ES2317019T3

ES2317019T3 - Material compuesto laminar para cojinete liso, elaboracion y empleo.

Info

Publication number: ES2317019T3
Application number: ES04762611T
Authority: ES
Inventors: Achim Adam; Klaus Staschko
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: BRPI0413524A; RU2354864C2; DE502004008538D1; PT1654471E; JP4945241B2; US20060286398A1; DE10337029B4; EP1654471B1; DE10337029A1; CN100470069C; PL1654471T3; JP2007501919A; RU2006107254A; ATE415569T1; BRPI0413524B1; EP1654471A1; US7368046B2; CN1846076A; WO2005015037A1

Abstract

Material compuesto laminar, particularmente para cojinetes lisos o manguitos, con una capa portadora, una capa metálica de soporte (3) de una aleación de cobre o una aleación de aluminio, una capa intermedia de níquel (2) y una capa de deslizamiento (1), caracterizado porque la capa de deslizamiento (1) consiste en aprox. un 0-20% en peso de cobre y/o plata y el resto bismuto y el espesor de capa de la capa de níquel asciende a más de 4 µm.

Description

Material compuesto laminar para cojinete liso, elaboración y empleo.

La presente invención hace referencia a un material compuesto laminar, particularmente para cojinetes lisos o manguitos, con una capa portadora, una capa metálica de soporte de una aleación de cobre o de una aleación de aluminio, una capa intermedia de níquel y una capa de deslizamiento. La invención se relaciona además con un procedimiento para la elaboración de este material compuesto laminar, la elaboración de cojinetes lisos o manguitos, así como aplicaciones del material compuesto laminar.

Los materiales compuestos laminares clásicos con estructura de dorso de acero como capa portadora, plomobronce como capa metálica de soporte y capa de deslizamiento de plomo-estaño-cobre, tal y como se describen, por ejemplo, en el informe de ingeniería de Glyco 1/91, se han acreditado por una alta fiabilidad y resistencia mecánica. La capa de deslizamiento se separa de este modo galvánicamente. Ésta es una capa multifuncional, en la que puede embeberse partículas extrañas, que sirve como protección contra la corrosión, que muestra propiedades intrínsecamente seguras y resulta particularmente apropiado para la admisión y/o el ajuste de la contraparte.

También la capa metálica de soporte presenta suficientes propiedades intrínsecamente seguras para el caso de que la capa de deslizamiento esté completamente erosionada, al menos en algunas partes.

Los materiales compuestos laminares clásicos presentan una capa de deslizamiento a base de plomo. Una aleación habitual es, por ejemplo, PbSn_{10}Cu_{2}. Estas capas de deslizamiento presentan bajas durezas en torno a 12-15 HV (dureza de Vicker). Poseen, por tanto, buena capacidad de embebido y son insensibles a la corrosión. Por motivos de protección laboral y protección ambiental resulta evidentemente deseable, sustituir el metal pesado plomo por otros materiales apropiados.

Un comienzo consiste en emplear capas duras como capas de deslizamiento en los cojinetes altamente cargados. Por ejemplo, por el procedimiento PVD (physical vapor deposition) se separan capas de aluminio estaño con durezas en torno a 80 HV. Éstas se encuentran libres de plomo, aunque son muy costosas en su elaboración. Estos cojinetes son muy estables al desgaste. No poseen, sin embargo, poca capacidad de embebido y se combinan, por tanto, generalmente con capas blandas conteniendo plomo como contracojinete. Por otra parte, resulta deseable sustituir el plomo por otros materiales también en los contracojinetes.

Se ha intentado emplear estaño puro como superficie de deslizamiento. Con una dureza de más o menos 10 HV es, sin embargo, aún más blando que las aleaciones de plomo convencionales y puede, por tanto, no absorber las cargas que aparecen, por ejemplo, en el cojinete principal y cojinetes de biela del cigüeñal.

En la DE 197 28 777 A1 se describe un material compuesto laminar para elementos deslizantes, cuya capa de deslizamiento consiste en una aleación libre de plomo, que presenta estaño y cobre, ascendiendo la proporción de cobre al 3-20% en peso y la proporción de estaño al 70-97% en peso. Esta capa de deslizamiento se separa galvánicamente con ayuda de un electrolito de ácido metilsulfónico con aditivos de refinado del grano. La capa de deslizamiento así producida posee la propiedad de las capas de deslizamiento a base de plomo ternarias. En la DE 197 28 777 A1 se propone además, para la mejora adicional de la resistencia al desgaste, prever partículas de material duro dispersas en el baño electrolítico, que se incorporan en la capa. Esto se relaciona, no obstante, con gastos y costes adicionales. Entre el metal antifricción y la capa de deslizamiento puede preverse una capa de níquel de 1-3 \mum de espesor junto con una capa de níquel-estaño de 2-10 \mum de espesor como barrera contra la difusión.

En la DE 197 54 221 A1 se muestra un material compuesto laminar con una capa de deslizamiento con un 3-30% en peso de cobre, un 60-97% en peso de estaño y un 0,5-10% en peso de cobalto. De este modo se obtiene un aumento adicional de la resistencia mecánica y se evita una fragilización de la capa de enlace entre la capa de deslizamiento y la barrera contra la difusión de níquel. Con el cobalto se reduce la tendencia a la difusión del estaño al níquel. La aleación del cobalto vuelve, sin embargo, el proceso de separación galvánica más complejo, lo que reduce la seguridad operacional. En los demás aspectos, puede combinarse, como en la DE 197 28 777 A1, la capa de níquel de 1-3 \mum de espesor con una capa de níquel-estaño de 2-10 \mum de espesor como barrera contra la difusión.

En la EP 1 113 180 A2 se describe un material compuesto laminar para cojinetes lisos, cuya capa de deslizamiento posee una matriz de estaño, en la que se alojan partículas de estaño-cobre, consistentes en un 39-55% en peso de cobre y el resto estaño. Aparte de esto, es característico para el material compuesto laminar que no se prevea sólo una capa intermedia de níquel de un espesor de 1-4 \mum, sino que entre la capa intermedia de níquel y la capa de deslizamiento se disponga una segunda capa intermedia de un espesor 2-7 \mum de estaño y níquel. Gracia a las capas intermedias de níquel y estaño-níquel se produce un sistema adaptado a la carga, en el que se eleva la resistencia en función de las condiciones térmicas mediante un crecimiento de la capa de estaño-níquel. A partir de este material compuesto laminar se pueden fabricar productos para mayores cargas en los motores Diesel modernos de alta carga. La capa adicional supone, sin embargo, un mayor coste técnico del proceso durante la elaboración del material compuesto laminar y, por tanto, mayores costes.

Gracias a la DE 100 32 624 A1 se conoce un cojinete liso de un metal antifricción y una capa móvil de bismuto o aleación de bismuto, que debería presentar una compatibilidad y resistencia a la fatiga mejoradas. Resulta determinante una orientación preferente especial de los cristales de bismuto, que debería poseer, frente a una orientación estadística de los cristales y frente a los monocristales, una fragilidad reducida y capacidad de ajuste mejorada. Como posibles aleaciones se hace referencia a las aleaciones del bismuto con materiales blandos como estaño, indio, antimonio y similares. Estas poseen, sin embargo, el riesgo de que, en caso de inhomogeneidades en la distribución de estos materiales en la matriz, es decir, con fluctuaciones de la concentración, se formen materiales eutécticos de bajo punto de fusión. Por tanto, los aditivos deberían limitarse, como máximo, al 5% en peso. En la práctica se ha puesto, sin embargo, de manifiesto que la formación de materiales eutécticos aparece incluso ya por debajo del límite del 5% en peso.

Es objetivo de la presente invención, superar los inconvenientes del estado de la técnica.

La presente invención se resuelve con un material compuesto laminar conforme a la Reivindicación 1. El objetivo se resuelve además con procedimientos de fabricación conformes a las reivindicaciones 9 y 12, así como aplicaciones conformes a las reivindicaciones 15 y 16.

Se ha puesto de manifiesto que la presencia de otras fases de cobre y/o plata en la matriz de bismuto aumenta la resistencia al desgaste. Aunque la capa de deslizamiento no contenga ningún plomo, presenta una de resistencia específica y propiedades de desgaste comparables a mejores que en las capas habituales a base de plomo. La capa de deslizamiento del material compuesto laminar conforme a la invención es flexible y tiene una alta capacidad de embebido para partículas de suciedad. Resulta especialmente favorable que no se forme ningún material eutéctico de bajo punto de fusión en la capa de deslizamiento.

Adicionalmente, investigaciones más exactas han demostrado que los cojinetes de este material compuesto laminar tras la admisión sobre la primera capa de deslizamiento aún relativamente blanda se estabilizan mediante el calentamiento durante la operación y conforman una superficie altamente dura. Esto ocurre mediante la formación de una capa que contiene bismuto y níquel mediante difusión del níquel en la capa de deslizamiento consistente esencialmente en bismuto. La superficie de deslizamiento resultante de este proceso ofrece alta capacidad de carga y es resistente al desgaste. En la medida en que haya disponible una capa de níquel de al menos aprox. 4 \mum de espesor, se garantiza que la capa de níquel no se transforme también completamente tras la fase de admisión.

Los metales cobre y plata pueden estar disponibles individualmente o en combinación en la matriz de bismuto. Su proporción total debería ser de entre aprox. el 0,5 y el 20% en peso. El contenido total de cobre y/o plata debería valer más favorablemente entre aprox. el 2 y el 8% en peso.

La capa de deslizamiento debería presentar favorablemente un espesor de capa de aprox. 5-25 \mum. Se prefieren especialmente los espesores de capa de aprox. 4-6 \mum para la capa intermedia de níquel y de aprox. 6-14 \mum para la capa de deslizamiento de bismuto. Para espesores de capa en estos órdenes de magnitud se garantiza que ni la capa de níquel ni la capa de deslizamiento a base de bismuto se transformen completamente de manera condicionada por la difusión. Lo mencionado podría conducir a problemas de adhesión y/o interacciones no deseadas entre el bismuto contenido en la capa de deslizamiento y el metal antifricción, por ejemplo, en metales antifricción conteniendo plomo y estaño, y a la formación de materiales eutécticos con puntos de fusión muy bajos.

Los metales antifricción son favorablemente aleaciones de cobre-aluminio, cobre-estaño, cobre-estaño-plomo, cobre-zinc, cobre-zinc-silicio, cobre-zinc-aluminio, cobre-aluminio-hierro o de cobre-zinc. Los metales antifricción son preferentemente de base cobre o aluminio, es decir, su proporción de cobre o aluminio se encuentra entre el 50 y el 95% en peso.

El material compuesto laminar se elabora conforme a la invención, de forma que sobre un conjunto de capa de soporte, capa de metal antifricción y capa intermedia de níquel se deposite la capa de deslizamiento de un electrolito de ácido metanosulfónico, tal y como se especifica en la reivindicación 9, conteniendo el electrolito un agente reticulante no-iónico y un agente de refinado del grano conteniendo ácido carbónico. En el electrolito hay resorcina como agente antioxidante. Si la capa de deslizamiento tuviera que contener también plata, se tendría que añadir tiourea como agente complejante. La tiourea desplaza los potenciales de separación partiendo de que la plata y el bismuto pueden depositarse conjuntamente.

Como agente de refinado del grano se emplea preferentemente un medio basado en un derivado acrílico de ácido y alquilarilpoliglicoléter. La compañía Enthone OMI comercializados comercializa un agente de refinado del grano bajo la designación aditivo L, Cerolyt BMM/T.

El agente reticulante no-iónico es importante ante todo en las capas de deslizamiento conteniendo cobre. Se deberían evitar las deposiciones incontroladas de cobre, particularmente sobre el dorso del cojinete. Se han mostrado especialmente favorables los agentes reticulantes no-iónicos basados en arilpoliglicoléter y/o alquilarilpoliglicoléter. Estos agentes reticulante no-iónicos son comercializados por la compañía Enthone OMI bajo la designación aditivo N, Cerolyt BMM-T.

Los cojinetes lisos o manguitos conformes a la invención presentan la gran ventaja de que, durante la admisión bajo las condiciones de operación, se forma una capa de interdifusión de bismuto y níquel, que aumenta la resistencia al desgaste. Existe la posibilidad de promover el desarrollo de la capa de interdifusión mediante envejecimiento artificial de los cojinetes lisos o manguitos. Se ha mostrado además especialmente favorable un tratamiento en caliente a aprox. 150º-170ºC, que se extienda a lo largo de de varias horas a algunos días.

El material compuesto laminar conforme a la invención resulta especialmente apropiado para la elaboración de cojinetes principales del cigüeñal y de cojinetes de biela, particularmente para el ojo grande de la biela.

La invención debería describirse más a fondo en base a un ejemplo y a las Figuras.

Muestran:

Figura 1 un corte a través de la capa metálica de soporte, la capa intermedia de níquel y la capa de deslizamiento de un material compuesto laminar conforme a la invención;

Figura 2 un corte a través de un cojinete consistente en el material compuesto laminar conforme a la invención tras la fase de admisión y

Figura 3 la distribución de elementos en el cojinete conforme a la Figura 2 en la zona III-III mediante análisis de la energía de dispersión de rayos X.

Sobre un cojinete prefabricado de un grupo formado por acero y un metal antifricción de CuPb_{22}Sn se aplica, tras un tratamiento previo apropiado, una barrera contra la difusión del níquel de un electrolito de Watt de níquel.

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Sobre la capa intermedia de níquel así producida se electrodeposita la capa de deslizamiento a base de bismuto. Para ello se emplea el siguiente sistema electrolítico de base acuosa:

Bi^{3+} como metanosulfonato de bismuto: 30-40 g/l

Cu^{2+} como metanosulfonato de cobre: 1-5 g/l

Ag^{+} como metanosulfonato de plata: 0,1-2 g/l

Ácido metanosulfónico: 150-200 g/l

Aditivo "N" (Cerolyt BMM-T): 50-70 g/l

Aditivo "L" (Cerolyt BMM-T): 10-20 g/l

Resorcina: 2-3 g/l

Tiourea: 30-150 g/l

Al omitir el metanosulfonato de plata debería omitirse también la tiourea.

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Como material anódico se emplea bismuto. La temperatura del baño para la deposición de la capa de deslizamiento se encuentra a 15-40ºC. Como densidad de corriente se aplican 1,5-4 x 10^{-2} A/m^{2}. La distancia del ánodo al cátodo asciende a, como máximo, 350 mm. La razón superficial del ánodo respecto al cátodo debería encontrarse esencialmente en 1:1 (+/- 10%).

La Figura 1 muestra la estructura laminar del material compuesto laminar obtenido como se ha descrito anteriormente con omisión del metanosulfonato de plata y de la tiourea como dibujo seccional. Con 1 se designa además la capa de deslizamiento de cobre-bismuto de un espesor de 10,3 \mum; con 2, la capa intermedia de níquel de un espesor de 4,2 \mum y con 3, el metal antifricción de CuPb_{22}Sn.

El recorrido límite entre las dos capas 2 y 3 se caracteriza además con una línea blanca para su claro reconocimiento.

En la Figura 2 se muestra un cojinete del material compuesto laminar mostrado en la Figura 1 tras el ajuste del estado operacional, es decir, tras la fase de admisión, como dibujo seccional. Para ello se trató el cojinete en caliente durante 500 h a 150ºC. Por difusión se origina la capa de bismuto-níquel de un espesor de 8,5 \mum designada con 4, que conlleva una superficie de deslizamiento con capacidad de carga y resistente al desgaste. El hecho de que se trate de una capa de bismuto-níquel se confirma mediante los resultados de un análisis de la energía de dispersión de rayos X representado en la Figura 3. Las distancias sobre el eje x coinciden con los espesores de capa apropiados en la zona III-III de la Figura 2. La capa de deslizamiento 1' y la capa de níquel 2 tienen ahora espesores menores de 3,6 \mum y 2,4 \mum, respectivamente.

Para la evaluación de la eficiencia de los cojinetes elaborados de un material compuesto laminar conforme a la invención, se efectuaron ensayos de Underwood. En este contexto, un eje rota con pesos excéntricos en bielas rígidamente montadas. El alojamiento en las bielas está formado por los cojinetes de prueba. Los cojinetes de prueba tienen un espesor de pared de 1,4 mm y un diámetro de 50 mm. La carga específica se ajusta a través del ancho del cojinete. El número de revoluciones asciende a 4000 rpm. Se midieron la fatiga de la capa de deslizamiento y el desgaste tras 250 h de duración. Los resultados obtenidos en estos ensayos se especifican en la Tabla 1 (ejemplos nº 5-8). Para comparar se indican también los valores obtenidos con los materiales conformes al estado actual de la técnica (ejemplos 1-4).

Tal y como puede deducirse de los resultados especificados en la Tabla 1, los cojinetes del material compuesto laminar conforme a la invención son claramente superiores a los cojinetes habituales con una capa de deslizamiento a base de plomo en lo que respecta a la fatiga de la capa de deslizamiento, desgaste y carga máxima hasta el desgaste total. Los cojinetes con capa intermedia de níquel más espesa conforme a la invención presentan, para la misma capa de cubierta, frente a aquellos con capa intermedia de níquel más delgada, un límite de carga claramente mayor (ver ejemplos 4,5) Mediante el empleo adicional de aditivos de plata y cobre se mejora significativamente la resistencia al desgaste frente a las capas de deslizamiento de bismuto puro (ejemplos 5-8)

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(Tabla pasa a página siguiente)

1

Claims

1. Material compuesto laminar, particularmente para cojinetes lisos o manguitos, con una capa portadora, una capa metálica de soporte (3) de una aleación de cobre o una aleación de aluminio, una capa intermedia de níquel (2) y una capa de deslizamiento (1), caracterizado porque la capa de deslizamiento (1) consiste en aprox. un 0-20% en peso de cobre y/o plata y el resto bismuto y el espesor de capa de la capa de níquel asciende a más de 4 \mum.

2. Material compuesto laminar acorde a la Reivindicación 1, caracterizado porque la capa de deslizamiento (1) presenta al menos aprox. un 0,5% en peso de cobre y/o plata.

3. Material compuesto laminar acorde a la Reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la capa de deslizamiento (1) consiste en aprox. un 2-8% en peso de cobre y/o plata y el resto bismuto.

4. Material compuesto laminar según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el espesor de capa de la capa de deslizamiento (1) asciende a aprox. 5-25 \mum.

5. Material compuesto laminar según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el espesor de capa de la capa de deslizamiento (1) asciende a aprox. 6-14 \mum.

6. Material compuesto laminar según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el espesor de capa de la capa de níquel (2) asciende a aprox. 4-6 \mum.

7. Material compuesto laminar según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la capa metálica de soporte (3) consiste en una aleación de cobre-aluminio, cobre-estaño, cobre-estaño-plomo, cobre-zinc, cobre-zinc-silicio, cobre-zinc-aluminio, aluminio-zinc o cobre-aluminio-hierro.

8. Material compuesto laminar según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 7, que se ha sometido a un proceso de envejecimiento y presenta una capa de interdifusión esencialmente de bismuto y níquel entre la capa intermedia de níquel y la capa de deslizamiento.

9. Procedimiento para la elaboración del material compuesto laminar según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 8 mediante electrodeposición, en el que la capa de deslizamiento se separa de un sistema electrolítico de base acuosa de la siguiente composición:

Metanosulfonato de bismuto: 20-100 g/l

Metanosulfonato de cobre: 0,1-30 g/l y/o

Metanosulfonato de plata: 0,1-2 g/l

Ácido metanosulfónico: 80-250 g/l

Agente reticulante no-iónico: 20-100 g/l

Agente de refinado del grano: 5-40 g/l

Resorcina al añadir metanosulfonato de plata adicional: 1-4 g/l

Tiourea: 30-150 g/l.

10. Procedimiento acorde a la Reivindicación 9, caracterizado porque el agente de refinado del grano a base de un derivado acrílico de ácido y alquilarilpoliglicoléter.

11. Procedimiento acorde a la Reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque el agente reticulante no-iónico se basa en arilpoliglicoléter y/o alquilarilpoliglicoléter.

12. Elaboración de cojinetes lisos o manguitos con los siguientes pasos:

: Aplicación de una aleación de cobre o de una aleación de aluminio como capa metálica de soporte sobre una capa portadora;

: Separación y deformación del material compuesto laminar

: Aplicación de una capa intermedia de níquel sobre la capa metálica de soporte;

: Electrodeposición de una capa de deslizamiento sobre la capa intermedia de níquel por el procedimiento acorde a las Reivindicaciones 9 a 11.

13. Elaboración acorde a la Reivindicación 12, caracterizada porque los cojinetes lisos o manguitos se tratan en caliente durante de varias horas a algunos días.

14. Elaboración acorde a la Reivindicación 13, caracterizado porque la temperatura durante el tratamiento en caliente asciende a 150-170ºC.

15. Empleo del material compuesto laminar acorde a la Reivindicación 1 a 8 como cojinete principal del cigüeñal.

16. Empleo del material compuesto laminar acorde a la Reivindicación 1 a 8 como cojinete de biela, particularmente en el ojo grande de la biela.