PL186660B1

PL186660B1 - Tworzywo do łożysk ślizgowych

Info

Publication number: PL186660B1
Application number: PL98337828A
Authority: PL
Inventors: Thomas Steffens; Werner Schubert
Original assignee: Ks Gleitlager Gmbh
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2004-02-27
Also published as: DE19730549A1; US6335106B1; DE59802159D1; WO1999004049A3; WO1999004049A2; PL337828A1; BR9811505A; DE19730549C2; EP0996753A2; ES2167928T3; EP0996753B1; ATE208834T1

Abstract

1 . Tworzywo do lozysk slizgowych ze stopu aluminiowego, zawierajace stop aluminiowy z za- wartoscia cyny 10 do 25 % wag. i dodatkami miedzi, niklu i manganu, znamienne tym, ze ma mie- dzymetaliczna faze i zawiera miedz, nikiel i mangan w ilosci od 0,2 do 2 % wag. i krzem w ilosci od 0,2 do 2 % wag., przy czym stosunek zawartosci miedzi do zawartosci niklu i zawartosci manganu do zawartosci krzemu wynosi pomiedzy 0,6 i 1,5. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest tworzywo do łożysk ślizgowych ze stopu aluminiowego zawierające stop aluminiowy z zawartością cyny 10 do 25 % wag. i dodatkami miedzi, niklu i manganu.

Tworzywo do łożysk ślizgowych tego rodzaju jest znane na przykład z opisu DE 40 04 703 Al. W przykładzie wykonania podano stop aluminiowy o składzie AlSnlONi2MnlCuO,5, przy czym w miejsce dodatku cyny może być zastosowany dodatek ołowiu. Przy tego rodzaju stopach aluminiowych, stosowanych jako tworzywo do łożysk ślizgowych, potrzebna jest „miękka faza” w postaci wydzielonej cyny lub także ołowiu dla zagwarantowania dobrych właściwości biegu awaryjnego łożyska, wykonanego z tego tworzywa. Twarde cząstki brudu i starte opiłki zostają w tej miękkiej fazie przejęte i wtopione. Miękka faza posiada także możliwość dopasowania się do warunków geometrycznych. Miękka faza z nierozpuszczalnej w aluminium cyny ma postać blokowych wydzielin i jest przejmowana przez aluminium, tworzące osłonę.

Aby podwyższyć wytrzymałość osłony aluminiowej, znane jest dodawanie miedzi. Miedź z aluminium tworzy fazy międzymetaliczne, tzw. fazy tworzyw twardych, jak A1₂C, które powodują zwiększenie wytrzymałości osłony aluminiowej oraz umożliwią jak najdrobniejsze rozdzielenie wydzielin << 1 pm). Dzięki temu właśnie zostaje podwyższona obciążalność i wytrzymałość zmęczeniowa tworzywa łożyska ślizgowego, wykonanego z takiego stopu. Tego rodzaju stop aluminiowy AlSnl5Cu2 jest znany pod nazwą handlową KS 985.3. Stop ten posiada wyróżniające właściwości trybologiczne (cierne). W przypadku jednak zastosowania tego stopu w warunkach skrajnego obciążenia, jak na przykład łożyska korbowodowe w nowoczesnych silnikach spalinowych, wymaga on ulepszenia.

186 660

Próbę ulepszenia znanego stopu aluminiowego według DE 40 04 703 Al przeprowadzono przez dodanie manganu i niklu, w wyniku czego udział fazy twardego tworzywa powinien być wyraźnie zwiększony w fazie wydzielin cyny, aby przez powinowactwo cyny do niklu i manganu osiągnąć lepsze wiązanie wytrąconej cyny w osnowie aluminiowej.

Określona część faz tworzyw twardych winna wpływać pozytywnie na odporność zużycia, gdyż znajdujące się na powierzchni fazy tworzywa twardego powodują bardzo dokładne szlifowanie ślizgowego elementu, na przykład wału korbowego, tak że wierzchołki chropowatości wykonanego ze stali elementu ślizgowego mogą być usunięte. W wyniku działania faz tworzyw twardych zostaje podwyższona obciążalność tworzywa łożyskowego.

Podwyższenie zawartości międzymetalicznych faz tworzyw twardych stwarza jednak problemy związane z wytrzymałością na zmęczenie oraz z możliwościami wykonywania tych faz. Podczas obróbki plastycznej, a zwłaszcza podczas platerowania na zimno stali i stopu aluminiowego występują rysy.

Celem więc niniejszego wynalazku jest ulepszenie opisanego na wstępie stopu tak dalece, aby posiadał on wyższą obciążalność w porównaniu ze znanymi stopami aluminium-cyna-miedź lub aluminium-cyna-miedź-nikiel, a także lepszą obrabialność plastyczną, zwłaszcza w platerowaniu.

Cel ten został osiągnięty dzięki opracowaniu tworzywa do łożysk ślizgowych według niniejszego wynalazku ze stopu aluminiowego, zawierające stop aluminiowy z zawartością cyny 10 do 25 % wag. i dodatkami miedzi, niklu i manganu, które charakteryzuje się tym, że zawiera międzymetaliczną fazę oraz miedź, nikiel i mangan w ilości od 0,2 do 2 % wag. i jako dalszy dodatek krzem w ilości od 0,2 do 2 % wag., przy czym stosunek zawartości miedzi do zawartości niklu i zawartości manganu do zawartości krzemu wynosi pomiędzy 0,6 i 1,5.

Stop aluminiowy korzystnie zawiera miedź i cynk w takiej ilości, że ma międzymetaliczną fazę AI3 (Ni, Cu). Oznacza to, że miedź i nikiel zostają dodane korzystnie w równych częściach. Uprzednio wspomniane stosunki zawartości miedzi i cynku mieszczą się korzystnie w granicach pomiędzy 0,8 i 1,2.

Okazało się, że nikiel w stopie aluminiowym tworzy, w przeciwieństwie do zawierających wyłącznie miedź międzymetalicznych faz glinowych jak Al₂Cu, stabilną termicznie fazę międzymetaliczną, która w pewnym stopniu działa jako czynnik obniżający zawartość miedzi. Dzięki temu, że miedź w trakcie obróbki cieplnej nie przemieszcza się w obrębie osnowy stopu i tym samym nie powoduje zgrubienia fazy wydzielania (mówi się tutaj o dojrzewaniu fizycznym). Tego rodzaju zgrubienie jest niepożądane, ponieważ grube osady tworzą wewnątrz stopu potencjalne miejsca zmęczeniowe i powodują tworzenie się rys i pęknięć, które pogarszają obróbkę plastyczną, a tym samym dodatkowo obniżają obciążalność. Wydzielane osady A1₂Cu skłonne są do pogrubiania się w wyniku wysokiej rozpuszczalności miedzi w krysztale aluminium.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że dodatek manganu z punktu widzenia podwyższenia wytrzymałości zmęczeniowej bez jednoczesnego dodania krzemu jest szkodliwy. Tak więc na przykład w stopie AlSnl2Cu2Mn2Ni 0,6 okazało się, że w wyniku względnie grubych osadów AI2CU i wskutek zbyt wysokiej twardości osnowy stopu, która jest spowodowana elementami miedzi i manganu, ma on niewystarczającą podatność na walcowanie. Otrzymane z tabeli 1 próby zostały wykonane jako cienkie odlewy pasmowe.

Jak to wynika z tabeli 1, według wynalazku, dodatek krzemu do stopu aluminium-cyna-miedź powoduje podwyższenie twardości i obniżenie zużycia w wyniku ścierania, ale obróbka plastyczna pogarsza się jednak przez to w znacznym stopniu. Próby zostały wykonane za pomocą odlewania ciągłego..

W przedostatnim wierszu tabeli 1 pokazano stop AlSnl2Si3Cu2Ni2Mn, który posiada twardość 49 HB 2,5/31 i wykazuje odznaczające się własności cierne. Także jednak przy tym składzie stopu obróbka plastyczna nie jest zadawalająca i występują problemy podczas walcowania.

W piątej kolumnie tabeli 1 pokazano wyniki pomiaru oporów tarcia i współczynniki jakości 1 do 10, przy czym współczynnik jakości powyżej 5 oznacza dobre własności tarcia. W tym celu tarcza ze stali korbowodowej zostaje umieszczona poziomo i wprawiona w ruch obrotowy. Do obracającej się powierzchni tarczy zostaje dociśnięty kołek lub płytkowy

186 660 odcinek testowanego tworzywa do łożysk ślizgowych przy niekorzystnych warunkach smarowania. Następnie mierzony jest czas, aż do wystąpienia pierwszych objawów zgrzewania tarciowego (zatarcia). Zadany czas został ustalony w zależności od siły docisku i prędkości obrotowej na 90 minut, co powinno odpowiadać współczynnikowi jakościowemu 10. Jeżeli pierwsze objawy zatarcia pojawiają się po 45 minutach, wtedy odpowiada to współczynnikowi jakościowemu 5, natomiast jeśli objawy zatarcia występują już w pierwszych 9 minutach, odpowiada to zupełnie niewystarczającemu współczynnikowi jakości 1. Podane w tabeli I wartości należy rozumieć jako wartości średnie, uzyskane w co najmniej pięciu badaniach kołek/tarcza.

Stop według wynalazku AlSnl2CulNilMnlSil ma twardość osnowy ponad 50 HB 2,5/31, 25/30 i bardzo dobre własności obróbki plastycznej. Współczynnik jakości dla oporu przed zatarciem wynosi 10. Ten materiał łożyskowy daje się dobrze walcować także przy dużych zgniotach i/lub wydłużeniach, wynoszących ponad 5 %. Można to wytłumaczyć współdziałaniem miedzi i niklu i współdziałaniem manganu i krzemu. Wysokie zawartości manganu i miedzi w osnowie prowadzą do wysokiej twardości osnowy (utwardzanie kryształów mieszanych). Podczas obróbki cieplnej istnieje tendencja do tworzenia się grubych względnie pogrubiających się faz twardych typu aluminium-miedź-mangan, które działają negatywnie na obróbkę plastyczną i wytrzymałość zmęczeniową.

Tabela I

Stop	Metody Odlewania	Twardość (od 250°C) HB2,5/31,25/30	Kształtowanie wtórne	Odporność na zatarcie FOM	Uwagi
AlSnl7Cu 1	K.KS	30	++	1	odpowiada KS 985
AlSnl7Cu 1 Si2		35	+	7	problemy przy walcowaniu
AlSnl7Cu 1 Si4		34	-	8	duże problemy przy walco-
AlSnl7Cu 1 Si6		37		4	waniu
AlSnl7Cu2		42	++	3
AlSnl2Cu2Mn 1NiO,3	DB	-50	+	n.b.	problemy przy walcowaniu
AlSnl 2Cu2Mn 2NiO,6		-60	-	n.b.	duże problemy przy walco-
AlSnl2Cu3Mn 1	“n”	-60	-	n.b.	waniu (zgrubne wytrącanie Ał₂Cu)
AlSnl2Cu3,5Mn 2		-70	-	n.b.	wysoka twardość Martix'a
AlSnl 2Si3Cu2Ni2	K, KS	42	+	6	problemy przy
AlSnl 2Si3Cu2Ni2Mnl	~ łł”	49	+	10	walcowaniu
AlSnl2SilCulNilMnl		£50	++	10

Objaśnienie:

K = odlew kokilowy KS = odlewanie ciągłe KS DB = cienki odlew pasmowy ++ = dający się walcować także przy dużych wydłużeniach (-50 %) + = dający się walcować tylko z małymi wydłużeniami - = złe walcowanie

Przez dodanie niklu i krzemu zapobiega się tworzeniu grubych faz zawierających aluminium-miedź-mangan, lub co najmniej ich ilość wyraźnie się zmniejsza, ponieważ zostaje korzystnie utworzony z jednej strony glinek (aluminid) nikiel-miedź, a z drugiej strony glinek mangan-krzem, który ma nieznaczną skłonność do pojawiania się zgrubień. Glinki (aluminidy) nikiel-miedź pozostają jednak, w przeciwieństwie do czystych glinków miedzi, drobno rozdzielone, także po obróbce cieplnej przy 250 stopniach. Przyczyną tego jest skrajnie mała rozpuszczalność niklu w kryształach mieszanych aluminium.

Stop (Mn)3Si2A115 jest termicznie stabilny i ma korzystną fazę wydzielania manganu w obecności krzemu, które współdziałają ze sobą. Dodatek krzemu i niklu zapobiega tym samym tworzeniu się podczas obróbki cieplnej pogrubionych glinków (aluminidów) miedź-mangan.

186 660

Krzem jest wyróżniającym się „partnerem” manganu, co z wyżej podanych powodów okazało się korzystne.

Według wynalazku istotne działanie dodanego niklu w zależności od zawartości miedzi polega na związaniu miedzi w postaci glinku nikiel-miedź, dzięki czemu wydzielanie Al₂Cu zostanie stłumione względnie zredukowane. Osady Al₂Cu wywierają szczególnie szkodliwe działanie na obróbkę plastyczną, ponieważ w przeciwieństwie do stabilnych termicznie glinków nikiel-miedź podczas obróbki cieplnej powiększają się i tworzą, przez to potencjalne punkty powstawania rys i pęknięć. Dodatkowo część miedzi odkłada się w drobno rozdzielonej postaci w osnowie.

Stopy wykonane zgodnie z tabelą II podano obróbce cieplnej przy 510°C przez osiem godzin i po ochłodzeniu w piecu zbadano ich skład. Zaobserwowano czyste fazy cynkowe i krzemowe jak również niepożądany glinek miedzi A12Cu oraz glinek mangan-krzem A115Si2(CuMnFe)3, ponieważ w wyniku wysokiego powinowactwa manganu do krzemu zawiera on miedź i żelazo, a głównie glinek nikiel-miedź A13fNiCu).

T a b e l a II

Wsad	Stop	Fazy
Sn	Si	A12Cu	A115Si2(CuMnFe)3	A13(Ni,Cu)
2167	AlSnl2CulMnl,5Si1,5	++	+	+	+	-
2168	AlSn12Cu2,5MnlSi3	++	++	++	+	-
2169	AlSnl2CulMilSilNil	++	+	0	+	+
2170	AlSnl2Cu2MdSi2Nil	++	+	+	+	+
	Oznaczenia w tabelach T1 i T2 i na fig. 1-4:	T1	T2	1	2	3

Objaśnienie:

- : nie znajduje się + : znajduje się ++ : znajduje się w dużych ilościach 0 : ledwo wykrywalne

Z tabeli II wynika, że w stopie według wynalazku AlSnl2CulMilSilNil (przedostatni wiersz) występuje wprawdzie pożądany glinek mangan-krzem i glinek miedź-nikiel, to jednak glinek miedzi jest obecny w minimalnej ilości, podczas gdy w stopie A.lSnl2Cu2MnlSi2Nil niepożądany glinek miedzi znajduje się w takiej ilości, że wywiera on negatywne działanie na obróbkę plastyczną.

W stopie AlSnl2Cu2,5MnlSi3 (drugi wiersz), który nie zawiera niklu, A12Cu występuje w większych ilościach.

Figury 1 do 4 pokazują zdjęcia fotograficzne lekko trawionego szlifu wzdłużnego stopów z tabeli II w ujęciu rastrowym po opisanej obróbce cieplnej. Fazy zgodnie z tabelą II są oznaczone strzałkami 1 do 5.

186 660

Fig. 3

Wsad 2169

AlSnl2CulMnlSilNil

Flg. 4 Wsad 2170

AlSnl2Cu2MnlSi2Nil i

186 660

V = 500

.11 »

Fig. 1

Wsad 2167

ALSnl2CulMnl,5Sil,5

Fig. 2

Wsad 2168 AlSnl2Cu2,5MnlSi3

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Tworzywo do łożysk ślizgowych ze stopu aluminiowego, zawierające stop aluminiowy z zawartością cyny 10 do 25 % wag. i dodatkami miedzi, niklu i manganu, znamienne tym, że ma międzymetaliczną fazę i zawiera miedź, nikiel i mangan w ilości od 0,2 do 2 % wag. i krzem w ilości od 0,2 do 2 % wag., przy czym stosunek zawartości miedzi do zawartości niklu i zawartości manganu do zawartości krzemu wynosi pomiędzy 0,6 i 1,5.
2. Tworzywo według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek zawartości miedzi do zawartości niklu wynosi 0,8 i 1,2.
3. Tworzywo według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek zawartości manganu do zawartości krzemu wynosi pomiędzy 0,8 i 1,2.
4. Tworzywo według zastrz. 1, znamienne tym, że jako międzymetaliczną fazę zawiera A13(Ni, Cu), która tworzy osady materiałów twardych.
5. Tworzywo według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera miedź i nikiel w ilości 0,7 -1,3 % wag.
6. Tworzywo według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera mangan i krzem w ilości 0,7 -1,3 % wag.
7. Tworzywo według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera cynę w ilości 10 do 20, korzystnie 10 do 15% wag.
8. Tworzywo do łożysk ślizgowych ze stopu aluminiowego zawierające stop aluminiowy z zawartością cyny 10 do 25 % wag. i dodatkami miedzi, niklu i manganu, znamienne tym, że posiada twardą metaliczną warstwę ochronną zwłaszcza nawalcowaną metaliczną warstwę ochronną która zawiera tworzywo łożyskowe.