ES2253575T3

ES2253575T3 - Cojinete de material macizo y procedimiento para su fabricacion.

Info

Publication number: ES2253575T3
Application number: ES02794542T
Authority: ES
Inventors: Udo Roos; Erik Kraft
Original assignee: Federal Mogul Deva GmbH
Current assignee: Federal Mogul Deva GmbH
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: DE10138058A1; ATE309065T1; EP1412112A1; EP1412112B1; DE50204885D1; WO2003013767A1

Abstract

Procedimiento para la fabricación de cojinetes autolubricantes, sin mantenimiento, en los cuales como mínimo se utiliza polvo de bronce, el polvo de bronce se prensa en frío, antes de la sinterización, en una herramienta que le da la forma de una pieza bruta de material macizo, la pieza bruta de material macizo se sinteriza en un horno bajo una atmósfera de gas protector y los poros del bronce sinterizado se llenan por infiltración a vacío con una suspensión que contiene PTFE, caracterizado porque la pieza bruta de material macizo se fabrica con un espesor de pared de 2 a 20 mm, ajustando en la pieza bruta de material sintético por medio del prensado en frío una porosidad de 20 a 50% en volumen y generando en toda la pieza bruta de material macizo poros abiertos distribuidos homogéneamente, porque la pieza bruta de material macizo se sinteriza a continuación a una temperatura en el intervalo de 650ºC a 850ºC, durante lo cual se estabilizan los poros abiertos distribuidos homogéneamente, y porque en la infiltración a vacío se emplea una suspensión de PTFE a base de 55 a 65% en peso de PTFE, 33, 5 a 42, 5% en peso de H2O y 0, 5 a 3% en peso de emulsionantes.

Description

Cojinete de material macizo y procedimiento para su fabricación.

El invento se refiere a un procedimiento para la fabricación de cojinetes autolubricantes y exentos de mantenimiento, en especial de casquillos de cojinete y discos de arranque, en el cual se emplea al menos polvo de bronce, el polvo de bronce se prensa en frío antes de la sinterización en una herramienta que le confiere la forma de una pieza en bruto de material macizo, la pieza en bruto de material macizo se sinteriza en un horno bajo atmósfera de gas protector y los poros del bronce sinterizado se rellenan por infiltración a vacío con una suspensión que contiene PTFE. El invento se refiere también a un cojinete macizo, autolubricante, de bronce sinterizado, según la reivindicación 15.

Actualmente existen distintos tipos de cojinetes de deslizamiento, metálicos, autolubricantes y exentos de mantenimiento. Estos son, entre otros:

a.: Cojinetes de deslizamiento de paredes gruesas, que contienen lubricantes sólidos tales como grafito, MoS_{2}, WS_{2},

b.: Cojinetes de deslizamiento de paredes gruesas, que están impregnados de aceite,

c.: Cojinetes de deslizamiento de paredes finas, que contienen en la superficie PTFE incrustado por laminación,

d.: Cojinetes de deslizamiento de paredes finas, que contienen PTFE impregnado en la estructura,

e.: Cojinetes de deslizamiento de paredes gruesas, de fundición, que contienen lubricantes sólidos distribuidos macroscópicamente.

Para los cojinetes de deslizamiento del tipo a. se preparan mezclas de polvos que ya contienen lubricantes sólidos. Esta mezcla de polvos se prensa y a continuación se sinteriza. Para estos procedimientos sólo son adecuados los lubricantes sólidos que no se descompongan a las temperaturas de sinterización, de aproximadamente 800ºC.

Por otra parte, los cojinetes con esta clase de lubricantes no son adecuados para todas las aplicaciones, a causa de la impurificación del entorno del cojinete, inevitablemente unida a él. En especial, esta clase de cojinetes no se puede utilizar en el sector de la industria alimentaria.

Los cojinetes de deslizamiento del tipo b. tienen el inconveniente de contener aceite y, por ello, no se pueden emplear en muchos sectores. La temperatura de utilización de este tipo de cojinetes está fuertemente limitada, puesto que a temperaturas elevadas tiene lugar un desecado del aceite.

Los cojinetes de deslizamiento del tipo c. fallan después de un desgaste del espesor relativamente pequeño.

Los cojinetes de deslizamiento del tipo d. presentan en principio valores de rozamiento bajos y pequeñas tasas de desgaste, por otra parte el espesor de la capa de deslizamiento está limitado en 1 hasta 2 mm. La fabricación de esta clase de cojinetes de deslizamiento se describe, por ejemplo, en el documento DE 197 53 639.5 A1. El procedimiento para la fabricación de un material de varias capas, autolubricantes, exento de mantenimiento para estos cojinetes de deslizamiento prevé que un polvo de bronce constituido por distintos tamaños de grano, con un tamaño de grano medio de aproximadamente 40 pm y una forma de grano dendrítica, se deposite sobre un cuerpo metálico de soporte y que el cuerpo de soporte con el polvo de bronce depositado se sinterice en un horno a aproximadamente 800ºC bajo una atmósfera de gas protector. Durante la sinterización se lamina en caliente el cuerpo soporte con la capa de bronce, para producir una porosidad comprendida entre 40 y 70% a lo largo de todo el espesor de capa, alcanzando el espesor de capa tan sólo aproximadamente 0,5 a 10 mm. Por medio de una infiltración a vacío se llenan los poros con PTFE, de modo que se ajuste una proporción de PTFE, referida a todo el material, de hasta el 20% en peso.

Además, del documento GB 707,065 se conoce un procedimiento de infiltración a vacío, en el cual, sin embargo, no se dan datos sobre fabricación y espesores de la capa sinterizada.

Del documento US 5,217,814 se conoce un material para cojinetes de deslizamiento que se fabrica por sinterización de partículas de Cu. La capa sinterizada posee espesores inferiores a 1 mm, y las porosidades que se producen por el proceso de sinterización se sitúan en el 35% en volumen. En los poros se introducen lubricantes en forma de MoS_{2} y grafito. La porosidad producida por el proceso de sinterización está determinada fuertemente por la distribución del tamaño de las partículas, de modo que con frecuencia no se puede conseguir la homogeneidad deseada.

Del "Taschenbuch für den Maschinenbau" de Dubbel, 14ª Edición, Editorial Springer, pags. 956, 957 se conoce, que en la fabricación de cuerpos sinterizados se intercala un proceso de prensado en frío para comprimir el polvo de metal. A presión de prensado creciente aumenta la relación de compresión y, con ello, también la densidad y el llenado del volumen. Sin embargo, no hay referencias en cuanto a la relación entre el procedimiento de prensado en frío y el ajuste de la porosidad.

Del documento GB 923,642 se conoce un procedimiento para la fabricación de cojinetes autolubricantes el cual, después de un proceso de compactación en donde se fabrica una pieza bruta de material macizo a base de polvo de bronce, va seguido de un proceso de sinterización. Sobre el proceso de compactación no se comunica ningún parámetro. En cuanto al proceso de sinterización se informa únicamente que la pieza bruta se dilata al sinterizar. Objeto del documento GB 923,642 es poner a disposición aditivos adecuados al PTFE en el proceso de impregnación que sigue al proceso de sinterización. Para ello se proponen aditivos que no poseen estructura laminar alguna.

Misión del invento es poner a disposición un procedimiento con el cual se puedan fabricar cojinetes de material macizo con espesores de pared de hasta 20 mm, que presenten propiedades de deslizamiento inalterables durante el funcionamiento.

Esta misión se resuelve con un procedimiento conforme a la reivindicación 1, en el cual la pieza bruta de material macizo se fabrica con un espesor de pared de 2 - 20 mm ajustando por medio del prensado en frío una porosidad de 20 - 50% en volumen en la pieza bruta de material macizo y produciendo en toda la pieza bruta de material macizo poros abiertos homogéneamente distribuidos, la pieza bruta de material macizo se sinteriza a continuación a una temperatura en el intervalo de 650ºC hasta 850ºC, en la cual los poros abiertos homogéneamente distribuidos se estabilizan y durante el cual en la infiltración a vacío se emplea una suspensión de PTFE a base de 55 a 65% de PTFE, 33,5 a 42,5% de H_{2}O y 0,5 a 3% de emulsionantes.

Preferentemente la pieza bruta de material macizo se prensa en frío con un espesor de pared >3 mm hasta 20 mm, en especial >3,5 mm hasta 20 mm. Otros intervalos preferidos son 4 a 20 mm y 5 a 20 mm. Una ventaja del procedimiento consiste en que las piezas brutas de material macizo se pueden fabricar con la porosidad exigida a lo largo de una amplia zona de espesores de pared. En cuanto al ajuste de la porosidad, son márgenes de valores preferidos 25 a 47% en volumen, 20 a 40% en volumen y, en especial, >20 hasta 40% en volumen.

Por medio del prensado en frío se confiere a la pieza en verde una resistencia suficiente, de modo que se hace posible una elaboración posterior.

Ha resultado, además, que un prensado en frío del polvo de bronce conduce a una estructura de poros más homogénea que la que se puede conseguir con un proceso de sinterización inmediato. En el prensado en frío la distribución del tamaño de grano de las partículas de bronce tiene tan sólo una importancia insignificante sobre la porosidad que se establece. Además, la proporción de poros abiertos es mayor, de modo que es posible un mejor llenado de los poros con PTFE por vía de la infiltración a vacío. El proceso de sinterización se aplica para la difusión del estaño en el cobre y para estabilizar la estructura de poros formada. En general, se consigue un cojinete de material macizo que, en virtud de la distribución homogénea de los poros a lo largo del espesor de pared del cojinete, presenta propiedades de deslizamiento que se mantienen constantes durante todo el periodo de vida útil del cojinete. El empleo de PTFE también hace posible la utilización de los cojinetes en la industria alimentaria.

El prensado en frío del polvo de bronce se efectúa preferentemente en la dirección del eje de simetría de rotación de la pieza bruta de material macizo a fabricar. Por lo tanto, en la fabricación de casquillos de cojinete se efectúa el prensado en frío en la dirección del eje longitudinal del casquillo. De esta forma se garantiza que la presión se distribuya homogéneamente sobre todas las zonas de la pieza bruta de material macizo a fabricar.

El prensado en frío se lleva a cabo preferentemente con una presión de 2 a 4 t/cm^{2}, en especial de 2,5 a 3,5 t/cm^{2}. Qué presión se escoge en este intervalo de 2 a 4 t/cm^{2} depende por una parte del tamaño de grano del polvo de bronce elegido y, por otra, de la porosidad deseada. Cuando se desea una porosidad pequeña se aplica una presión correspondientemente mayor. También son necesarias presiones mayores cuando el polvo de bronce presenta un gran tamaño de grano. Preferentemente se emplea una mezcla de polvo de aleación de bronce prealeada o preiniciada y polvo de estaño elemental, con tamaños de grano de 1 a 100 \mum, preferentemente de 10 a 80 \mum, en especial de 20 a 40 \mum.

Preferentemente se emplea polvo de bronce con 80 a 95% en peso de cobre y de 5 a 20% en peso de estaño.

El polvo de bronce puede llevar, además, hasta 11% en peso de aluminio, hierro, bismuto y/o plomo.

La temperatura de sinterización es de 650ºC hasta 850ºC, en especial de 600ºC a 850ºC. Puesto que la sinterización tiene lugar antes de la introducción del material PTFE, en este proceso y a estas elevadas temperaturas no se daña el material PTFE.

El proceso de sinterización se lleva a cabo preferentemente durante un espacio de tiempo de 1 a 5 horas, preferentemente de 1 a 3 horas. La temperatura de sinterización y el tiempo de duración se han de elegir de tal manera que, a ser posible, la difusión del estaño en el cobre haya concluido y se haya formado un cristal mixto homogéneo pero, por otro lado, no se produzca una porosidad demasiado escasa por variación del volumen de poros. Además, se debe tener cuidado de mantener el sistema de poros abiertos. En la selección de las temperaturas y los tiempos de sinterización también juegan un papel la composición y la clase de aleación del polvo de bronce (prealeada, preiniciada, mezcla de los elementos, combinaciones de éstas).

Preferentemente se utiliza un polvo de bronce mezclado con un agente auxiliar para el prensado.

El agente auxiliar para el prensado facilita el proceso de prensado y tiene la ventaja de que, por un lado las herramientas están sometidas a un desgaste menor y, por ello, también se pueden utilizar prensas automáticas para la fabricación y, por otro lado, de que se reduce el rozamiento en las paredes interiores de la estampa. Por ello resulta en la pieza bruta una distribución más homogénea de los poros y de la densidad. La infiltración a vacío se lleva a cabo por métodos convencionales y tiene lugar preferentemente a una presión de 5 a 10 mbar.

Después de la infiltración a vacío se seca el cojinete a aproximadamente 40 a 100ºC, de modo que se eliminen el agua y los emulsionantes utilizados en la suspensión y sólo queden en los poros el PTFE.

Después de la infiltración a vacío el cojinete poroso se puede prensar de nuevo en frío para su calibración. Aquí se ajustan la densidad y la resistencia definitivas. En la calibración en frío se aplican presiones de preferentemente 3 a 6 t/cm^{2}.

Después de la calibración se deposita aún una capa de rodaje. Esta capa de rodaje puede consistir, por ejemplo, en un barniz deslizante cargado con lubricantes sólidos tales como, por ejemplo, PTFE, grafito o plomo.

El cojinete de material macizo autolubricante de bronce sinterizado se caracteriza, porque presenta unos espesores de pared de 2 a 20 mm y una porosidad de 20 a 50% en volumen, porque lleva incorporado de 2 a 10% en peso de PTFE, referido a la totalidad del material, en los poros abiertos homogéneamente distribuidos en todo el material macizo del material sinterizado, y porque por debajo de una zona de rodaje la proporción de PTFE oscila como máximo el 10% a lo largo de todo el espesor de pared.

Esto significa, que para una proporción de PTFE de, por ejemplo, el 10% en peso, esta proporción oscila entre el 9% y el 11%. La pequeña oscilación de la proporción de PTFE se atribuye a la homogénea distribución de los poros, pudiendo ser mayor la proporción de poros en una pequeña zona de superficie que forma la zona de rodaje, de modo que en dicha zona también es correspondientemente mayor la proporción de PTFE. Esta mayor proporción de PTFE en esta zona de rodaje mejora las propiedades de rodaje.

El espesor de pared del cojinete de material macizo es preferentemente >3 mm hasta 20 mm, en especial >3,5 hasta 20 mm, 4 hasta 20 mm y 5 hasta 20 mm.

El bronce sinterizado presenta preferentemente de 80 a 95% de cobre y de 5 a 20% de estaño. El bronce sinterizado aún puede presentar, además, hasta 5% en peso de aluminio, hierro, bismuto y/o plomo.

Los poros abiertos presentan preferentemente un tamaño de 5 a 125 pm. Además, los poros del bronce sinterizado son en su mayor parte preferentemente abiertos. La porosidad del bronce sinterizado es preferentemente 20 a 50% en volumen, en especial 25 a 47% y 20 a 40% en volumen y, en especial, >20 hasta 40% en volumen.

Ejemplos de formas de ejecución del invento se describen a continuación con más detalle con ayuda de los dibujos.

Muestran:

figura 1 un casquillo de cojinete conforme al invento en representación perspectiva,

figura 2 un corte a lo largo de la línea A-A en la figura 1, y

figura 3 una representación aumentada de la zona X en la figura 2, y

figura 4 una representación gráfica del contenido en PTFE o, respectivamente, de la densidad, en función de la presión de prensado.

En la figura 1 se representa un casquillo de cojinete 1 de material macizo, que se compone de un bronce sinterizado con PTFE infiltrado al vacío.

En la figura 2 se representa una sección por el casquillo de cojinete 1 a lo largo de la línea A-A en la figura 1. En el material matriz del bronce sinterizado 2 está incluido el PTFE en los poros abiertos 3, como se puede ver en la figura 3 en una representación aumentada. Se ve claramente que la estructura de los poros es abierta y que los poros están distribuidos homogéneamente a lo largo de todo el espesor de pared. En virtud esta estructura de poros abierta, que existe de forma pasante a lo largo de todo el espesor de pared, es posible conseguir un llenado completo de los poros con PTFE, de modo que se obtienen propiedades de deslizamiento esencialmente constantes a lo largo de todo el espesor de pared.

En la figura 4 está representado el contenido en PTFE o, respectivamente, la densidad, en función de la presión de prensado. Se muestra que para una presión de prensado de 2 a 3 t/cm^{2}, a presión de prensado creciente aumenta la densidad y al mismo tiempo disminuye la porosidad, lo que correspondientemente conduce a una menor proporción de PTFE en el material macizo. Por medio de la presión de prensado se puede ajustar por lo tanto la porosidad y, a través de ella, ajustado a la medida, la proporción de PTFE, lo que a su vez es importante para las propiedades de deslizamiento.

En la tabla siguiente se han recopilado los parámetros tales como densidad en verde, porosidad, contenidos en PTFE, etc. para las distintas presiones de prensado y materiales de bronce. La designación Eckart Bromix 90/10 significa, que se trata aquí de un material en polvo de la razón social Eckart Bromix, el cual contiene 90% de cobre y 10% de estaño. En el caso de la designación NA K10+3% Sn se trata de un polvo de bronce prealeado de la razón social Norddeutschen Affinerie con una proporción de 90% de cobre y 10% de estaño, al cual adicionalmente se añade una mezcla de 3% de estaño elemental.

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(Tabla pasa a página siguiente)

1

Tal como muestran los ejemplos, la porosidad se encuentra esencialmente en la zona de la porosidad después del prensado en frío, lo que demuestra que el proceso de sinterización sirve únicamente para estabilizar la estructura de los poros y sólo ejerce una pequeña influencia sobre la porosidad.

Los coeficientes de rozamiento, con valores en el intervalo de \mu = 0,08 a \mu = 0,10, son claramente superiores a los de las aleaciones portadoras de grafito convencionales, cuyos valores de rozamiento se encuentran aproximadamente en el intervalo de \mu = 0,15 a \mu = 0,25 para el trabajo en seco. Los valores del desgaste de los cojinetes infiltrados con PTFE, en las mismas condiciones de ensayo, son inferiores en un factor de 5 a aproximadamente 20.

Claims

1. Procedimiento para la fabricación de cojinetes autolubricantes, sin mantenimiento, en los cuales como mínimo se utiliza polvo de bronce, el polvo de bronce se prensa en frío, antes de la sinterización, en una herramienta que le da la forma de una pieza bruta de material macizo, la pieza bruta de material macizo se sinteriza en un horno bajo una atmósfera de gas protector y los poros del bronce sinterizado se llenan por infiltración a vacío con una suspensión que contiene PTFE, caracterizado

porque la pieza bruta de material macizo se fabrica con un espesor de pared de 2 a 20 mm, ajustando en la pieza bruta de material sintético por medio del prensado en frío una porosidad de 20 a 50% en volumen y generando en toda la pieza bruta de material macizo poros abiertos distribuidos homogéneamente,

porque la pieza bruta de material macizo se sinteriza a continuación a una temperatura en el intervalo de 650ºC a 850ºC, durante lo cual se estabilizan los poros abiertos distribuidos homogéneamente, y

porque en la infiltración a vacío se emplea una suspensión de PTFE a base de 55 a 65% en peso de PTFE, 33,5 a 42,5% en peso de H_{2}O y 0,5 a 3% en peso de emulsionantes.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el prensado en frío se lleva a cabo en la dirección del eje de simetría de rotación de la pieza bruta de material sintético a fabricar.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el prensado en frío se lleva a cabo con una presión de 196,133 a 392,266 MPa.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se emplea polvo de bronce y estaño elemental con tamaños de grano de 1 a 100 \mum.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque se emplea polvo de bronce y estaño elemental con tamaños de grano de 20 a 40 \mum.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se emplea polvo de bronce con 80 a 95% en peso de cobre y 5 a 20% en peso de estaño.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se emplea polvo de bronce con hasta 11% en peso de aluminio, hierro, bismuto y/o plomo.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque el proceso de sinterización se lleva a cabo a lo largo de un espacio de tiempo de 1 a 5 h, preferentemente de 1 a 3 h.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se utiliza un polvo de bronce mezclado con un agente auxiliar de prensado.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la infiltración a vacío se lleva a cabo a una presión de 500 a 1.000 Pa.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque después de la infiltración a vacío el cojinete se seca a una temperatura de aproximadamente 40ºC a 100ºC.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque después de la infiltración a vacío el cojinete se prensa en frío para la calibración.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque la calibración se lleva a cabo con una presión de 294,199 a 588,399 MPa.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque después de la calibración se aplica una capa de rodaje.

15. Cojinete de material macizo, autolubricante, de bronce sinterizado caracterizado porque presenta un espesor de pared de 2 a 20 mm y una porosidad de 20 a 50% en volumen, porque en los poros homogéneamente distribuidos en la totalidad del material macizo del material sinterizado, está incluido de 2 a 10% en peso de PTFE, referido a todo el material, y porque por debajo de una zona de rodaje la proporción de PTFE oscila como máximo el 10% a lo largo de todo el espesor de pared.

16. Cojinete según la reivindicación 15, caracterizado porque el espesor de pared oscila como máximo 4% \pm 1% a lo largo de todo el espesor de pared.

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17. Cojinete según las reivindicaciones 15 o 16, caracterizado porque el bronce sinterizado presenta de 8 a 95% de cobre y de 5 a 20% de estaño.

18. Procedimiento según las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque el bronce sinterizado presenta hasta 11% en peso de aluminio, hierro, bismuto y/o plomo.