ES2348175T3

ES2348175T3 - Material compuesto para cojinete liso, uso y procedimiento de fabricación.

Info

Publication number: ES2348175T3
Application number: ES06753596T
Authority: ES
Inventors: Philippe Damour; Neil Graham; Gerd Andler; Maik Wilhelm; Uwe Lehmann
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2010-11-30
Anticipated expiration: 2026-05-13
Also published as: WO2006120023A3; PL1885895T3; US8241758B2; BRPI0610282A2; DE502006007696D1; EP1885895B1; JP5154409B2; ATE478161T1; DE102005023307B4; KR101319814B1; KR20080017353A; WO2006120022A3; DE102005023307A1; WO2006120022A2; US20100323218A1; EP1885895A2; JP2008540838A; WO2006120023A2

Abstract

- Material compuesto para cojinete liso con una capa de soporte que presenta una aleación de cobre del 0,5 - 5 % en peso de níquel, el 0,2 - 2,5 % en peso de silicio, <= 0,1 % en peso de plomo, opcionalmente adicionalmente con el 0,05 al 2 % en peso de manganeso y/o el 0,05 al 0,4 % en peso de elementos de microaleación y el resto cobre y con una capa de deslizamiento aplicada directamente sobre la capa de soporte mediante un procedimiento de PVD.

Description

La invención se refiere a un material compuesto para cojinete liso según la reivindicación

1. Además, la invención se refiere a un uso y a procedimientos de fabricación.

Por el documento DE 44 15 629 C1 se conoce el uso de una aleación de cobre-níquelsilicio para la fabricación de objetos resistentes al desgaste con propiedades de funcionamiento en caso de emergencia como, por ejemplo, pistones de colada de máquinas de colada a presión. La aleación descrita en el documento DE 44 15 629 C1 está constituida por el 1 -4 % de níquel, el 0,1 -1,5 % de silicio y el resto cobre y se utiliza como material macizo.

El documento US 2.137.282 describe una aleación del 0,1 -30 % de níquel, el 0,05 -3 % de silicio y el resto cobre. Esta aleación destaca después del tratamiento térmico correspondiente por grandes durezas y buenas conductividades eléctricas.

El documento US 1.658.186 describe una aleación de cobre-níquel-silicio, tratándose con todo detalle los siliciuros que actúan de partículas duras. Se especifican distintos procedimientos de tratamiento térmico para ajustar la dureza.

Otra aleación de cobre-níquel-silicio se encuentra en el documento US 2.241.815, encontrándose la proporción de níquel en el 0,5 -5 % y la proporción de silicio en el 0,1 -2 %.

El documento US 2.185.958 describe aleaciones de 1 % de níquel, él 3,5 % de silicio y el resto cobre, así como del 1,5 % de silicio y el 1 % de níquel, así como el resto cobre.

Por el documento DE 36 42 825 C1 se conoce un material para cojinete liso constituido por el 4 al 10 % de níquel, el 1 -2 % de aluminio, el 1 -3 % de estaño y el resto cobre, así como impurezas habituales, que deberá presentar una alta resistencia y gran vida útil. A partir de este material para cojinete liso se fabrican camisas de material macizo.

El documento GB 2384007 describe un material compuesto para cojinete liso con un contrafilo de acero sobre el que se aplica una capa de sinterización de una aleación de cobre que presenta una dureza de cómo máximo 130 HV. La aleación de cobre presenta el 1 -11 % en peso de estaño, hasta el 0,2 % en peso de fósforo, como máximo el 10 % en peso de níquel o plata, como máximo el 25 % en peso de plomo y bismuto.

Los materiales compuestos para cojinetes lisos en los que una capa de deslizamiento se pulveriza sobre una capa de metal del cojinete están provistos de capas intermedias de níquel, de una aleación de níquel, de níquel-cromo, de cinc o de una aleación de cinc como esto se describe en el documento DE 43 28 921 A1. Si se usa una aleación de Cu como aleación del cojinete y si se usa una aleación que contiene Sn para la capa superior, entonces el Sn difunde con el transcurso del tiempo en la aleación de Cu, por lo que disminuye el contenido de Sn de la capa superior. Al mismo tiempo se produce un compuesto de CuSn frágil en la superficie del compuesto, por lo que se reduce la resistencia de unión. Considerando esto, la capa intermedia de Ni o una aleación de Ni se forma sobre la aleación del cojinete mediante proyección o pulverización o mediante metalización electrolítica. Entonces, sobre ésta se forma la capa superior mediante deposición de vapor, por lo que puede obtenerse una unión más estable.

En el documento DE 28 53 774 también se mencionan capas de barrera a la difusión.

El documento DE 195 25 330 describe un material en capas en el que directamente sobre un material de soporte se pulveriza un material de cojinete. Como material de soporte puede usarse un metal de soporte de acero sobre el que pueda aplicarse el material de cojinete sin otra capa intermedia. Pero también existe la posibilidad de usar como material de soporte un material de soporte que contiene cobre, especialmente uno de una aleación de cobre-plomo-estaño. Por ejemplo, el material de soporte puede estar constituido por CuPb22Sn.

Si la proporción de plomo del material de soporte se encuentra en el orden de magnitud de la proporción de plomo del material de cojinete, entre ambos materiales no existe ningún o sólo un pequeño gradiente de concentración, de manera que tampoco pueden tener lugar procesos de difusión entre el material de cojinete y el material de soporte. Si el material de soporte presenta una concentración de plomo superior a la del material de cojinete, adicionalmente se favorece la migración del plomo a la superficie del material de cojinete. La aleación de cobre-plomo-estaño que forma el material de soporte puede chaparse por colada sobre un metal de soporte de acero.

Es objetivo de la invención poner a disposición un material compuesto para cojinete liso con capas de deslizamiento pulverizadas que, en lo referente a sus propiedades de resistencia y tribológicas, sea comparable a los materiales compuestos conocidos, pudiendo renunciarse independientemente de la composición de la capa de deslizamiento a capas de barrera a la difusión. También es un objetivo especificar un uso y procedimientos de fabricación.

Este objetivo se alcanza con un material compuesto para cojinete liso según la reivindicación 1.

Se ha comprobado que en las aleaciones de cobre reivindicadas con proporciones de níquel y silicio estos componentes actúan de forma inhibitoria de la difusión, especialmente sobre el aluminio y el estaño, de manera que casi no se produce una difusión. Nunca puede excluirse una pequeña difusión, pero a este respecto sólo se forma una capa intermedia extremadamente fina que no conduce a un desprendimiento de la capa de deslizamiento aplicada sobre la aleación de cobre.

Otras ventajas de estas aleaciones de cobre consisten en que pueden ajustarse en un amplio intervalo en lo referente a su estructura y, por tanto, a sus propiedades mecánicas. Por tanto, es posible ajustar la resistencia y las propiedades mecánicas de forma que la aleación de cobre asuma la función del contrafilo de acero que, por tanto, puede suprimirse. Al mismo tiempo, estas aleaciones de cobre poseen excelentes propiedades de amortiguación a pesar de la

La fabricación del elemento de cojinete liso a partir de un material compuesto para cojinete liso tal se simplifica debido a la renuncia al contrafilo de acero y, por tanto, es más rentable.

En el caso de estas aleaciones, la relación favorable de módulo de elasticidad y resistencia ajustable ha resultado especialmente ventajosa para la utilización como cojinete liso para motores altamente cargados.

Otra ventaja consiste en que los coeficientes de dilatación térmica de las aleaciones de cobre se encuentran en el orden de magnitud de los coeficientes de dilatación térmica para el aluminio, de manera que los casquillos de cojinetes lisos a partir del material compuesto según la invención pueden utilizarse preferiblemente en carcasas de aluminio. Por tanto, a altas temperaturas se garantiza al igual que antes un buen asiento a presión.

El ajuste de la resistencia de la aleación de cobre se realiza preferiblemente mediante un tratamiento termomecánico, especialmente mediante laminado y recocido.

Los procedimientos de fabricación de material en banda según la invención para el material compuesto para cojinete liso prevén las siguientes etapas de procedimiento:

Fabricar el material en banda a partir de una aleación de cobre-níquel-silicio con posterior

tratamiento termomecánico con las siguientes etapas:

Primer recocido del material en banda a temperaturas superiores a 500 ºC durante

al menos 3 horas, al menos un primer laminado del material en banda,

realizándose un grado de deformación de al menos el 20 %, al menos un segundo

recocido a temperaturas superiores a 500 ºC, y al menos un segundo laminado del

material en banda, realizándose un grado de deformación superior al 30 %.

Preferiblemente, el segundo recocido se realiza continuamente en una instalación de recocido de bandas con una velocidad de alimentación de la banda de al menos 3 m/min, especialmente de 3 -5 m/min a temperaturas >500 ºC.

Mediante la segunda etapa de laminado se ajusta la resistencia del material en banda, realizándose preferiblemente valores de resistencia a la tracción de 550 a 750 MPa.

La estructura después del tratamiento termomecánico destaca por una estructura de matriz rectilínea, presentándose dentro de esta estructura de líneas finas deposiciones intermetálicas uniformemente distribuidas basadas en NiSi.

Los valores de resistencia a la tracción mencionados se encuentran claramente por encima de los del acero del material compuesto de acero, que ya se deformaría plásticamente con menor carga, lo que conduce a un aumento del juego del cojinete liso fabricado a partir del material para el cojinete compuesto y a una pérdida de las propiedades de amortiguamiento. La ventaja de las aleaciones de cobre según la invención consiste en que el límite de alargamiento puede aumentarse tanto que a alta carga del cojinete pueden conservarse las propiedades elásticas.

Generalmente se prefijan el espesor del material en banda de partida, así como el espesor final del material en banda. Por tanto, para obtener diferentes valores de resistencia, el primer laminado se realiza preferiblemente con grados de deformación tales que en el segundo laminado se ajusten valores de resistencia deseados. Esto significa, por ejemplo, que para alcanzar altos valores de resistencia en el primer laminado sólo se realiza una pequeña reducción del espesor, mientras que para valores de resistencia bajos en el primer laminado ya se alcanzan altos grados de deformación.

Para la fabricación de elementos de cojinetes lisos, después de la división longitudinal de la banda se separan pletinas y las pletinas se deforman mediante etapas de deformación conocidas para dar elementos de cojinetes lisos. El proceso final representa el procesamiento de superficies de deslizamiento y la aplicación de la capa de deslizamiento.

La capa de deslizamiento se aplica mediante el procedimiento de PVD, especialmente mediante pulverización. Dado el caso, sobre la capa de deslizamiento se aplica todavía una capa de rodaje.

Mediante la capa de deslizamiento se ajustan las propiedades tribológicas del material compuesto.

En la aleación de cobre-níquel-silicio, la proporción de níquel se encuentra en el 0,5 -5 % en peso, preferiblemente en el 1,0 al 3,0 % en peso, especialmente en el 1,5 al 2,2 % en peso, y la proporción de silicio en el 0,2 -2,5 % en peso, preferiblemente en el 0,4 al 1,2 % en peso, o en el 0,5 al 1,5 % en peso.

La aleación de cobre-níquel-silicio puede presentar el 0,05 -2,0 % en peso de manganeso, preferiblemente el 0,15 -1,5 % en peso.

Se ha mostrado que a una relación en peso de níquel con respecto a silicio entre 2,5 y 5 (níquel : silicio = 2,5 a 5) pueden mejorarse las propiedades tribológicas, especialmente puede reducirse claramente un fresado del material de cojinete. A estas relaciones de peso se favorecen los compuestos de níquel-silicio responsables de las buenas propiedades tribológicas y se forman de manera satisfactoria.

Las aleaciones de cobre pueden presentar otros elementos de microaleación. Preferiblemente, la capa de soporte presenta el 0,05 -0,4 % en peso, preferiblemente el 0,075 al 0,25 % en peso, de al menos un elemento de microaleación. Como elementos de microaleación se consideran, por ejemplo, cromo, titanio, circonio, cinc y magnesio, por separado o en combinación.

Las capas de pulverización están constituidas preferiblemente por una aleación de

Preferiblemente, en estas aleaciones la proporción de estaño asciende al 8 -40 % en peso, la proporción de cobre al 0,5 -4,0 % en peso, la proporción de silicio al 0,02 -5,0 % en 5 peso, la proporción de níquel al 0,02 -2,0 % en peso y la proporción de manganeso al 0,02 -2,5

% en peso.

Se ha mostrado que con estas capas de pulverización en combinación con las aleaciones de cobre reivindicadas no se forman fases frágiles que conducen al desprendimiento de la capa de deslizamiento. Por tanto, puede renunciarse a una capa intermedia, por lo que se consiguen

10 considerables ahorros de costes. El espesor de la capa de soporte se encuentra preferiblemente en 1,2 -4 mm, preferiblemente en 1,3 -3,5 mm, especialmente en 1,4 -3,0 mm. El espesor de la capa de deslizamiento asciende a preferiblemente 4 -30 µm, preferiblemente 8 -20 µm, especialmente 10 -16 µm 15 El espesor de la capa de rodaje se encuentra en 0,2 -12 µm, preferiblemente en 0,2 a 6 µm, especialmente en 0,2 a 3 µm. Los usos preferidos del material compuesto para cojinete liso son aquellos para casquillos de cojinetes lisos. Aleaciones de cobre a modo de ejemplo son: 20 Tabla 1 (datos en % en peso)

Ejemplo: 1 2 3 4 5

Ni: 1,9 1,5 0,8 3,8 2,8

Si: 0,6 0,5 0,25 1,2 0,8

Mn: 0,15 0,05 0,05 0,1 0,05

Pb: <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

Cr: 0,15 0,15

Ti: 0,15

Zr: 0,2 0,15

Cu: Resto Resto Resto Resto Resto

Un procedimiento a modo de ejemplo prevé las siguientes etapas de procedimiento: -Colada continua de una aleación de cobre, por ejemplo, doble colada continua, con un ancho de 300 mm y un espesor de 10 mm para la fabricación del material en banda -Fresado por ambas caras y posterior bobinado del material en banda. Luego sigue la primera etapa de recocido en un horno de campana a 650 ºC durante 4 horas. A continuación de esto se realiza un primer laminado con 3 etapas de laminado. En las tres

etapas de laminado se realiza una deformación del 31 %, realizándose en la primera etapa de laminado el espesor a 5,5 mm, en la segunda etapa de laminado a 3,8 mm y en la etapa de laminado a 2,6 mm.

A continuación, la banda se recuece a 650 ºC en una instalación de recocido de bandas

5 con una velocidad de avance de 4 m/min. A continuación le sigue un segundo laminado con una etapa de laminado con un grado de deformación del 40 %, reduciéndose el espesor a 1,56 mm. A continuación se realiza una división longitudinal con dimensiones de 95 mm de ancho x 1,56 mm de espesor. Ejemplos de capas de pulverización se resumen en la Tabla 2.

10 Tabla 2 (datos en % en peso)

Ejemplo: 1 2 3 4 5

Al: Resto Resto Resto Resto Resto

Sn: 22 35 25 10 20

Cu: 0,7 1,2 0,7 0,5 0,5

Si: 2,5 1,5

Mn: 1,5

Ni: 0,7 0,7

Todas las capas de deslizamiento mencionadas pueden combinarse con capas de soporte de las aleaciones de cobre.

Como capas de recubrimiento sobre estas combinaciones de capas pueden utilizarse capas de estaño o indio puro, así como todas las capas galvánicas y de plástico mencionadas, 15 pudiendo elegirse la capa de rodaje preferiblemente más blanda que la capa de deslizamiento

utilizada.

Claims

1.-Material compuesto para cojinete liso con una capa de soporte que presenta una aleación de cobre del 0,5 -5 % en peso de níquel, el 0,2 -2,5 % en peso de silicio, ≤ 0,1 % en peso de plomo, opcionalmente adicionalmente con el 0,05 al 2 % en peso de manganeso y/o el 0,05 al 0,4 % en peso de elementos de microaleación y el resto cobre y con una capa de deslizamiento aplicada directamente sobre la capa de soporte mediante un procedimiento de PVD.

2.-Material compuesto para cojinete liso según la reivindicación 1, caracterizado porque la aleación de cobre presenta el 0,05 -2 % en peso de manganeso.

3.-Material compuesto para cojinete liso según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la relación en peso de níquel respecto a silicio se encuentra entre 2,5 y 5.

4.-Material compuesto para cojinete liso según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la capa de soporte presenta el 0,05 -0,4 % en peso de elementos de microaleación.

5.-Material compuesto para cojinete liso según la reivindicación 4, caracterizado porque los elementos de microaleación son cromo, titanio, circonio, cinc, magnesio y/o manganeso.

6.-Material compuesto para cojinete liso según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la capa de deslizamiento se aplica mediante pulverización.

7.-Material compuesto para cojinete liso según la reivindicación 6, caracterizado porque la capa de pulverización está constituida por una aleación de aluminio-estaño, aleación de aluminioestaño-silicio, aleación de aluminio-estaño-cobre, una aleación de aluminio-estaño-silicio-cobre o una aleación de aluminio-estaño-níquel-manganeso.

8.-Material compuesto para cojinete liso según la reivindicación 7, caracterizado porque en las aleaciones la proporción de estaño asciende al 8 -40 % en peso, la proporción de cobre al 0,5 -4,0 % en peso, la proporción de silicio al 0,02 -5,0 % en peso, la proporción de níquel al 0,02 -2,0 % en peso y la proporción de manganeso al 0,02 -2,5 % en peso.

9.-Material compuesto para cojinete liso según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque sobre la capa de deslizamiento está prevista una capa de rodaje.

10.-Material compuesto para cojinete liso según la reivindicación 9, caracterizado porque la capa de rodaje se realiza como capa de estaño, plomo, cobre o indio o como capa de plástico.

11.-Material compuesto para cojinete liso según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el espesor de la capa de soporte asciende a 1,2 -4 mm.

12.-Material compuesto para cojinete liso según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el espesor de la capa de deslizamiento asciende a 4 -30 µm.

13.-Material compuesto para cojinete liso según una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque el espesor de la capa de rodaje asciende a 0,2 a 12 µm.

14.-Uso de un material compuesto para cojinete liso según la reivindicación 1 para casquillos de cojinetes lisos.

15.-Procedimiento para la fabricación de material en banda, especialmente para elementos de cojinetes lisos, tales como casquillos de cojinetes lisos, con las siguientes etapas de procedimiento:

-fabricación de material en banda a partir de una aleación de cobre según la reivindicación

1,

-tratamiento termomecánico del material en banda con las siguientes etapas:

-al menos un primer recocido del material en banda a una temperatura superior a

500 ºC durante al menos 3 horas

-al menos un primer laminado del material en banda, realizándose un grado de

deformación de al menos el 20 %,

-al menos un segundo recocido a una temperatura superior a 500 ºC y

-al menos un segundo laminado del material en banda, realizándose un grado de

deformación superior al 30 %.

16.-Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque el segundo recocido se realiza continuamente en una instalación de recocido de bandas con una velocidad de alimentación de al menos 3 m/min a temperaturas >500 ºC.

17.-Procedimiento para la fabricación de elementos de cojinetes lisos, especialmente de casquillos de cojinetes lisos, caracterizado

porque se fabrica un material en banda según la reivindicación 15 ó 16,

porque del material en banda se separan pletinas,

porque estas pletinas se deforman para dar elementos de cojinetes lisos, y

porque se pulveriza sobre una capa de deslizamiento.

18.-Procedimiento según la reivindicación 17, caracterizado porque después de la pulverización de la capa de deslizamiento se aplica una capa de rodaje.