ES2240640T3 - Uso de una aleacion de cobre-aluminio con revestimientos definidos como material de cojinetes para la fabricacion de cojinetes deslizante resistentes al desgaste. - Google Patents
Uso de una aleacion de cobre-aluminio con revestimientos definidos como material de cojinetes para la fabricacion de cojinetes deslizante resistentes al desgaste.Info
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Abstract
Uso de una aleación de cobre-aluminio que consiste en 0, 01 a 20 % de aluminio, opcionalmente uno o varios elementos del grupo hierro, cobalto, manganeso, níquel, silicio, estaño hasta un total del 20% como máximo, opcionalmente hasta un 45% de zinc, siendo el resto cobre e impurezas habituales, que presenta una capa de recubrimiento externa fina de espesor D, producida por recocido de 400 a 800ºC en atmósfera de gas con baja presión parcial de oxígeno, que consiste exclusivamente en óxido de aluminio como material de cojinete para la producción de cojinetes lisos resistentes al desgaste.
Description
Uso de una aleación de
cobre-aluminio con revestimientos definidos como
material de cojinetes para la fabricación de cojinetes deslizantes
resistentes al desgaste.
La invención se refiere al uso según la
reivindicación 1.
Los materiales de cojinetes empleados en la
industria del automóvil se caracterizan por una combinación de
distintas propiedades favorables.
A ellas pertenecen:
\bullet Alto módulo de elasticidad
\bullet Bajo coeficiente de fricción
\bullet Buenas propiedades de rodamiento de
emergencia
\bullet Buenas propiedades
anti-corrosión
\bullet Alta resistencia mecánica
No obstante, se producen anualmente pérdidas que
suponen miles de millones debido al desgaste. Evitar esto es, por
tanto, una misión importante.
En materiales de cojinetes, la separación de la
pareja del rodamiento mediante capas intermedias, p.ej. capas de
triborreacción, tiene generalmente un efecto reductor del desgaste.
La formación de las capas de reacción discurre, no obstante, casi
exclusivamente de forma indefinida y está determinada por la acción
conjunta de presión, temperatura, lubricante y de la reacción
química de la pareja del rodamiento en funcionamiento.
Se puede observar un desgaste considerable
durante la llamada fase de rodaje. Por este motivo, sería importante
aplicar una protección contra el desgaste de forma definida antes
del primer uso.
Tales capas se conocen, por ejemplo, de la
memoria de patente JP 60 019 972 A para platos distribuidores de
compresores. En este caso se forma una capa superficial dura
mediante oxidación anódica. Se forman, por ejemplo, capas de óxido
de 5 \mum en aluminio o aleaciones de aluminio.
Adicionalmente se conoce de la memoria de patente
JP 59 222 585 A un procedimiento para la preparación de capas de
óxido sobre un metal resistente a altas temperaturas. En este caso
la superficie del metal se expone a altas temperaturas mediante
recocido en atmósfera de oxígeno/hidrógeno y se forma la capa de
óxido.
La invención se basa, por lo tanto, en la misión
de aplicar capas reductoras del desgaste de forma definida sobre
cojinetes lisos.
La misión se soluciona según la invención
mediante el uso de una aleación de cobre con contenido en aluminio
según la reivindicación 1, que consiste en 0,01 a 20% de aluminio,
opcionalmente uno o varios elementos del grupo hierro, cobalto,
manganeso, níquel, silicio, estaño hasta un total del 20% como
máximo, opcionalmente hasta un 45% de zinc, siendo el resto cobre e
impurezas habituales, que presenta una capa de cubrición externa
fina de espesor D, que consiste exclusivamente en óxido de aluminio
(los datos en tanto por ciento se refieren al peso).
Se ha podido constatar que las capas de óxido de
aluminio reducen claramente el desgaste (formación de las llamadas
capas de tribo-oxidación), como lo muestra en
particular el ejemplo de realización. Las capas se caracterizan
porque son extremadamente duras y poco reactivas frente a
influencias externas. El espesor de la capa de óxido se sitúa a
menudo en el intervalo de unos pocos nanómetros (varias capas
atómicas), lo que se hace notar por las "películas de revenido"
irisadas. En este caso, la luz que pasa a través de las capas se
refleja, según el ángulo de observación, mediante distintas
longitudes de onda características. Al superar un cierto espesor de
capa de separación, este efecto vuelve a desaparecer y el color de
la superficie queda determinado por el óxido.
Aunque los óxidos son en general muy quebradizos
y se rompen o se descascarillan debido al efecto de fuerzas
externas, las películas de revenido poseen un alto poder de
adherencia. Se asume que dos estructuras distintas (metal/óxido)
intentan formar superficies de separación coherentes o al menos
semi-coherentes (mecanismo de Frank van der Merwe).
Estarán siempre uno enfrente de otro los planos cristalinos que
poseen una simetría y unas dimensiones reticulares parecidas, es
decir que presenten una epitaxia.
Las superficies de separación epitaxiales son
aquellas con la mínima energía posible y dan lugar a un máximo de
núcleos, que están precisamente equipados con esta epitaxia. Sin
embargo, dado que el sustrato (metal) y el huésped (óxido) no se
ajustan perfectamente, esta discrepancia reticular se compensa
mediante deformaciones elásticas y, en caso de que esto no sea
suficiente, mediante introducción de dislocaciones de la superficie
de separación, en donde la superficie de separación intenta alcanzar
un mínimo energético. Con discrepancia reticular creciente, así como
una dilatación lateral creciente y espesor de los núcleos del
huésped, la densidad de dislocaciones aumenta de tal manera que se
vuelve inestable. La cohesión (la adherencia) se pierde.
Capas de óxido de aluminio poseen una alta
estabilidad termodinámica, al tiempo que pequeños coeficientes de
difusión para iones. Capas de óxido de aluminio se formarán por lo
tanto también en atmósferas con presión parcial de oxígeno muy baja
y se mantendrán estables. Debido a las tensiones de crecimiento
laterales arriba indicadas, las capas de Al_{2}O_{3} tienden, no
obstante, también bajo condiciones isotermas, a descascarillarse y a
la formación de fisuras y de poros. Motivo de ello es el transporte
de masa paralelo pero opuesto, de iones oxígeno y metal en el óxido.
Se forma óxido dentro de las capas de óxido sobre los límites de los
granos. Las tensiones de compresión resultantes son suficientes,
p.ej., para deformar chapas oxidadas por una sola cara. Al
desplazarse los iones aluminio al óxido se produce, además, una
inyección de sitios vacantes en el metal. Los sitios vacantes
condensan en la frontera de fase metal/óxido y forman poros.
Una capa fina de óxido de aluminio (capa de
revenido) representa un compromiso de buena adherencia y de los
problemas indicados.
En la práctica, aunque sea posible obtener capas
de oxidación de forma controlada mediante tratamientos térmicos
correspondientes al aire o en otras atmósferas que contienen
oxígeno, el efecto protector se reduce no obstante debido a
\bullet La formación de varios óxidos
termodinámicamente estables en aleaciones con distintos coeficientes
de dilatación
\bullet Los óxidos mixtos (espinelas) con
grados de defectos cristalinos frecuentemente altos y, por
consiguiente, coeficientes de difusión altos.
La formación de capas de óxidos puras en
aleaciones depende de la temperatura y de la correspondiente presión
de formación. Debido a que Al_{2}O_{3} posee una presión de
formación en comparación extremadamente baja, es posible la
formación exclusiva de óxido de aluminio.
Las reivindicaciones 2 a 8 se refieren a formas
de realización particulares de la invención.
La aleación de cobre que contiene aluminio se
calcina de forma controlada en atmósfera de gas con baja presión
parcial de oxígeno. En este caso, la presión parcial de oxígeno se
debe seleccionar de tal manera que no se forme otro óxido junto a
Al_{2}O_{3}. Tales condiciones se dan en el "hidrógeno
técnico". Éste esta generalmente impurificado con pocas ppm (=
partes por millón) de oxígeno residual o bien de humedad residual. A
la temperatura de calcinación, se establece entre el hidrógeno y el
oxígeno (residual) o bien entre el hidrógeno y la humedad residual
(= agua) un equilibrio termodinámico, que se caracteriza por una
presión parcial de oxígeno extremadamente baja. Esa presión parcial
de oxígeno es suficiente para formar óxido de aluminio puro. Los
otros componentes de la aleación no se oxidan. Las espinelas (óxidos
compuestos) son también termodinámicamente inestables bajo estas
condiciones.
Mediante la selección apropiada de las
condiciones de reacción (temperatura T y tiempo), se forman capas de
óxido de aluminio con espesores de capa de unos pocos nanómetros.
Estas capas de cubrición se comportan de forma
pseudo-dúctil y tienen un poder de adherencia muy
grande. La calcinación bajo condiciones definidas conduce a un
establecimiento de capa de cubrición uniforme que es muy
reprodu-
cible.
cible.
Con esto se cumple la misión de la obtención
reproducible de una capa sobre cojinetes lisos que reduce el
desgaste.
La formación de capas de óxido finas en
aleaciones de cobre que contienen aluminio se conoce ya del
documento DE-OS 4.417.455. Al contrario del
procedimiento en él descrito, aquí se describe una capa de cubrición
cerrada mediante el ajuste de parámetros de reacción adecuados.
La invención se describe en más detalle con ayuda
del ejemplo de realización siguiente:
Los estudios sobre consecuencias prácticas de las
capas de reacción se llevaron a cabo en un banco de prueba de
cojinetes lisos, en el que el cojinete liso se mueve oscilando con
respecto a un eje estacionario. Mediante un mecanismo de poleas, se
puede establecer una carga ajustable a través de este eje en el
cojinete liso a ensayar (véase, por ejemplo, el folleto WIELAND:
"Elementos de deslizamiento", edición 6/97, en especial pp.
5).
En el presente caso, la carga fue de 17
N/mm^{2}. Se produjeron 100 cambios/minuto con un ángulo de giro
de \pm30º y lubricación inicial con grasa.
Como criterio para la eficacia de la capa de
reacción se ha considerado el comportamiento de rodaje del cojinete,
tal como evoluciona a modo de ejemplo el coeficiente de fricción en
función del tiempo (véase, por ejemplo, Dubbel: "Libro de bolsillo
para la construcción mecánica" (20a edición/2001), en especial
págs. E86/E87).
Con respecto a cojinetes no tratados se observan
las siguientes mejoras:
- -
- el coeficiente de fricción empieza en un nivel más bajo,
- -
- el tiempo de rodaje es más corto,
- -
- no se produce el habitual aumento del coeficiente de fricción, sino que decrece en seguida,
- -
- evolución estable del coeficiente de fricción
La evolución del coeficiente de fricción de un
casquillo-cojinete no tratado y uno con capa de
reacción o de cubrición se muestra en las Figuras 1 y 2. La
composición consiste en ambos casos en: CuAl10.
Claims (8)
1. Uso de una aleación de
cobre-aluminio que consiste en 0,01 a 20% de
aluminio, opcionalmente uno o varios elementos del grupo hierro,
cobalto, manganeso, níquel, silicio, estaño hasta un total del 20%
como máximo, opcionalmente hasta un 45% de zinc, siendo el resto
cobre e impurezas habituales, que presenta una capa de recubrimiento
externa fina de espesor D, producida por recocido de 400 a 800ºC en
atmósfera de gas con baja presión parcial de oxígeno, que consiste
exclusivamente en óxido de aluminio como material de cojinete para
la producción de cojinetes lisos resistentes al desgaste.
2. Uso de una aleación de
cobre-aluminio según la reivindicación 1, con 5 a
16% de aluminio para el fin según la reivindicación 1.
3. Uso de una aleación de
cobre-aluminio según la reivindicación 1 ó 2, con 9
a 11% de aluminio para el fin según la reivindicación 1.
4. Uso de una aleación de
cobre-aluminio según la reivindicación 1 ó 2, con 14
a 16% de aluminio para el fin según la reivindicación 1.
5. Uso de una aleación de
cobre-aluminio según las reivindicaciones 1 a 4, con
una capa de cubrición de espesor D = 10 nm a 10 \mum para el fin
según la reivindicación 1.
6. Uso de una aleación de
cobre-aluminio según la reivindicación 5, con una
capa de cubrición de espesor D = 10 a 100 nm para el fin según la
reivindicación 1.
7. Uso de una aleación de
cobre-aluminio según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que la capa de cubrición se obtiene
mediante calcinación a temperaturas de calcinación T = 400 a 800ºC
entre 0,5 y 10 h en atmósfera de gas con baja presión parcial de
oxígeno, para el fin según la reivindicación 1.
8. Uso de una aleación de
cobre-aluminio según la reivindicación 7, en el que
la capa de cubrición se obtiene mediante calcinación en "hidrógeno
técnico", para el fin según la reivindicación 1.
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