ES2225006T3

ES2225006T3 - Material compuesto en capas para cojinetes de friccion.

Info

Publication number: ES2225006T3
Application number: ES00127038T
Authority: ES
Inventors: Hans-Ulrich Huhn; Dietmar Wiebach; Fritz Niegel; Peter Dr. Spahn; Achim Dr. Adam
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-09
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: RU2000132751A; DE19963385C1; PT1113180E; RU2247658C2; SK286001B6; ATA21492000A; DE50007063D1; EP1113180A3; TR200400312T3; KR20010062800A; EP1113180A2; JP4961073B2; CZ20004902A3; ATE271197T1; EP1113180B1; BR0006302A; CZ294906B6; PL344826A1; PL195754B1; US6492039B2

Abstract

Material compuesto en capas para cojinetes de fricción con una capa de soporte (1) de un metal de cojinetes, una primera capa intermedia (2) de níquel, una segunda capa intermedia (3) de estaño y níquel así como con una capa de fricción (4) que está constituida por cobre y estaño, caracterizado porque la capa de fricción (4) presenta una matriz de estaño (5), en la que están incrustadas partículas de estaño y cobre (6), que están constituidas por 39 a 55% en peso de cobre y el resto estaño.

Description

Material compuesto en capas para cojinetes de fricción.

La invención se refiere a un material compuesto en capas para cojinetes de fricción con una capa de soporte de un metal de cojinetes, una primera capa intermedia de níquel y una segunda capa intermedia de estaño y níquel así como con una capa de fricción que está constituida por cobre y estaño.

Los materiales compuestos en capas con la estructura dorso de acero / bronce al plomo / capa de fricción de plomo, estaño y cobre han dado buen resultado debido a la alta fiabilidad y a la capacidad de carga mecánica. Tales materiales compuestos en capas se describen, por ejemplo, en los Informes Técnicos Glyco 1/91.

Especialmente la capa de fricción galvánica es un material multifuncional, que asume, entre otros, los siguientes cometidos:

-: capacidad de incrustación de partículas extrañas,

-: admisión o bien adaptación de las partes opuestas de deslizamiento,

-: protección contra la corrosión para el bronce al plomo,

-: propiedades de funcionamiento de emergencia en el caso de falta de aceite.

El metal de cojinetes contiene igualmente ciertas reservas de funcionamiento de emergencia para el caso de que la capa de fricción esté totalmente erosionada. Pero estos conceptos de cojinetes probados desde hace decenos contienen todavía actualmente porcentajes de plomo, principalmente en la capa de fricción. Una aleación usual está constituida, por ejemplo, por PbSn10Cu2, estando prevista entre el metal de cojinete y la capa de fricción una capa intermedia de níquel como barrera a la difusión.

Estas capas conocidas presentan durezas reducidas en torno a 12-15 HV, por lo tanto poseen una buena capacidad de incrustación y son insensibles al gripado. Sin embargo, por el mismo motivo solamente se pueden cargar en una medida limitada y con frecuencia no son adecuadas ya para las cargas de nuevos desarrollos de motor, especialmente en el campo de los motores Diesel. Las capas también son poco satisfactorias en virtud de la relevancia del metal pesado de plomo para el medio ambiente.

También se emplean cada vez más capas duras en los cojinetes de alta capacidad de carga, como por ejemplo las capas de aluminio y estaño, separadas a través de procedimientos PVD, con durezas en torno a 80 HV, que son, sin embargo, esencialmente más caras condicionadas por el procedimiento. Los cojinetes son muy resistentes al desgaste, apenas poseen capacidad de incrustación y, por lo tanto, se combinan la mayoría de las veces con capas que contienen plomo como cáscara opuesta.

El estaño puro no es adecuado como superficie de fricción, puesto que, con una dureza en torno a 10 HV, es todavía más blando que las aleaciones de plomo convencionales y, por lo tanto, no puede soportar las cargas, que se producen en los cojinetes principales y en los cojinetes de biela. Por lo tanto, para incrementar la capacidad de resistencia de las capas de estaño a través de la elevación de la dureza, se han propuesto ya aleaciones con cobre.

El documento DE 197 28 777 A1 se ocupa de la fabricación de un cojinete libre de plomo con una capa de fricción de SnCu, variando el contenido de cobre entre 3 y 20% en peso. Con la ayuda de un electrolito de ácido metilsulfónico con aditivos de afinación del grano se genera una capa, que posee al menos las propiedades de las capas estándar a base de plomo ternario convencionales. Para generar una mejora adicional de la resistencia al desgaste, deben incorporarse en la capa partículas de material duro dispersadas en el baño.

En el documento DE 197 54 221 A1 se propone separar con estaño y cobre adicionalmente cobalto, para conseguir una elevación adicional de la capacidad de carga mecánica y para impedir una fragilización de la capa de unión entre la capa deslizante y el dique de bloqueo a la difusión de níquel, puesto que a través del cobalto se reduce la tendencia a la difusión del estaño hacia el níquel. Esta aleación adicional de cobalto representa, sin embargo, una complicación del proceso de separación, que puede reducir la seguridad del proceso.

Por lo tanto, el cometido de esta invención es crear un material compuesto en capas con capa de fricción a base de estaño y cobre, que al mismo tiempo

-: presenta una capacidad de carga específica más alta y un desgaste más reducido que las capas convencionales a base de plomo,

-: tiene capacidad de adaptación y puede incrustar partículas contaminantes,

-: no requiere la separación simultánea de otros componentes o dispersoides,

-: y se puede fabricar con coste más favorable que los materiales generados a través de procedimientos PVD.

Este cometido se soluciona con un material compuesto en capas, cuya capa de fricción presenta una matriz de estaño, en la que están incrustadas partículas de estaño y cobre, que están constituidas por 39 a 55% en peso de cobre y el resto es estaño.

Las investigaciones han mostrado que el cojinete en esta estructura de capas se estabiliza por sí mismo después de la intervención sobre la capa en primer lugar todavía blanda a través del calentamiento en el funcionamiento y configura una superficie resistente permanente.

En las partículas se trata de fases intermetálicas, que han sido consideradas hasta ahora como desfavorables en las capas de fricción y, por lo tanto, han sido evitadas. Sin embargo, se ha mostrado que estas partículas de estaño y cobre reducen claramente el desgaste en virtud de su dureza, habiéndose comprobado de una manera sorprendente que a temperaturas a partir de aproximadamente 120ºC se produce una difusión intensificada del estaño en la capa de estaño y níquel subyacente. Debido a la migración del estaño desde la capa de fricción, tiene lugar una concentración creciente de las partículas de estaño y cobre. La superficie de fricción variable de esta manera tiene alta capacidad de carga y es resistente al desgaste.

Se ha mostrado que a altas temperaturas después de tiempos de funcionamiento muy largos, por ejemplo después de 1000 horas, el porcentaje de estaño se ha reducido hasta tal punto que excede el porcentaje de las partículas de estaño y de cobre en la capa de fricción.

Con preferencia, la porción superficial de las partículas, con respecto a una sección discrecional de la superficie, esté entre 5 y 48%. Este porcentaje se incrementa a medida que aumenta la duración del funcionamiento debido a la migración del estaño y puede alcanzar hasta 95% con una duración del funcionamiento mayor que 1000 h. Si el porcentaje de las partículas es menor que 5%, entonces las propiedades de la capa de fricción están determinadas solamente por el estaño, que no presenta por sí solo una capacidad de potencia suficiente. Por encima del 48%, no se puede evitar ya la formación de conglomerados mayores de partículas, que asumen finalmente el papel de la matriz, que no posee ya una capacidad de incrustación y de adaptación suficiente en virtud de la dureza grande en la fase de admisión.

El diámetro de las partículas está con preferencia entre 0,5 y 3 \mum. Las partículas demasiado grandes con un diámetro medio mayor que 3 \mum conducen a propiedades no homogéneas de la capa, que influyen sobre las propiedades de un cojinete de fricción, fabricado a partir del material en capas, especialmente en la fase de admisión. Las partículas demasiado finas con un diámetro menor por debajo de 0,5 \mum elevan demasiado la dureza de partida, impiden la alimentación de estaño a la capa de estaño y níquel y, por lo tanto, la estabilización adicional del cojinete y tienen una resistencia reducida a la corrosión frente al aceite de motor caliente.

Además, se ha mostrado que la segunda capa intermedia debería ajustarse tanto con respecto al espesor de la capa como también con respecto al porcentaje de estaño de tal forma que pueda recibir el estaño que migra desde la capa de fricción. La velocidad de migración del estaño y, por lo tanto, el ajuste de la resistencia al desgaste y la capacidad de carga de la capa de fricción en función del tiempo se pueden ajustar a través del espesor y del porcentaje de estaño de la segunda capa intermedia.

Con preferencia, la segunda capa intermedia contiene entre 30 y 40% en vol. de níquel y el resto es estaño, lo que corresponde aproximadamente a una relación atómica de 1: 1. Cuanto más gruesa está configurada la capa de estaño y níquel, tanto más estaño puede recibir desde la capa de fricción. La resistencia al desgaste de la capa de fricción aumenta en este caso con relativa rapidez.

Se ha comprobado como relación preferida entre el espesor de la capa de fricción y el espesor de la segunda capa intermedia una relación entre 2 y 4.

El espesor de capa de la capa de fricción está con preferencia entre 5 y 25 \mum. La capa de fricción se puede separar galvánicamente.

El espesor de capa de la segunda capa intermedia está con preferencia entre 2 y 7 \mum.

El espesor de capa de la primera capa intermedia de níquel puro está con preferencia entre 1 y 4 \mum. La capa de níquel contribuye igualmente al crecimiento condicionado por el equilibrio de la capa de estaño y níquel, siendo alimentada ésta con níquel no sólo a partir de la capa de fricción superpuesta, sino siendo alimentada también con níquel a partir de la primera capa intermedia. De esta manera, se mantiene la relación entre estaño y níquel de 1:1 en la capa de estaño y níquel.

El metal de cojinete se puede seleccionar de una manera discrecional. Se ha comprobado que la capa de metal de cojinete no tiene ninguna influencia inmediata sobre la migración de estaño desde la capa de fricción y, por lo tanto, no tiene ninguna influencia sobre la concentración de las partículas de estaño y cobre. La capa de metal de cojinete puede estar constituida, por ejemplo, por una aleación de cobre con un porcentaje de cobre entre 50 y 95% o por una aleación de aluminio con un porcentaje de aluminio entre 50 y 90% en peso. Como metales de cojinete se contemplan aleaciones de cobre y aluminio, aleaciones de cobre y estaño, aleaciones de cobre, estaño y plomo, aleaciones de cobre y cinc, aleaciones de cobre, estaño y silicio, aleaciones de cobre, estaño y aluminio o aleaciones de cobre, aluminio y hierro.

Para la fabricación del material compuesto en capas se puede proceder de la siguiente manera.

Sobre el cojinete de fricción prefabricado, especialmente cáscaras de cojinete, a partir del compuesto formado por acero y metal de cojinete se aplican, en una primera etapa, por medios químicos o electroquímicos, las dos capas intermedias de níquel y de estaño y níquel. A continuación se separa galvánicamente la capa de fricción. En este caso, se utiliza un baño de galvanización de ácido alquilsulfónico binario sin formadores de brillo ni refinadores del grano con la adición de agentes tensioactivos no iónicos, ácido alquilsulfónico libre y un glicoléster de ácido graso. La separación grosera de las partículas de estaño y cobre es atribuible a que no se emplea ningún agente de refinamiento del grano, como se utiliza para la consecución de la estructura de grano lo más fino posible deseada de acuerdo con el estado de la técnica.

A continuación se explican formas de realización ejemplares de la invención con la ayuda de los dibujos. En este caso:

La figura 1 muestra una sección a través de un material compuesto en capas.

Las figuras 2 a 4 muestran secciones a través del material compuesto en capas después de un tratamiento térmico después de 250 horas, 750 horas y 1000 horas.

Se ha fabricado un material compuesto en capas ejemplo de la siguiente manera:

Sobre una capa de soporte de acero se aplicó en primer lugar un a capa de metal de cojinete de CuPb22Sn. En la etapa siguiente, se aplicó después de un tratamiento previo convencional, sobre la capa de metal de cojinete, una primera capa intermedia de níquel a partir de un electrolito de níquel de Watt.

Sobre esta primera capa intermedia se galvanizó una segunda capa intermedia, que estaba constituida por níquel y estaño. A tal fin, se utilizó un electrolito de cloruro / fluoruro modificado.

Sobre la capa intermedia de níquel y estaño generada se galvanizó entonces la capa de fricción a base de estaño. Para la aplicación de la capa de fricción se puede emplear el siguiente sistema de electrolito sobre base acuosa:

Sn^{2+} como metanosulfonato de estaño	30 - 45 g/l
Cu^{2+} como metanosulfonato de cobre	2 - 8 g/l
Ácido metanosulfónico	80 - 140 g/l
Aditivo electrolítico N-HMB	30 - 45 ml/l
Resorcina	1,5 - 4 g/l

En el aditivo electrolítico N-HMB se trata de un agente tensioactivo a base de alquilarilpoliglicoléter de la Fa. Enthone MI.

Para la estabilización del porcentaje de cobre se pueden emplear adicionalmente poliglicoléteres de cadena larga.

La calidad del agua empleada debe corresponder a la del agua desionizada pura. Para obtener condiciones de separación estables, es absolutamente necesario hacer circular el electrolito al menos una vez por hora totalmente a través de una instalación de filtración. De esta manera se elimina una parte del Sn^{4+} resultante. Un enriquecimiento demasiado alto del electrolito con Sn^{4+} conduce a una estructura perturbada de las capas con modificaciones de las fases y crecimiento irregular de las capas hasta el fallo completo del electrolito.

Como material del ánodo se emplea estaño puro electrolítico. La separación de la capa de fricción se realiza en un intervalo de temperaturas de 20ºC a 40ºC, de una manera más ventajosa de 25ºC a 30ºC.

La estructura de esta capa de fricción está influenciada de una manera duradera por las densidades de la corriente empleada. Las densidades elevadas de la corriente conducen a partículas más gruesas de cobre y estaño. Las densidades más reducidas de la corriente conducen a un desplazamiento incontrolado de la porción de la fase de cobre. Por lo tanto, se ha revelado que es ventajoso un intervalo de la densidad de la corriente de 1,5 a 3,0 A/dm^{2}.

La distancia entre el ánodo y el cátodo no debería exceder de 350 mm, puesto que a través de las modificaciones de la resistencia interior del electrolito se producen distribuciones irregulares de la densidad de la corriente a lo largo de la columna del cojinete. La relación de la superficie entre el ánodo y el cátodo debe estar en este caso aproximadamente en 1:1 (\pm 10%).

En la figura 1 se representa una sección a través de este material compuesto en capas en una ampliación de 250 veces, que presenta sobre una capa de soporte no representada una capa 1 de un metal de cojinete de CuPb22Sn, una primera capa intermedia 2 de níquel, una segunda capa intermedia 3 de níquel y estaño y una capa de fricción 4. Esta última está constituida por una matriz de estaño 5, en la que están incrustadas partículas 6 de estaño y cobre. Estas incrustaciones están distribuidas sobre toda la capa de fricción 4 y se combinan en parte para formar aglomerados.

Para la simulación de las condiciones de funcionamiento de un cojinete de fricción en un motor de combustión se ha llevado a cabo un ensayo de cocción en aceite a 150ºC en este material compuesto en capas. Después de 250 h, 750 h y 1000 h se tomaron muestras y se investigaron secciones al microscopio para analizar las modificaciones en la estructura de las capas.

En este caso, se ha podido comprobar que el espesor de la capa de fricción 4 se reduce a medida que aumenta la duración del tratamiento a través de la migración del estaño, lo que va acompañado por una concentración de las partículas de estaño y cobre 6. Al mismo tiempo crece también el espesor de la capa de níquel y estaño 3 y se reduce la capa de níquel 2, que solamente se puede reconocer todavía en la figura 4 como borde estrecho. El crecimiento de la capa de estaño y níquel 3 no sólo está provocado a través de la difusión interna del estaño procedente de la capa de fricción 4, sino también a través de la penetración de níquel desde la capa de níquel 2 subyacente. A través de la concentración de las partículas de estaño y cobre en la capa de fricción 4 se reduce el porcentaje de fases blandas y se incrementa la dureza de la capa a medida que aumenta la duración de funcionamiento.

Claims

1. Material compuesto en capas para cojinetes de fricción con una capa de soporte (1) de un metal de cojinetes, una primera capa intermedia (2) de níquel, una segunda capa intermedia (3) de estaño y níquel así como con una capa de fricción (4) que está constituida por cobre y estaño, caracterizado porque la capa de fricción (4) presenta una matriz de estaño (5), en la que están incrustadas partículas de estaño y cobre (6), que están constituidas por 39 a 55% en peso de cobre y el resto estaño.

2. Material compuesto en capas según la reivindicación 1, caracterizado porque la porción superficial de las partículas (6), con respecto a una sección discrecional de la superficie, está entre 5 y 48%.

3. Material compuesto según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el diámetro de las partículas (6) esté entre 0,5 y 3 \mum.

4. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la segunda capa intermedia (3) está ajustada tanto con respecto al espesor de la capa como también con respecto al porcentaje de estaño de tal forma que recibe estaño que migra desde la capa de fricción (4).

5. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la segunda capa intermedia (3) contiene entre 30 y 40% en vol. de níquel.

6. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la relación entre el espesor de capa de la capa de fricción y el espesor de capa de la segunda capa intermedia (3) está entre 2 y 4.

7. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el espesor de capa de la capa de fricción (4) está entre 5 y 25 \mum.

8. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el espesor de capa de la segunda capa intermedia (3) está entre 2 y 7 \mum.

9. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el espesor de capa de la primera capa intermedia (2) está entre 1 y 4 \mum.