Materialvalg av aksiallager er aldri tilfeldig. Legeringen bestemmer belastningen overflaten tåler før bøying. Den bestemmer også hastigheten som oljefilmen forblir i en passende tykkelse. Det bestemmer hvor harde smusspartikler kan presse overflaten i stedet for å skrape opp skaftet. ENTinn bronse trykklagerer laget av kobber-tinnsystem. Den har blitt brukt i fabrikker siden 1800-tallet. Men de spesifikke blandingsvalgene inne i systemet-hvor mye tinn, hvor mye bly, hvor mye fosfor, hvis sink er tilsatt-kan gi ansiktet ditt svært forskjellig intensitet og gnideoppførsel. Denne artikkelen vil beskrive hva blandingen er laget av, hvorfor hvert metall eksisterer, og hvordan endringer i blandingen endrer måten lagrene fungerer på.
Det binære kobber-tinnsystemet: Grunnlaget for legeringen
Tinnbronse er i utgangspunktet en fast blanding av tinn oppløst i en kobberbase. kobberbase var formet som en kube med en ansiktskjerne. I stabil tilstand kan tinn bare oppløses i kobber ved romtemperatur med en løselighet på ca. 1 vekt%. Men lagerlegeringer inneholder vanligvis 8–12 vekt% tinn. Dette ekstra tinnet forblir i blandingen ettersom støpe- og kjølehastighetene brukes i produksjonen, og forhindrer at metallet går tilbake til sin stabile tilstand. Så tinn forblir i form av en alfafase-fast løsning gjennom hele blandingen.
Massalski (1990) gjorde en bedre jobb med å kartlegge kobber-tinnfasen i senere CALPHAD-studier, og viste tre viktige faser av den støpte legeringen:
-fase: Dette er den kobber-rike faste blandingen som utgjør hoveddelen. Myk og bøybar. Det gir også lagrene muligheten til å endre form og la skitt komme inn. Dette er grunnen til at lagerlegeringer kan håndtere akseloverflatekollisjoner.
δ-fase (Cu31Sn8): er en tinn-rik intermetall som dannes ved kanten av kornet når metallet sakte avkjøles. Ved 8–12 % tinn er det bundet til en deltafase. Dette stadiet er hardt og sprøtt. Dens posisjon inne i alfasen kontrollerer legeringens evne til å motstå gjentatte påkjenninger.
ε-fase (Cu3Sn) og η-fase (Cu6Sn5): Dette er andre intermetalliske forbindelser som oppstår ved kontaktpunkter og ved kanten av partikler under visse kjøleforhold. Når de bare har en liten brøkdel, øker de overflatehardheten uten å redusere for mye fleksibilitet.
Det mekaniske resultatet av å legge til mer tinn er en nesten lineær økning i spenning og stivhet. Dette oppnås ved solid-oppløsning. Men samtidig, jo mer δ-fase det er, jo mindre bøyelige er de. Flytegrensen til sand-støpt tinnbronse er vanligvis 120–145 MPa og 60–80 HB ved 10 vekt-% tinn (ASM International, 1990).
Standard legeringskvaliteter som brukes i trykklagerapplikasjoner
Copper Development Association og ASTM navngir flere tinnbronseblandinger som brukes i lagre. De vanligste karakterene for skyvejobber er:
C90300 (88-0-4): 88 % Cu, 8 % Sn, 0 % Pb, 4 % Zn. Sink tilsettes hovedsakelig for å fjerne oksygen og redusere sandstøpehull. Brinell hardhet er 65–75 HB og strekkfasthet 275 – 310 MPa. Dette er en grunnleggende kombinasjon av konvensjonell skyvejobb uten behov for bly (ASTM B505).
C90500 (88-10-0-2): 88 % Cu, 10 % Sn, 0 % Pb og 2 % Zn. Høyere tinnmengde øker stivheten til 75-85HB og lar lagrene vare lenger under front- og bakkontakt. Den er litt mindre integrert enn C90300.
C90700 (89-11-0-0): Inneholder 89 % Cu, 11 % Sn, bly og sink. Denne høye blyfri blandingen av tinn gir deg den tøffeste standard tinnbronse, som veier 80–90 HB. Den brukes i skyvejobber, hvor inntrengning av smuss er mindre viktig enn slitestyrke under høyt kontakttrykk.
C93200 (83-7-7-3): 83 % Cu, 7 % Sn, 7 % Pb, 3 % Zn. Dette er blytinnbronse. Teknisk sett er det en annen familie av legeringer, men lagerkataloger parer den med tinnbronse. Hoveddelen (diskutert i neste avsnitt) endrer mye av gnideatferden.
Hovedrollen: Smøremiddelreservoar i matrisen
Bly kan ikke blandes med kobber. Når metallet stivner, blir det til små dråper. Disse dråpene sprer seg gjennom alfaseobjekter. Blyanhengene utfører to søppelrelaterte-jobber. Først, ved første kontakt, blir de smurt på lagerflaten. Dette lar det tynne, glatte laget starte og under forhold med lavt drivstofforbruk. Deretter danner de små hull i overflaten. Mellom vanlige oljesmøringssykluser kan disse hullene lagre olje til senere.
I C93200 er dråper av Pb tilstrekkelig til å redusere tørrfriksjonen med ca. 20-30 % ved 7 vektprosent bly, mens blyfrie blandinger sank med ca. 20-30 % ved samme belastning og hastighet (Stachowiak & Batchelor, 2014). Ulempene er lavere trekk (C93200 er vanligvis C93200 220 – 240 MPa, C90300 er vanligvis 275–310 MPa) og kortere bøyningslevetid foran og bak.
Bly har liten ekstra friksjonsfordel for trykklager i tinn-bronse som alltid fungerer over filmhastigheten i et oljesmøringssystem. Oljefilmen virker for å skille overflatene. Bly er viktig når du slår på, av eller på, eller når drivstofforbruket er lavt. Disse inkluderer lav-tapper, krankroker og hydrauliske sylinderstifter. For rask, uavbrutt skyvejobb er bly-blandinger med fosfor-bronseegenskaper vanligvis et bedre alternativ.
Fosfor: Deoksidering og styrking
Fosfor tilsettes smeltet tinnbronse, hovedsakelig for å drive ut oksygen. Den tilsettes som en kobberfosfor-mesterlegering (vanligvis 8–15 % P). Når metallet smelter, binder fosfor seg først til oppløst oksygen for å danne difosfatpentoksid. Den flyter på slagg og blir ført bort. Dette fjerner oksidbitene fra støpegodset. Dette gjør lageret sterkere ved gjentatt påkjenning fordi det eliminerer mulige sprekker.
Når fosfor forblir oppløst etter oksygenfjerning - - vanligvis ved 0.10 --0.35 vektprosent - sprer det små Cu3P-partikler rundt kanten av kornet. Denne herdeeffekten øker hardheten med 5–15 HB, noe som gjør elastisitetsmodulen litt høyere enn den fosforfrie blandingen. Legeringer som med vilje inneholder mer enn mengden av ekstra fosfor som kreves for deoksygenering, kalles fosforbronser ( (C51000–C52400-serien under ASTM B103). De kalles ikke tinnbronser. Men i praktisk konstruksjon er forskjellen kvantitet, ikke type. Begge bruker Cu. Mange bærer spesifikasjoner for både phorus , avhengig av phorus (M). B103).
Sink: Porøsitetsreduksjon og kostnadseffektivitet
Tilsetning av sink med 2 – 4 vekt% reduserer smeltetemperaturen til tinnbronse, slik at det flytende metallet flyter bedre når det helles. Dette reduserer krympehull i sand og spinnstøpte. Dette er hovedoppgaven til sink i lagerlegeringer. På dette lave nivået øker det ikke metallets styrke.
Når sinknivået overstiger 4 vekt%, er risikoen for å vaske det bort i vann eller sure miljøer høyere. Derfor har lagerjobber utsatt for vann-basert skjærevæske eller surt mineralvann en tendens til å velge sinkfrie eller lavsinkblandinger. De aksepterer en litt høyere borerisiko, eller kompensert for den ved spinnstøping i stedet for statisk sandstøping (Taillard et al.., 2007, sitert i Copper Development Association, CDA Publication 144).
Støpeprosess og dens effekt på sammensetningshomogenitet
Fordelingen av tinn på støpingen er annerledes med mindre du kan kontrollere støpeprosessen. De viktigste tinnstrukturproblemene til tinnbronsestøping er at det er mindre tinn i den sentrale delen og mer tinn i kanten av korn. Jo tykkere delene er, jo langsommere avkjølingshastigheten, og jo høyere tinninnholdet er, desto dårligere blir fargeeffekten.
Spinnstøping er hovedmetoden for å produsere sirkulære lagerskall og trykkskive. Spinnkraften under herding presser tyngre fase utover. For tinnbronse (tetthet ca. 8,8 g/cm3) samler det seg en liten mengde tinn på ytterkanten. På trykkpakninger er denne ytterkanten lasteflaten. ISO 1083 (sfæroidal grafittjern) gir en grunnleggende metode for måling av mikrostrukturer. For tinnbronse spesifikt, setter ASTM B505 standardspesifikasjon for kobber-baserte legeringsstøpinger reglene for blanding og styrke for støpte stenger og rør. Trykkskiver kuttes vanligvis av disse materialene.
Oppvarming ved temperaturer på 400–450 grader i 2-4 timer jevner ut strukturen og reduserer kjerner. Dette gjør at tinn kan spre seg gjennom alfasen. Dette gjør hardheten til hele delen mer jevn. Denne varmebehandlingen er normal for bearbeidet fosforbronsestrimmel (C51000), men mindre vanlig for støping av lagerlegeringer. Med mindre resultatene av en intensitetstest tvinger deg til å gjøre det, er kostnaden vanskelig å bevise.
Mekaniske og tribologiske egenskaper: tall som betyr noe
Maksimalt tillatt kontakttrykk (P): For C90300 smurt med full-filmolje er grensen for statisk trykk vanligvis 48 – 55 MPa (7 000–8 000 psi) i henhold til ASTM B505-data. Det faktiske arbeidstrykket faller til 10 – 20 MPa med frem{12}}og-tilbake eller lav oljeeksponering.
Fotovoltaisk grense: Produktet av lagertrykk P (MPa) og glidehastighet V (m/s) representerer den totale termiske og mekaniske belastningen på lagerflaten. For blyfri tinnbronse som brukes i oljesmøringsoperasjoner, er PV-grenser på 2,0–3,5 MPa·m/s normale. Blyholdig C93200 lav flytegrense på 1,5–2,5 MPa·m/s under samme forhold. Dette er sant selv om det har bedre lav-oljegnidning (Khonsari & Booser, 2008).
Innstøping: Myke alfaseobjekter lar harde smusspartikler synke under lageroverflaten. Dette forhindrer dem i å forbli på skaftet som et tredjepartsbyrå. Vanlig tinnbronse har en tinnbronsehardhet på 65–85 HB, noe som gjør den mye mykere enn de herdede stålskaftene de gnis mot (vanligvis 55–65HRC=595–832 HV). Denne mykheten er nødvendig for innstøpingsarbeid.
Tretthetsstyrke: Tretthetsgrensen for 107-ukers C90500 er omtrent 90–110 MPa ved gjentatt bøyning (ASM Specialty Handbook, 1990). Til sammenligning har bly C93200 en temperatur på 70–90 MPa. Dette er fordi blydråper konsentrerer stress på ett sted.
Sammenligning med konkurrerende lagerlegeringer
Aluminiumsbronse (C95400: 85 % Cu, 11 % aluminium, 4 % jern) har høyere styrke-strekkfasthet 550–620 MPa, hardhet 160–180 HB-men du mister innstøping og konformitet. For skyvejobber med skitten olje eller sporadiske smusspartikler, absorberer den myke tinnbronsekroppen harde partikler sikrere enn aluminiumsbronse. Aluminiumbronse er utsatt for trippel{12}}kroppsslitasje når partikler legger seg på gnideoverflaten (Stachowiak & Batchelor, 2014).
Bimetalllagre (stål-støttet tinn hvitt metall eller aluminium tinn topplag) har en lavere fotovoltaisk grense, men er bedre tilpasningsdyktig og innebygd ved svært lave hastigheter. Kraftige pakninger er laget av helt-tinnbronse og fungerer bedre når lasten stort sett er rett gjennom. Kjørehastigheten er uten-stopp og full oljefilm opprettholdes av en oljetilførsel under trykk.
Sammendrag
Kombinasjonen av trykklager i tinn-bronse er ikke en fast formel. Det er en familie av Cu-Sn-legeringer. Tinnmengden (8–11 vekt%) bestemmer balansen mellom styrke og fleksibilitet. Mengden bly (0–7 vekt%) kontrollerer lav{11}}oljegnidning. Fosformengde (0–0,35 vekt%) fjerner oksidbiter og herder partiklene for å skape ekstra stivhet. Sinkmengden (0–4 vekt%) hjelper flytende metall til å flyte bedre under støping. Alpha Kobberkroppen i -fase har kompatibilitet og smuss som trenger inn. δ-fasen og andre kornkantpartikler øker hardheten og slitestyrken. Å velge riktig blanding betyr å presse legeringens PV-grense og smuss i tråd med faktiske oljeforhold, smussnivå og kontakttrykk. Du bør ikke bare velge å blande med mest tinn.
Referanser
- ASM International (1990).ASM Spesialitetshåndbok: Kobber og kobberlegeringer. ASM International.
- Massalski, TB (red.) (1990).Binære legeringsfasediagrammer(2. utgave). ASM International.
- ASTM B505/B505M-22.Standard spesifikasjon for kobberlegering kontinuerlige støpegods. ASTM International.
- ASTM B103/B103M-22.Standard spesifikasjon for fosforbronseplate, ark, stripe og rullet stang. ASTM International.
- ISO 1083:2018.Sfæroidal grafitt støpejern - Klassifisering. International Organization for Standardization. (Referert for mikrostruktur kvantifiseringsmetodikk.)
- Khonsari, MM & Booser, ER (2008).Anvendt tribologi: lagerdesign og smøring(2. utgave). John Wiley og sønner.
- Stachowiak, GW & Batchelor, AW (2014).Ingeniørtribologi(4. utgave). Butterworth-Heinemann.
- Kobberutviklingsforeningen (2011).CDA-publikasjon 144: Kobberlegeringer for lagerapplikasjoner. Kobber Utviklingsforening.
- Hamrock, BJ, Schmid, SR & Jacobson, BO (2004).Grunnleggende om væskefilmsmøring(2. utgave). Marcel Dekker.
- Szeri, AZ (2011).Væskefilmsmøring(2. utgave). Cambridge University Press.
- Wilcock, DF & Booser, ER (1957).Lagerdesign og applikasjon. McGraw-Hill.
- Brandes, EA & Brook, GB (red.) (1992).Smithells Metals Referansebok(7. utgave). Butterworth-Heinemann.