Materialval av axiallager är aldrig slumpmässigt. Legeringen bestämmer vilken belastning ytan tål innan den böjs. Den bestämmer också den hastighet med vilken oljefilmen förblir i en lämplig tjocklek. Det avgör hur hårda smutspartiklar kan trycka på ytan snarare än att repa skaftet. ATrycklager av tennbronsär gjorda av koppar-tennsystem. Den har använts i fabriker sedan 1800-talet. Men de specifika blandningsvalen i systemet-hur mycket tenn, hur mycket bly, hur mycket fosfor, om zink tillsätts-kan ge ditt ansikte mycket olika intensitet och gnidningsbeteende. Detta dokument kommer att beskriva vad blandningen är gjord av, varför varje metall existerar och hur förändringar i blandningen förändrar hur lagren fungerar.
Det binära koppar-tennsystemet: legeringens grund
Tennbrons är i grunden en fast blandning av tenn löst i en kopparbas. kopparbasen var formad som en kub med en ansiktskärna. I stabilt tillstånd kan tenn endast lösas upp i koppar vid rumstemperatur med en löslighet på cirka 1 viktprocent. Men lagerlegeringar innehåller vanligtvis 8–12 viktprocent tenn. Denna extra tenn förblir i blandningen när gjutnings- och kylningshastigheterna används i produktionen, vilket förhindrar att metallen återgår till sitt stabila tillstånd. Så tennet förblir i form av en alfasfast lösning genom hela blandningen.
Massalski (1990) gjorde ett bättre jobb med att kartlägga koppar-tennfasen i senare CALPHAD-studier, och visade tre viktiga faser av den gjutna legeringen:
-fas: Detta är den kopparrika-fasta blandningen som utgör huvudkroppen. Mjuk och böjbar. Det ger också lagren möjlighet att ändra form och låta smuts komma in. Det är därför lagerlegeringar kan hantera kollisioner med axelyta.
δ-fas (Cu31Sn8): är ett tenn-rikt intermetalliskt material som bildas vid kanten av kornet när metallen långsamt svalnar. Vid 8–12 % tenn är en deltafas bunden att bildas. Detta stadium är hårt och skört. Dess position inuti alfasen styr legeringens förmåga att motstå upprepade påkänningar.
ε-fas (Cu3Sn) och η-fas (Cu6Sn5): Dessa är andra intermetalliska ämnen som förekommer vid kontaktpunkter och vid kanten av partiklar under vissa kylningsförhållanden. När de bara har en liten del ökar de ythårdheten utan att minska för mycket flexibilitet.
Det mekaniska resultatet av att lägga till mer tenn är en nästan linjär ökning av spänning och styvhet. Detta uppnås genom solid-lösningsförbättring. Men samtidigt, ju fler δ-fas det finns, desto mindre böjbara är de. Sträckgränsen för sand-gjuten tennbrons är vanligtvis 120–145 MPa och 60–80 HB vid 10 viktprocent tenn (ASM International, 1990).
Standardlegeringskvaliteter som används i axiallagerapplikationer
Copper Development Association och ASTM namnger flera tennbronsblandningar som används i lager. De vanligaste graderna av dragkraftsjobb är:
C90300 (88-0-4): 88 % Cu, 8 % Sn, 0 % Pb, 4 % Zn. Zink tillsätts främst för att ta bort syre och minska sandgjutningshålen. Brinell hårdhet är 65–75 HB och draghållfasthet 275 – 310 MPa. Detta är en grundläggande kombination av konventionellt tryckjobb utan behov av bly (ASTM B505).
C90500 (88-10-0-2): 88 % Cu, 10 % Sn, 0 % Pb och 2 % Zn. Högre tennmängd ökar styvheten till 75-85HB och låter lagren hålla längre under fram- och bakkontakt. Den är något mindre integrerad än C90300.
C90700 (89-11-0-0): Innehåller 89% Cu, 11% Sn, bly och zink. Denna blyfria blandning av höga tenn ger dig den tuffaste standardtennbrons som väger 80–90 HB. Den används i tryckjobb, där smutsinträde är mindre viktigt än nötningsbeständighet under höga kontakttryck.
C93200 (83-7-7-3): 83% Cu, 7% Sn, 7% Pb, 3% Zn. Detta är blytennbrons. Tekniskt sett är det en annan familj av legeringar, men lagerkataloger paras ihop med tennbrons. Huvuddelen (behandlas i nästa avsnitt) förändrar mycket av gnidningsbeteendet.
Huvudrollen: smörjmedelsreservoar i matrisen
Bly kan inte blandas med koppar. När metallen hårdnar förvandlas den till små droppar. Dessa droppar sprids genom alfasobjekt. Blyhängen gör två-avfallsrelaterade jobb. Först, vid första kontakt, smetas de på lagerytan. Detta gör att det tunna, släta lagret kan starta under låg bränsleförbrukning. Därefter bildar de små hål i ytan. Mellan normala oljesmörjcykler kan dessa hål lagra olja för senare.
I C93200 är droppar av Pb tillräckligt för att minska torrfriktionen med cirka 20-30 % vid 7 viktprocent bly, medan blyfria blandningar minskade med cirka 20–30 % vid samma belastning och hastighet (Stachowiak & Batchelor, 2014). Nackdelarna är lägre dragkraft (C93200 är vanligtvis C93200 220 – 240 MPa, C90300 är vanligtvis 275–310 MPa) och kortare livslängd för böjning fram och bak.
Bly har liten extra friktionsfördel för axiallager av tenn-brons som alltid arbetar över filmhastigheten i ett oljesmörjsystem. Oljefilmen verkar för att separera ytorna. Bly är viktigt när du slår på, av eller på, eller när bränsleförbrukningen är låg. Dessa inkluderar låg-tappar, krankrokar och hydraulcylinderstift. För snabba, oavbrutna dragkraftsjobb är bly-fria blandningar med fosfor-bronsegenskaper vanligtvis ett bättre alternativ.
Fosfor: Deoxidation och stärkande
Fosfor tillsätts till smält tennbrons, främst för att driva ut syre. Den tillsätts som en huvudlegering av kopparfosfor (vanligtvis 8–15 % P). När metallen smälter binder fosfor först till löst syre för att bilda difosfatpentaoxid. Den flyter på slagg och förs bort. Detta tar bort oxidbitarna från gjutgodset. Detta gör lagret starkare vid upprepade påkänningar eftersom det eliminerar eventuella sprickor.
När fosfor förblir upplöst efter syreavlägsnande --vanligtvis vid 0.10 --0.35 viktprocent - sprider det små Cu3P-partiklar runt kanten på kornet. Denna härdningseffekt ökar hårdheten med 5–15 HB, vilket gör elasticitetsmodulen något högre än den fosforfria blandningen. Legeringar som avsiktligt innehåller mer än den mängd ytterligare fosfor som krävs för deoxygenering kallas fosforbronser ( (C51000–C52400-serien under ASTM B103). De kallas inte tennbronser. Men inom praktisk teknik är skillnaden kvantitet, inte typ. Båda använder Cu. Många bär specifikationer för både phorus och phorus (Många bärande specifikationer, beroende på phorus). B103).
Zink: Porositetsminskning och kostnadseffektivitet
Tillsats av zink med 2 – 4 viktprocent minskar smälttemperaturen för tennbrons, vilket gör att den flytande metallen flyter bättre när den hälls. Detta minskar krymphål i sand och spinngjutgods. Detta är den huvudsakliga uppgiften för zink i lagerlegeringar. På denna låga nivå ökar det inte metallens hållfasthet.
När zinknivåerna överstiger 4 viktprocent är risken högre att det tvättas bort i vatten eller sura miljöer. Därför tenderar lagerjobb som utsätts för vatten-baserad skärvätska eller surt mineralvatten att välja zinkfria eller låga zinkblandningar. De accepterar en något högre borrisk, eller kompenseras för den genom spinngjutning snarare än statisk sandgjutning (Taillard et al.., 2007, citerad i Copper Development Association, CDA Publication 144).
Gjutprocess och dess effekt på kompositionshomogenitet
Fördelningen av tenn på gjutgodset är annorlunda om du inte kan kontrollera gjutningsprocessen. De främsta problemen med tennstrukturen hos tennbronsgjutgods är att det finns mindre tenn i den centrala delen och mer tenn i kanten av ådring. Ju tjockare delarna är, desto långsammare avkylningshastighet och ju högre tenninnehåll, desto sämre färgeffekt.
Spinngjutning är huvudmetoden för att tillverka cirkulära lagerskålar och tryckbricka. Spinnkraften under härdning pressar tyngre fas utåt. För tennbrons (densitet ca 8,8 g/cm3) samlas en liten mängd tenn på ytterkanten. På tryckpackningar är denna ytterkant lastytan. ISO 1083 (sfäroidalt grafitjärn) tillhandahåller en grundläggande metod för att mäta mikrostrukturer. Specifikt för tennbrons, ASTM B505 standardspecifikation för koppar-baserade stränggjutningar av legeringar anger reglerna för blandning och styrka för gjutna stänger och rör. Tryckbrickor skärs vanligtvis av dessa material.
Uppvärmning vid temperaturer på 400–450 grader i 2-4 timmar jämnar ut strukturen och reducerar kärnor. Detta gör att tenn kan spridas genom alfasen. Detta gör hårdheten hos hela delen mer enhetlig. Denna värmebehandling är normal för bearbetad fosforbronsremsa (C51000), men mindre vanlig för gjutning av lagerlegeringar. Om inte resultatet av ett intensitetstest tvingar dig att göra det, är kostnaden svår att bevisa.
Mekaniska och tribologiska egenskaper: siffror som spelar roll
Maximalt tillåtet kontakttryck (P): För C90300 smord med full-filmolja är den statiska tryckgränsen vanligtvis 48 – 55 MPa (7 000–8 000 psi) enligt ASTM B505-data. Det faktiska arbetstrycket sjunker till 10 – 20 MPa med fram{12}}och-tillbaka eller låg oljeexponering.
Fotovoltaisk gräns: Produkten av lagertrycket P (MPa) och glidhastigheten V (m/s) representerar den totala termiska och mekaniska belastningen på lagerytan. För blyfri tennbrons som används i oljesmörjningsoperationer är PV-gränser på 2,0–3,5 MPa·m/s normala. Blyad C93200 låg sträckgräns på 1,5–2,5 MPa·m/s under samma förhållanden. Detta är sant även om det har bättre låg-oljegnidning (Khonsari & Booser, 2008).
Inbäddning: Mjuka alfasföremål tillåter hårda smutspartiklar att sjunka under lagerytan. Detta hindrar dem från att stanna kvar på skaftet som en tredje-partsbyrå. Vanlig tennbrons har en tennbronshårdhet på 65–85 HB, vilket gör den mycket mjukare än de härdade stålaxlarna de gnider mot (vanligtvis 55–65HRC=595–832 HV). Denna mjukhet är nödvändig för inbäddningsarbete.
Utmattningsstyrka: Utmattningsgränsen för 107-veckors C90500 är cirka 90–110 MPa vid upprepad böjning (ASM Specialty Handbook, 1990). Som jämförelse har bly C93200 en temperatur på 70–90 MPa. Detta beror på att blydroppar koncentrerar stressen på ett ställe.
Jämförelse med konkurrerande lagerlegeringar
Aluminiumbrons (C95400: 85 % Cu, 11 % aluminium, 4 % järn) har högre hållfasthet-dragstyrka 550–620 MPa, hårdhet 160–180 HB-men du förlorar inbäddning och konformitet. För tryckjobb med smutsig olja eller enstaka smutspartiklar, absorberar den mjuka tennbronskroppen hårda partiklar säkrare än aluminiumbrons. Aluminiumbrons är benäget att slita på tre gånger{12}}kroppen när partiklar lägger sig på gnidningsytan (Stachowiak & Batchelor, 2014).
Bimetalllager (stål-stödd tenn vit metall eller aluminium tenn toppskikt) har en lägre fotovoltaisk gräns men är bättre formbarhet och inbäddade vid mycket låga hastigheter. Tunga tryckpackningar är gjorda av helt-tennbrons och fungerar bättre när lasten mestadels går rakt igenom. Körhastigheten är non-och full oljefilm upprätthålls av en oljetillförsel under tryck.
Sammanfattning
Kombinationen av axiallager av tenn-brons är inte en fast formel. Det är en familj av Cu-Sn-legeringar. Tennmängden (8–11 vikt-%) bestämmer balansen mellan styrka och flexibilitet. Mängden bly (0–7 vikt-%) styr lågt-oljegnidningsbeteende. fosformängd (0–0,35 vikt-%) tar bort oxidbitar och härdar partiklarna för att skapa ytterligare styvhet. Zinkmängden (0–4 vikt-%) hjälper den flytande metallen att flyta bättre under gjutning. Alpha Kopparkroppen i -fas har kompatibilitet och smuts som tränger in. δ--fasen och andra kornkantspartiklar ökar hårdheten och nötningsbeständigheten. Att välja rätt blandning innebär att skjuta legeringens PV-gräns och smuts i linje med faktiska oljeförhållanden, smutsnivå och kontakttryck. Man ska inte bara välja att blanda med mest tenn.
Referenser
- ASM International (1990).ASM Specialty Handbook: Koppar och kopparlegeringar. ASM International.
- Massalski, TB (red.) (1990).Binära legeringsfasdiagram(2:a upplagan). ASM International.
- ASTM B505/B505M-22.Standardspecifikation för stränggjutning av kopparlegeringar. ASTM International.
- ASTM B103/B103M-22.Standardspecifikation för plåt, plåt, remsa och valsad stång av fosforbrons. ASTM International.
- ISO 1083:2018.Sfäroidal grafitgjutjärn - Klassificering. Internationella standardiseringsorganisationen. (Refererad för mikrostrukturkvantifieringsmetodik.)
- Khonsari, MM & Booser, ER (2008).Tillämpad tribologi: lagerdesign och smörjning(2:a upplagan). John Wiley & Sons.
- Stachowiak, GW & Batchelor, AW (2014).Engineering Tribology(4:e upplagan). Butterworth-Heinemann.
- Copper Development Association (2011).CDA-publikation 144: Kopparlegeringar för lagerapplikationer. Kopparutvecklingsföreningen.
- Hamrock, BJ, Schmid, SR & Jacobson, BO (2004).Grunderna för vätskefilmssmörjning(2:a upplagan). Marcel Dekker.
- Szeri, AZ (2011).Smörjning av flytande film(2:a upplagan). Cambridge University Press.
- Wilcock, DF & Booser, ER (1957).Lagerdesign och tillämpning. McGraw-Hill.
- Brandes, EA & Brook, GB (red.) (1992).Smithells Metals Referensbok(7:e upplagan). Butterworth-Heinemann.