn27Mn3A12 or CuZn27.
Example 1 Determination of the Mechanical Characteristics of the CuaZnbPbO Alloy and Comparative Results
The mechanical characteristics of a die-cast alloy according to the invention were measured and compared with those of a traditional die-cast alloy of the state of the art.
The lead content present in the alloys according to the invention is considerably reduced compared to that of the conventional alloy.
The mechanical characteristics that have been tested are the tensile strength (Rm), the elastic limit at 0.2% (Rp 0.2%), the elongation (A%), the Young's modulus (E) and the hardness HRB.
These mechanical characteristics were measured at room temperature, and were obtained from several batches of flat test specimens.
The geometry of the specimen is representative of the thicknesses commonly cast under pressure and respects the ratio between the initial length lo and the initial section So: lo = 5.65> (so.
More specifically, the tests were conducted on compositions A to C of the CuZn27PbO alloy according to the invention included in the proportions summarized in Table 1 below:
Table 1: Minimum and maximum proportions in mass% relative to the total mass of the alloy of the various components of the alloy according to the invention
Composition A comprises: 65% Cu 0.20% Sn 0.6% Fe 0.20% Ni -1.6% Al 2.6% Mn 0.40% Si
Composition B comprises: 67% Cu 0.05% Pb 0.30% Sn-1.0% Fe 0.30% Ni 2.0% Al 3.0% Mn 0.6% of Si
Composition C comprises: 65.75% Cu 27.75% Zn 0.25% Sn 0.80% Fe 0.25% Ni 1.80% Al 2.80% Mn 0.55% Si 0.05% from Pb
The results obtained are summarized in the table below.
Table 2: Average mechanical characteristics obtained from several compositions A to C for the alloy according to the invention.
In comparison, the CuZn27Mn3A12 alloy containing lead has a tensile strength of 488 MPa, a 0.2% yield strength of 372 MPa, an elongation of 4.7%, a Young's modulus of 110 GPa and a hardness of HRB of the order of 81 (± 7).
Therefore, it is notable that the alloy according to the invention CuZn27PbO gives results, in terms of mechanical characteristics, greater or at least equal compared to the known alloy CuZn27Mn3A12.
More precisely, the Young's modulus E and the hardness HRB are similar between the present alloy and the traditional alloy.
In addition, the lead-reduced alloy according to the invention exhibits an improved tensile strength Rm of more than 20% compared to the tensile strength Rm of the series alloy. Similarly, the alloy according to the invention, with a reduced lead content, shows an elastic limit Rp 0.2% improved by 5% compared with the elastic limit Rp 0.2% of the series alloy.
With regard now to the elongation A%, it is improved by more than 200% with the alloy according to the invention, which is particularly interesting.
In addition to the tests whose results are presented above, comparative tests have been conducted in condition of use on a range / 2nd gearboxes following a specification of a manufacturer.
These tests, carried out on a test bench, consist in simulating the passage of the range 1 ^ / 2 ^ in its environment (oil, temperature), and according to a speed of rotation, a gear commitment effort, and a number cycles given by the manufacturer's specifications.
The results of these tests have made it possible to demonstrate that the wear resistance of the CuaZnbPb0 alloy according to the invention, comprising a reduced or even zero lead content, was quite similar to the wear resistance. of the alloy of the state of the art noted CuZn27Mn3A12 or CuZn27. All the results corroborate the fact that the alloy CuaZnbPb0 according to the invention is particularly interesting, and especially for a particular application in the manufacture of gearbox forks.
Of course, the invention is not limited to the examples illustrated and described above which may have variants and modifications without departing from the scope of the invention. In particular, the CuaZnbPbO alloy according to the invention can be used for any application requiring a lead-free alloy having satisfactory mechanical characteristics.
Claims (10)
Priority Applications (5)
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