SK285110B6 - Ložisková zliatinová kompozícia a klzné ložisko - Google Patents

Abstract

Opisuje sa ložisko a ložisková zliatinová kompozícia, pričom ložisková zliatina pozostáva z 5 až 10 % hmotnostných cínu, z 0,7 až 1,3 % hmotnostných medi, z 0,7 až 1,3 % hmotnostných niklu, z 1,5 až 3,5 % hmotnostných kremíka, z 0,1 až 0,3 % hmotnostných vanádu, z 0,1 až 0,3 % hmotnostných mangánu, zvyšok tvorí hliník popri nevyhnutných nečistotách.

Description

Oblasť techniky

Predložený vynález sa týka ložiskových materiálov obsahujúcich hliníkové zliatiny naviazané na silný nosný materiál.

Doterajší stav techniky

Vo vysokovýkonných interných spaľovacích motoroch sa konvenčné používajú hriadeľové ložiská pozostávajúce buď zo zliatiny na báze medi alebo zliatiny na báze hliníka nejakým spôsobom naviazanej na pevný nosný alebo substrátový materiál, napríklad oceľ. Vlastný pracovný povrch ložiskovej zliatiny, t. j. povrch, ktorý je vystavený pôsobeniu povrchu ložiskového čapu hriadeľa motora, je tiež vybavený takzvaným povlakom, čo je tenký povlak relatívne mäkšej kovovej zliatiny, napríklad oloveno-cínovej, oloveno-cínovomedenej alebo oloveno-indiovej. Účelom povlaku je zabezpečiť ložisku vlastnosti prispôsobivosti a pohltivosti nečistôt. Prispôsobivosť je vlastnosť ložiska, ktorá umožňuje kompenzovať jemné mechanické nerovnosti medzi povrchmi ložiska a hriadeľa a je mierou schopnosti povlakovej zliatiny distribuovať pôsobiacu záťaž. Pohltivosť nečistôt je vlastnosť, ktorá umožňuje zatlačenie čiastočiek nečistôt v mazacom oleji do mäkkej povlakovej zliatiny bez toho, aby sa spôsobilo poškodenie, napríklad poškriabanie hriadeľa. Hoci technické výhody ložísk s povlakom sú neodškriepiteľné, majú významnú nevýhodu vysokej ceny v dôsledku toho, že povlak sa nanáša galvanickým pokovovaním, čo je pomerne veľmi prácny proces.

Výrobcovia motorových vozidiel častejšie žiadajú ložiská, ktoré nemajú povlaky, pretože sú lacnejšie. Ale niektoré motory, hoci nemajú osobitne vysoký špecifický výkon, vzhľadom na svoju konštrukciu majú vysokú záťaž ložísk hriadeľa, alebo majú veľmi tenké olejové filmy medzi ložiskom a ložiskovým čapom hriadeľa a sú preto náchylné na odieranie povrchu ložiska. K odieraniu dochádza tam, kde sa vyskytuje kontakt kovu s kovom medzi povrchom ložiskového čapu hriadeľa a povrchom ložiska, t. j. olejový film sa v bode kontaktu preruší a umožni kontakt kovu s kovom. Odieranie sa vzťahuje momentálny kontakt kovu s kovom bez vlastného zaseknutia a následného zlyhania ložiska. Ale zatiaľ čo ložiská s povlakom sú osobitne odolné proti odieraniu, väčšina konvenčných zliatin na báze medi a hliníka je pomerne slabá, čo sa týka odolnosti proti odieraniu. Schopnosť vydržať odieranie je mierou prispôsobivosti zliatiny. Na rozdiel od odierania zasekávanie súvisí s nedostatkom kompatibility zliatiny.

Jeden známy materiál, ktorý pozostáva z hliníka (6 % hmotn.), cínu (1 % hmotn.), medi (1 % hmotn.) a niklu, má dobrú odolnosť proti odieraniu, ale má pomerne nízku medzu únavy a húževnatosť v stave bez povlaku, čo ho robí nevhodným pre modernejšie výkonné motory. Nízka medza únavy a húževnatosť j c dôsledkom nízkej ťažnosti tejto zliatiny.

Aby sa zvládla záťaž kladená na tieto materiály modernými motormi, je potrebná zliatina s významne zlepšenými mechanickými vlastnosťami, totiž pevnosťou v ťahu (15 %), tvrdosťou (15%) a medzou únavy (16%), v porovnaní s jednou z najsilnejších známych hliníkových ložiskových zliatin pozostávajúcou z nasledujúcich prvkov: hliník (12 % hmotn.), cín (4 % hmotn.), kremík (1 % hmotn.) a meď, ktorá je v roztokovo tepelne spracovanej forme. Kým pevnosť tejto zliatiny by sa dala zvýšiť zvýšením obsahu medi, vyrába sa ťažko a draho zvyčajnými výrobnými spôsobmi odlievaním ingotov, valcovaním na určitú veľkosť a navalcovaním na o ceľ vzhľadom na malé zníženie veľkosti, ktoré je možné pri každom prechode valcom pred tepelným spracovaním žíhaním.

GB-A-2271779 opisuje hlinikovo-cínovo-kremíkovú ložiskovú zliatinu, ktorá môže ďalej obsahovať aspoň jeden z prvkov Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr a/alebo B v množstve od 0,1 do 3,0 % hmotnostných na jeden prvok. Popri týchto prvkov zliatina ďalej obsahuje 0,2 až 5,0 % hmotnostných Cu, 0,1 až 3,0 % hmotnostých Pb, 0,1 až 3,0 % hmotnostných Sb a 0,01 až 1,0% hmotnostných Ti ako ďalšie legujúce prvky. Vysvetľuje sa tu, že ak obsah voliteľných prakov Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr a B stúpne nad 3,0 % hmotnostné, prispôsobivosť ložiska sa môže zhoršiť a spracovateľnosť ložiskovej zliatiny sa môže znížiť.

Aj GB-A-2266564 sa zaoberá ložiskovými zliatinami na báze hliníka podobnými ako v opísanom GB'779. Aj v tomto prípade zliatina výhodne obsahuje aspoň jeden alebo dva ďalšie praky - od 0,2 do 5,0 % hmotnostných Cu, od 0,1 do 3,0 % hmotnostných Pb, od 0,1 do 3,0 % hmotnostných Sb, Mn, Mg, V a Ni a 0,01 až 1,0 % hmotnostných Ti, pričom celkové množstvo Mn, Mg, V a Ni je v rozmedzí od 0,01 do 3,0 % hmotnostných.

Zliatiny vyrobené podľa návodov uvedených dvoch dokumentov sú však prakticky nespracovateľné normálnymi výrobnými metódami odlievania a valcovania s nasledujúcim navalcovaním vzhľadom na slabú ťažnosť a pre krehkosť zliatin. To platí, keď je obsah legujúcich prakov malým zlomkom uvedených hodnôt.

Podstata vynálezu

Cieľom predloženého vynálezu je poskytnúť hliníkovú zliatinu s vyššou pevnosťou a odolnosťou proti odieraniu ako známe zliatiny, pričom sa zachová nenáročnosť výroby.

Podľa prvého aspektu predloženého vynálezu sa poskytuje ložisková zliatinová kompozícia obsahujúca v hmotnostných percentách: cín 5 až 10; meď 0,7 až 1,3; nikel 0,7 až 1,3; kremík 1,5 až 3,5; vanád 0,1 až 0,3; mangán 0,1 až 0,3; zvyšok tvorí hliník popri nevyhnutných nečistotách.

Obsah cínu leží výhodne v rozmedzí od 5,5 do 7% hmotnostných.

Testovanie ložísk prekvapujúco ukázalo, že keď obsah kremíka klesne pod 1,5 % hmotnostných, zvýši sa výskyt zaseknutí. Keď obsah kremíka presiahne 3,5 %, kremíková sieť má tendenciu byť hrubšia a významne sa zvýši výskyt praskania počas spracovania zliatiny napríklad valcovaním, čo vyžaduje dodatočné tepelné spracovanie a menšie zníženie rozmeru pri jednom prechode valcom, čim sa zvyšujú výrobné náklady. Obsah kremíka sa výhodne udržiava v rozmedzí od 2 do 3 % hmotnostných.

Je známe, že prídavky medi a niklu zvyšujú pevnosť ložiskových hliníkovo-zliatinových materiálov. Prídavky pod 0,7 % hmotnostných nevedú k požadovanému efektu zníženia pevnosti, zatiaľ čo prídavky nad 1,3 % hmotnostných robia zliatinu ťažko spracovateľnou. Pri vyšších obsahoch medi a niklu sú možné len pomerne malé zníženia rozmerov pri valcovaní pred potrebnými tepelnými spracovaniami žíhaním, čo zvyšuje cenu materiálu.

Vanád má efekt zvyšovania húževnatosti zliatiny. Pod 0,1 % hmotnostného efekt rýchlo mizne, zatiaľ čo nad 0,3 % hmotnostného dochádza k efektu zvyšovania krehkosti. Obsah vanádu sa výhodne udržiava maximálne na 0,2 % hmotnostného.

Mangán, okrem toho, že je chemickým zosilňovačom zliatin, jc známym činidlom zlepšujúcim zrnitosť, ktoré zabezpečuje menšie zrná a tým vyššiu pevnosť, ako by sa do siahla bez neho. Pod 0,1 % hmotnostného je efekt zmenšovania zŕn malý, zatiaľ čo nad 0,3 % hmotnostných mangánu sa spracovanie zliatiny stáva ťažkým a drahým, pretože vyžaduje znížené zmenšenie rozmeru pri valcovaní a dodatočné tepelné spracovanie.

Zistili sme, že kombinácia týchto dvoch dodatočných prvkov - vanádu a mangánu - v malých množstvách v rámci predpísaných limitov má synergický účinok, pri ktorom sa pevnosť zliatiny výrazne zvýši a, čo je rovnako dôležité, nemá to významný nepriaznivý dopad na prispôsobivosť a kompatibilitu zliatiny. Testy ukázali, že zliatina má zlepšenú medzu únavy a odolnosť odieraniu pri porovnateľných záťažiach proti známym pevným hliníkovým zliatinám, pričom si udržiava nenáročnosť výroby pri nízkych nákladoch na spracovanie.

Ale v typoch motorových aplikácií, na ktoré je táto zliatina určená, je to práve kombinácia zvýšenej mechanickej pevnosti spolu so zlepšenou odolnosťou proti odieraniu a prijateľná odolnosť proti zasekávaniu, ktorá je prekvapujúcim efektom zliatinovej kompozície podľa predloženého vynálezu.

Podľa druhého aspektu predloženého vynálezu sa poskytuje klzné ložisko pozostávajúce z pevného nosného materiálu s naviazanou vrstvou ložiskovej zliatiny s nasledujúcou kompozíciou v hmotnostných percentách: cín 5 až 10; meď 0,7 až 1,3; nikel 0,7 až 1,3; kremík 1,5 až 3,5; vanád 0,1 až 0,3; mangán 0,1 až 0,3; zvyšok tvorí hliník popri nevyhnutných nečistotách.

Ložisko môže obsahovať aj medzivrstvu pomerne čistého hliníka alebo hliníkovo-zliatinového materiálu medzi ložiskovou zliatinou a pevným nosným materiálom.

Týmto pevným nosným materiálom môže byť napríklad oceľ alebo bronz.

Zistilo sa, že ťažnosť zliatiny obsahujúcej vanád aj mangán je významne vyššia ako ťažnosť zliatin obsahujúcich len jeden z týchto prídavkov. Predpokladá sa, že táto vlastnosť je zodpovedná za zlepšenú odolnosť proti odieraniu tohto materiálu.

Zatiaľ čo materiál podľa predloženého vynálezu je určený predovšetkým na použitie napríklad v relatívne vysoko zaťažených motoroch náchylných na odieranie v dôsledku nízkej hrúbky olejového filmu pod náročnými pracovnými podmienkami, odborníci v oblasti ložísk budú chápať, že tento materiál by fungoval dokonale uspokojivo pri povlakoch opísaného typu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

V záujme lepšieho pochopenia predloženého vynálezu bude teraz opísaný príklad jeho uskutočnenia len ako ilustrácia a s odkazom na priložené obrázky, kde:

Obrázok l ukazuje prierez cez časť ložiska využívajúceho zliatinu podľa predloženého vynálezu so zobrazením jednotlivých vrstiev.

Obrázok 2 je stĺpcový diagram ukazujúci relatívne výsledky odolnosti odieraniu pre zliatinu podľa predloženého vynálezu a pre tri porovnávacie zliatiny.

Obrázok 3 ukazuje podobný stĺpcový graf ako obrázok 2, ale zobrazuje relatívne výsledky zasekávania pre tie isté zliatiny.

Obrázky 4A až 4C ukazujú čiastočný prierez skúšobného prístroja na určovanie miery odierania a zasekávania a grafy indikujúce testové režimy pre únavu (4B) a testovanie odierania/zasekávania (4C).

Príklady uskutočnenia vynálezu

Obrázok 1 ukazuje prierez cez časť obvodovej dĺžky v zásade polvalcového pololožiska cez rovinu kolmú na os ložiska. Ložisko 10 pozostáva z oceľovej nosnej vrstvy 12 s vrstvou 14 ložiskovej zliatiny s tenkou medzivrstvou 16 pomerne čistého hliníka medzi nimi. Postup výroby ložiska bude zrejmý z opísaného príkladu.

Ložiská vyrobené z opísaného materiálu boli vytvarované do pololožísk na testovanie. Ložiská mali hrúbku steny 1,75 mm s hrúbkou ocele 1,5 mm a hrúbkou povlaku 0,25 mm.

Ďalšie porovnávacie zliatiny so zložením podľa nižšie uvedenej tabuľky 1 sa vytvarovali do ložísk rovnakých rozmerov a testovali sa za rovnakých podmienok.

Tabuľka 1

Materiál	Zloženie
	Sn	Si	Ni	Cu	V	Mn	Al
Porovnávacia 1	12	4		1			ZV.
Porovnávacia 2	20		•	1		•	ZV.
Porovnávacia 3	12	4		2			ZV.
Zliatina podľa vynálezu	6	2,5	1	1	0,2	0,25	ZV.

Mechanické vlastnosti uvedených zliatin sú uvedené v tabuľke 2.

Tabuľka 2 - mechanické vlastnosti

Materiál	Tvrdosť povlaku (HV2,5)	UTS (MPa)	% predĺženia pri prasknutí	Húževnatosť *	Veľkosť Alzma (pm)
Porovnávacia 1	47	150	20	20	17
Porovnávacia 2	40	20	23	18	16
Porovnávacia 3	47	150	18	19	17
Zliatina podľa vynálezu	52	180	21	25	12

* Kde húževnatosť = (0,66 x UTS) x predĺženie pri prasknutí; je to vzťah medzi pevnosťou a ťažnosťou. Ide o mieru, ktorá nemá žiadne jednotky.

Vidno, že zliatina podľa vynálezu je nielen silnejšia ako porovnávacie zliatiny, ale nestráca žiadnu ťažnosť oproti zliatinám 1 a 3, ktoré sú tiež hliníkovo-cínovo-kremikovomedené zliatiny.

Ložiská sa testovali, aby sa určila ich medza únavy, záťaž, pri ktorej dôjde k odieraniu, a najvyššia záťaž, pri ktorej dôjde k zaseknutiu. Testy sa uskutočnili na známom prístroji Sapphire podľa obrázka 4A. Pristroj 20 pozostáva zo skúšobného hriadeľa 22 so stredovou výstrednou časťou 24 nesenou skúšanými ložiskami 26, 28, pričom vonkajšie konce hriadeľa sú zachytené v pomocných ložiskách 30, 32. Hriadeľom otáča hnací motor 36 a záťaž sa vyvíja na skúšané ložiská 26, 28 ojnicou 40, na ktorú sa vyvíja sila piestom 42, ktorý sa ovláda hydraulickými prostriedkami 46, 48. Tenzometer 50 meria aplikovanú záťaž. Obrázky 4B a 4C ukazujú typické režimy testovania únavy a odierania/zasekávania. Kapacita únavovej záťaže je záťaž, ktorá spôsobí únavu pri 200 hodinách chodu. Za prevádzky pristroj zobrazený na obrázku 4A vyvíja záťaž na skúšané ložiská 26, 28 pomocou výstrednej časti 24 a hydraulicky zaťažený piest 42 tým vyvíja sínusoidnú dynamickú záťaž na ložiská. Pomocou počítačového riadiaceho systému (nezobrazený) sa programované progresívne zvyšovanie záťaže stáva základom na meranie vlastností povrchu. V tomto režime zvyšovania záťaže sa minimálna hrúbka olejového filmu postupne znižuje a pomocou zvyšovania teploty sa meria záťaž, pri ktorej sa materiál zotrie alebo oderie pri kontakte s geometrickými nepresnosťami na hriadeli a/alebo záťaž, pri ktorej sa materiál privarí na hriadeľ. Odolnosť proti odieraniu je mierou prispôsobivosti materiálu, zatiaľ čo odolnosť proti zaseknutiu je mierou kompatibility.

Obrázok 4B ukazuje ilustratívny schematický graf ukazujúci, že so zvyšujúcou sa záťažou ložiska klesá počet cyklov, ktoré ložisko vydrží pred únavou. Obrázok 4C ilustruje plán testu odierania/zasekávania. Na skúšané ložisko sa aplikuje rastúca záťaž, kým nedôjde k odretiu alebo zaseknutiu. Odretie alebo zaseknutie je vo všeobecnosti indikované zvýšením teploty na povrchu ložiska. Odretie väčšinou spôsobí momentálne stúpnutie teploty, zatiaľ čo zaseknutie spôsobí dlhodobé zvýšenie teploty sprevádzané poklesom tlaku oleja. Výsledky testov sú uvedené v tabuľke 3.

Tabuľka 3

Materiál	Kapacita únavovej záťaže pri 200 hod na Sapphire I.-N	Relatívna odolnosť proti odieraniu, Sapphire	Relatívna odolnosť proti zaseknutiu, Sapphire
Porovnávacia 1	1,14	0,74	0,95
Porovnávacia 2	1	1	1
Porovnávacia 3	1,14	0,53	1
Zliatina podľa vynálezu	1,34	0,81	0,81

nostných mangánu, zvyšok tvorí hliník popri nevyhnutných nečistotách.

2. Ložisková zliatina podľa nároku 1,vyznačujúca sa tým, že obsah cínu je v rozmedzí od 5,5 do 7 % hmotnostných.

3. Ložisková zliatina podľa nároku 1 alebo nároku 2, vyznačujúca sa t ý m, že obsah kremíka sa udržiava v rozmedzí od 2 do 3 % hmotnostných.

4. Ložisková zliatina podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúca sa tým, že obsah vanádu je maximálne 0,2 % hmotnostných.

5. Klzné ložisko, vyznačujúce sa tým, že pozostáva z pevného nosného materiálu s naviazanou vrstvou ložiskovej zliatinovej kompozície pozostávajúcej z 5 až 10 % hmotnostných cínu, z 0,7 až 1,3 % hmotnostných medi, z 0,7 až 1,3 % hmotnostných niklu, z 1,5 až 3,5 % hmotnostných kremíka, z 0,1 až 0,3 % hmotnostných vanádu, z 0,1 až 0,3 % hmotnostných mangánu, zvyšok tvorí hliník popri nevyhnutných nečistotách.

6. Klzné ložisko podľa nároku 5, vyznačujúce sa t ý m , že ložisko ďalej obsahuje medzivrstvu pomerne čistého hliníka alebo hliníkovej zliatiny medzi ložiskovou zliatinou a pevným nosným materiálom.

7. Klzné ložisko podľa nároku 5 alebo nároku 6, v y značujúce sa tým, že pevný nosný materiál je vybraný spomedzi ocele a bronzu.

8. Klzné ložisko podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov 5až 7, vyznačujúce sa tým, že vonkajší povrch ložiskovej zliatiny je vybavený povlakovou vrstvou.

výkresov

Relatívne vlastnosti ložísk zobrazené v tabuľke 3 sú založené na 18 testoch pre zliatinu podlá vynálezu a minimálne 60 testoch pre každú z porovnávacích zliatin. V tabuľke je zliatine A120SnlCu (porovnávacia zliatina 2) priradená základná miera 1, s ktorou sa porovnávajú všetky ostatné zliatiny vrátane zliatiny podľa vynálezu. Teda napríklad medza únavy zliatiny podľa vynálezu je o 34 % vyššia ako medza únavy porovnávacej zliatiny 2.

Ako možno vidieť z tabuľky 3, medza únavy zliatiny podľa predloženého vynálezu je významne vyššia ako medze únavy troch porovnávacích zliatiny a hoci má nižšiu odolnosť proti zaseknutiu, má aj zlepšenú odolnosť proti odieraniu v porovnaní s ďalšími známymi porovnávacími Al/Sn/Si zliatinami 1 a 3. Výsledky uvedené v tabuľke 3 sú graficky zobrazené na obrázkoch 2 a 3.

V zásade materiál podľa predloženého vynálezu má významne medzu únavy ako známe zliatiny, pričom si zachováva úplne adekvátnu odolnosť odieraniu aj zasekávaniu. Preto zliatiny podľa predloženého vynálezu sú osobitne užitočné pre motory vyžadujúce vyššiu medzu únavy a odolnosť proti odieraniu ako známe kremík obsahujúce zliatiny, ale ktoré nevyžadujú osobitne vysoké miery odolnosti proti zasekávaniu.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Ložisková zliatinová kompozícia, vyznačujúca sa tým, že pozostáva z 5 až 10 % hmotnostných cínu, z 0,7 až 1,3 % hmotnostných medi, z 0,7 až 1,3 % hmotnostných niklu, z 1,5 až 3,5 % hmotnostných kremíka, z 0,1 až 0,3 % hmotnostných vanádu, z 0,1 až 0,3 % hmot-