WO1994013846A1 - Material para piezas de friccion destinado a operar en un entorno lubricado y su procedimiento de obtencion - Google Patents

Material para piezas de friccion destinado a operar en un entorno lubricado y su procedimiento de obtencion Download PDF

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Pascal Belair
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    • Y10T428/12174—Mo or W containing

Definitions

  • the present invention relates to a material for
  • the invention therefore has the objective of supplying a friction material that allows obtaining an important coefficient of friction, with little dependence on the circumstances of use, and with which parts can be obtained properly at a low cost.
  • the invention provides a material intended to constitute friction parts in lubricated media, this material having the particularity that it comprises different zones, of dimensions between 60 and 500 microns and at least two substances of different hardness and coefficients of friction, the hardest being the one with the highest coefficient of friction and which occupies a volume between 1/3 and 4/5 of the total volume.
  • the rest of the volume of the material is occupied by the less hard substance and the porosity resulting from the manufacturing method.
  • the material according to the invention is in the form of grains of hard matter, joined together by a matrix that fills most of the intergranular spaces, the rest of these spaces being constituted by porosity.
  • the hard material is preferably chosen among those that retain surface hardness, a high friction coefficient and have a "passivable" surface by reaction in the mentioned tribological system.
  • a passivable surface means a surface that results in the formation of a continuous watertight oxide layer in the medium considered, this layer constituting a barrier between the material and its surroundings.
  • the hard material is preferably chosen from materials that retain their coefficient of friction in the presence of said lubricant provided with the additive. More precisely, if the additive is a borated substance, the hard material is a steel that contains one or more passive carbide generating elements such as: Cr, Mo, V, W, Si.
  • the hardest material is a steel in The sum of elements Cr, Mo, V, W and Si is less than 8%.
  • the hard material is a steel of the following composition: Cr: ' 4%, Mo: 5%, V: 3%, W: 6%, Si: 2%, C: 0.6 %, rest Fe and impurities. This steel reaches hardnesses greater than 700 HV 0.1.
  • the hardnesses of this steel are between 200 and 500 HV 0.1.
  • the invention further provides a process for obtaining a material such as the one just described.
  • a first powder is mixed with the composition of the first hard material and a second powder with the composition of the least hard material, and the mixture is subjected to a sufficient pressure and temperature so that the grains of the first powder are joined together by the material of the second powder, and that this fills most of the intergranular spaces.
  • Tests numbers 1 and 2 have been made with machined specimens on brass bars rich in silicon. This composition is generally used for the manufacture of synchronizer rings used in manual gearboxes. Tests 1A and 1B have been performed with the same type of specimen, but in test 1B the temperature was relatively high: 80Q c while in the other tests it was relatively lower: 10 or 20QC.
  • test number 2 the specimen had been machined to obtain 0.5 mm high grooves with a peak width and 0.2 mm groove bottom.
  • Test specimens of test number 3 have been obtained by hot spraying a molybdenum layer on a brass substrate.
  • test specimens 4 correspond to the invention. They have been manufactured by compression of an equal mixture of the two powders described above.
  • Test specimens 6 are similar to test specimens 4 but the hard material dust is less alloyed.
  • Test specimens 7 have been manufactured as test specimens 4, but the proportion of hard material dust has been reduced to 25% by weight.
  • Test 3 confirms that hot projected molybdenum always has a limit regime, even at low temperature (10 ⁇ C).
  • Test samples 4 corresponding to the invention have only a limited lubrication rate and have a friction coefficient higher than that of the ibidine mol.
  • Test 5 confirms that in the absence of heterogeneities, only the hydro-dynamic lubrication rate appears.
  • Test 6 shows that the desired effect is not obtained if the powder with the composition of the hard material is not in a sufficiently large percentage of passive carbide-generating alloy elements.

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Abstract

Este material comporta zonas diferentes, de dimensión máxima comprendida entre 60 y 500 micras, donde al menos dos substancias tienen unas durezas y coeficientes de fricción diferentes, teniendo la más dura el coeficiente de fricción más elevado. Preferentemente se presentan como formados de granos de material duro con un elevado coeficiente de fricción, estando ligados estos granos entre ellos por un material ligante que llena la mayor parte de los espacios intergranulares, el resto de estos espacios constituye porosidades. Ventajosamente, si el lubricante contiene un aditivo del tipo borato o sulfuro, el material duro es un acero pasivable que contiene uno o varios de los elementos siguientes: Cr, Mo, V, W, Si y el material menos duro es de acero ligeramente aleado.

Description

MATERIAL PARA PIEZAS DE FRICCIÓN DESTINADO A OPERAR EN UN ENTORNO LUBRICADO Y SU PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN
D E S C R I P C I Ó N
4 La presente invención se refiere a un material para
5 piezas de fricción que operan en sistemas tribológicos 5 lubricados, y particularmente, pero no únicamente, para la fabricación de anillos de sincronización utilizados en cajas de cambio manuales.
La concepción de los materiales para cajas de 10 cambio está sometida a numerosas exigencias, algunas de las cuales son contradictorias entre si. Por un lado, es necesario tener en los engranajes una lubricación eficaz, es decir, un coeficiente de fricción lo más reducido posible entre ellos. Por otra parte, en los 15 anillos sincronizadores se precisa un coeficiente de fricción elevado, y que sea constante, independien¬ temente, en particular de la temperatura de la velocidad y de la presión.
20 Se ha propuesto recubrir la superficie activa de las anillos sincronizadores con un material apropiado como el molibdeno. Este método es costoso.
Según otro tipo de técnica, se pretende evitar la 25 formación de una capa de aceite, o bien obtener la ruptura de la película de aceite mediante la creación de irregularidades geométricas, por mecanizado de ranuras o similares, o bien por heterogeneidades más finas por la utilización de un material no homogéneo, en partícu-
, 30 las de una matriz relativamente blanda, en la cual se encuentran partículas de dureza superior. Sin embargo i estos materiales de fricción han dado hasta hoy resul¬ tados variables según las condiciones de utilización.
35 Los estudios realizados has llegado a la conclusión
H OJ A 3T Í T U Í DA de que estos materiales podrían proporcionar resultados adecuados, por un precio relativamente poco elevado, si se cumplen condiciones particulares.
La invención tiene por tanto el objetivo de sumi¬ nistrar un material de fricción que permita obtener un coeficiente de fricción importante, con poca dependencia de las circunstancias de utilización, y con el que se puedan obtener piezas de forma adecuada a un coste bajo.
Para obtener este resultado, la invención suminis¬ tra un material destinado a constituir piezas de fric¬ ción en medios lubricados, teniendo este material la particularidad de que comporta zonas distintas, de dimensiones comprendidas entre 60 y 500 mieras y por lo menos dos sustancias de dureza y coeficientes de fric¬ ción diferentes, siendo la más dura la que tiene el mayor coeficiente de fricción y la que ocupa un volumen comprendido ente 1/3 y 4/5 del volumen total.
El resto del volumen del material está ocupado por la sustancia menos dura y por la porosidad resultante por el método de fabricación.
Si la proporción de sustancia menos dura es in¬ ferior a 1/3 del volumen, se ha constatado que no se consigue el objetivo perseguido. Si se aumenta la proporción de sustancia más dura en la fabricación del material, una técnica de compresión sinterizado se convierte en la única utilizable en la práctica, y es muy difícil o muy costoso impedir la formación de una porosidad importante. El limite de 4/5 del volumen total para la extensión de las zonas de la sustancia más dura es en consecuencia muy difícil de superar en la prác- tica. Ventajosamente, el material según la invención se presenta en forma de granos de materia dura, unidos entre ellos por una matriz que llena la mayor parte de los espacios intergranulares, estando constituidos el resto de estos espacios por porosidad.
Se entiende que el desgaste de un material según la invención conduce a la aparición de un microrrel íeve en la superficie, y que este microrrel ieve adquiere, con las dimensiones especificadas para as zonas respec¬ tivas, una importancia tal que conduce a la rotura de la película de aceite y en consecuencia a un coeficiente de fricción elevado.
El material duro es escogido preferentemente entre aquellos que conservan se dureza superficial, un coefi¬ ciente de fricción elevado y presentan una superficie "pasivable" por reacción en el sistema tribológico mencionado.
Por superficie pasivable se entiende una superficie que da lugar a la formación de una capa de óxido estanca continua en el medio considerado, constituyendo esta capa una barrera entre el material y su entorno. Cuando el material está destinado a ser utilizado en presencia de un lubricante provisto de un aditivo, el material duro se escoge preferentemente entre los materiales que conservan su coeficiente de fricción en presencia del dicho lubrificante provisto del aditivo. Más precisamente, si el aditivo es una sustancia borata- da, el material duro es un acero que contiene uno o varios elementos generadores de carburos pasivables como el : Cr, Mo, V, W, Si .
Ventajosamente el material más duro es un acero en el que la suma de elementos Cr, Mo, V, W y Si es in¬ ferior al 8%.
La separación entre los contenidos de elementos formadores de carburos tiene por consecuencia una diferencia de dureza que conduce a la aparición del microrelieve mencionado más arriba. Las dificultades de elaboración no permiten superar el 30% de los elementos citados para el material más duro. Por el contrario, nada se opone a que el material menos duro no contenga ninguno de estos elementos.
Según una realización particularmente interesante, el material duro es un acero de la composición siguien- te: Cr : ' 4% , Mo : 5%, V : 3%, W : 6%, Si : 2%, C: 0,6%, resto Fe e impurezas. Este acero alcanza durezas supe¬ riores a 700 HV 0,1.
Con preferencia, el material menos duro es un acero de baja aleación y, según una realización particular¬ mente interesante, el material menos duro tiene la composición siguiente: Ni 1%, Cu : 2%, Mo : 0,5%, C = 0,6%, resto Fe e Impurezas. Las durezas de este acero se encuentran entre 200 y 500 HV 0,1.
La invención suministra además un procedimiento para la obtención de un material como el que se acaba de describir.
Según este procedimiento, se mezcla un primer polvo con la composición del primer material duro y un segundo polvo con la composición del material menos duro, y se somete la mezcla a una presión y una temperatura sufi¬ cientes para que los granos del primer polvo sean unidos entre ellos por el material del segundo polvo, y que este llene la mayor parte de os espacios intergranula¬ res.
Los mejores resultados se obtienen cuando los pesos de los dos polos son aproximadamente iguales.
EJEMPLOS Las tablas que siguen dan los resultados de ocho ensayos que permiten comparar los resultados de probetas según la invención con varios testigos. Los ensayos han sido obtenidos en un tribómetro con probetas cilindricas de diámetro 3 mm, cuyas características se describen en la tabla 1. El tribómetro, del tipo perno-disco, está equipado para asegurar la lubricación del contacto y modificar la temperatura, la presión de contacto y la velocidad de rotación del disco.
Los coeficientes de fricción presentados en las columnas 5 y 6 de la tabla 2 han sido determinados a partir de las fuerzas de fricción medidas en el tribóme¬ tro. En la tabla 2 se dan los resultados para las velocidades siguientes:
0,34 m/s, que corresponde, según la ténica actual, a un régimen de lubricación limite (coeficiente fricción superior a 0,1) o mixto (coeficiente de fric¬ ción comprendido entre 0,1 y 0,03, y
- 1,7 m/s, que corresponde según la técnica usual a regímenes de lubricación hidrodinámicos (coeficiente de fricción inferior a 0,03).
Los ensayos números 1 y 2 han sido hechos con probetas mecanizadas sobre barras de latón ricas en silicio. Esta composición es usada generalmente para la fabricación de anillos sincronizadores utilizados en cajas de cambio manuales. Los ensayos 1A y 1B han sido realizados con el mismo tipo de probeta, pero en el ensayo 1B la tempera¬ tura era relativamente elevada: 80Q c mientras que en los otros ensayos era relativamente más baja: 10 ó 20QC.
Para el ensayo número 2, la probeta había sido mecanizada para obtener ranuras de 0,5 mm de altura con un ancho de cresta y de fondo de ranura de 0,2 mm.
Las probetas del ensayo número 3 han sido obtenidas por proyección en caliente de una capa de molibdeno sobre un substrato de latón.
Las probetas del ensayo 4 corresponden a la inven- ción. Han sido fabricadas por compresión de una mezcla por igual de los dos polvos descritos precedentemente.
Las probetas del ensayo 6 son similares a las probetas 4 pero el polvo del material duro está menos aleado.
Las probetas del ensayo 7 han sido fabricadas como las probetas 4, pero la proporción de polvo del material duro ha sido reducida a 25% en peso.
La realización de las probetas fabricadas exclusi¬ vamente a partir del polvo con la composición del material duro es concebible en el marco de la invención, pero no há sido tomada en consideración en razón del coste muy elevado de la materia primera y de la dificul¬ tad de puesta en práctica (prensado y sinteri zado) .
Resultados:
El análisis de los resultados reagrupados en la tabla II muestra que: El latón presenta un régimen de lubricación mixto a baja velocidad e hidrodinámico a alta velocidad. Cuando aumenta la temperatura, o sea, con una menor viscosidad de aceite, sólo aparece el régimen de lubri- cación l mite. El ensayo 2 ilustra la influencia del ranurado sobre el latón. Éste conduce a un régimen de lubricación limite a 20Ω c y esto sea cual sea la velocidad considerada. Este comportamiento es carac¬ terístico del estado en los materiales de fricción a base de latón.
El ensayo 3 confirma que el molibdeno proyectado en caliente presenta siempre un régimen limite, incluso a baja temperatura (10Ω C).
Las muestras de ensayo 4 que corresponden a la invención presenta sólo un régimen de lubricación limite y poseen un coeficiente de fricción superior al del mol ibdeno.
El ensayo 5 confirma que en ausencia de heteroge¬ neidades, sólo aparece el régimen de lubricación hidro- dinámica.
El ensayo 6 muestra que el efecto deseado no se obtiene si el polvo con la composición del material duro no está en un porcentaje suficientemente importante de elementos de aleación generadores de carburos pasiva- bles.
Finalmente, los resultados del ensayo 7 muestran que, cuando se reduce la proporción del polvo rico en elementos de aleación, desaparece el efecto, es decir, que el coeficiente de fricción disminuye mucho con deslizamiento. TABLA I
Probeta Tipo Composición
1 latón,estado de 0,75% Si, 1,75% Al, 3% Mn, resto la técnica Cu 2 latón,estado de 0,75% Si, 1,75% Al, 3% Mn, resto la técnica Cu ranurado
3 molibdeno, esta¬ 100% Mo do de la técnica
4 invención 50% de polvo con 1,5% Ni, 2% Cu, 0,5% Mo, 0,6% C
50% de polvo con 4% Cr, 5% Mo, 3% V, 6% W, 2% Si , 0,6% C
5 referencia 100% de polvo con 1,5% Ni, 2% Cu, 0,5% Mo, 0,6% C 6 referencia 50% de polvo a 1,5% Ni, 2% Cu, 0,5% Mo, 0,6% C
50% de polvo a 5% Cr, 1% Mo, 1% Si , 0,6% C 7 referencia 75% de polvo a 1,5% Ni, 2% Cu, 0,5% Mo, 0,6% C
25% de polvo a 4% Cr, 5% Mo, 3% V, 6% W, 2% Si, 0,6% C
TABLA II Ensayo Probeta Temp. Presión velocidad
2C Mpa 0,34 m/s 1,7 m/s
1A
1B
2
3 4
5
6
7
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Claims

REIVINDICACIONES
1. Material para piezas de fricción que trabajan en medio lubricado, que se caracteriza por el hecho de que comporta diferentes zonas, de dimensión máxima compren¬ dida entre 60 y 500 mieras, donde al menos dos sustan¬ cias tienen durezas y coeficientes de fricción diferen¬ tes, teniendo la más dura el coeficiente de fricción más grande y ocupando entre 1/3 y 4/5 del volumen total
\
2. Material según 1a reivindicación 1, caracteriza¬ do por el hecho de que la sustancia más dura ocupa aproximadamente la mitad del volumen total.
3. Material según la reivindicación 1 ó 2, carac¬ terizado por el hecho de que se presenta como granos formados de material duro con un coeficiente de fricción elevado. Estos granos están ligados entre ellos por un material menos duro que llena la mayor porte de los espacios entre granos. El resto de estos espacios está constituido por la porosidad.
4. Material de fricción según una de las reivin¬ dicaciones 1 a 3 y destinado a ser utilizado en presen- cia de un lubricante provisto de un aditivo, que se caracteriza por el hecho de que el material más duro se escoge entre los materiales que conservan su coeficiente de fricción en presencia de lubricante provisto de un aditivo.
5. Material según la reivindicación 4 en la que el aditivo es una sustancia del tipo borato o sulfuro, caracterizado por el hecho de que el material más duro es un acero que contiene uno o varios elementos siguien- tes : C r , Mo , V . W . S i .
6. Material según una de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por el hecho de que el material más duro es un acero en el que la suma de los elementos Cr, Mo, V, W y Si es al menos igual a 12% y el material más duro es un acero en el cual la suma de los elementos Cr, Mo, V, W y Si es inferior al 8%
7. Material según la reivindicación 6, caracteriza¬ do por el hecho de que el material más duro es un acero con la siguiente composición: Cr: 4%, Mo: 5%, V: 3%, W: 6%, Si: 2%, C: 0,6% resto: Fe e impurezas.
8. Material según una de las reivindicaciones 1 a
7, caracterizado por el hecho de que el material menos duro es un acero ligeramente aleado.
9. Material según la reivindicación 8, caracteriza- do por el hecho de que el material menos duro tiene la siguiente composición: Ni: 1,5%, Cu: 2%, Mo: 0,5%, C: 0,6%, resto : Fe e impurezas.
10. Proceso para obtener un material según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que se mezcla un primer polvo con la composición del material más duro y un segundo polvo con la composición del material menos duro y se somete la mezcla a una presión y una temperatura suficientes para que los granos del primer polvo se entremezclen por el material del segundo polvo y éste ocupe la mayor parte de los espacios intergranulares.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que los pesos de los dos polvos son más o menos iguales.
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