Łożysko kompozytowe bimetaliczne HZ-800: właściwości, dane dotyczące obciążenia i zużycia

Łożysko kompozytowe bimetaliczne HZ-800 jest stopem brązu ze spiekanym podkładem, a nie solidną tuleją odlewaną

The Łożysko kompozytowe bimetaliczne HZ-800 to precyzyjnie zaprojektowane łożysko ślizgowe skonstruowane poprzez spiekanie określonego proszku stopu brązu bezpośrednio na taśmie nośnej ze stali niskowęglowej, a następnie walcowanie i obróbkę kompozytu w gotową formę łożyska. Stalowy podkład zapewnia wytrzymałość mechaniczną i stabilność wymiarową, aby utrzymać pasowanie wtłaczane w otworze oprawy, podczas gdy warstwa spiekanego brązu – zwykle stop CuSn10Pb10 o grubości nominalnej od 0,25 do 0,40 milimetra na standardowej ścianie HZ-800 – służy jako rzeczywista powierzchnia nośna . Porowatość warstwy spiekanego brązu, celowo kontrolowana na poziomie 15–25% objętościowych, pełni rolę rezerwuaru smaru. Gdy łożysko jest impregnowane olejem podczas produkcji, sieć połączonych porów gromadzi smar, który jest przyciągany do powierzchni łożyska w wyniku rozszerzalności cieplnej i działania kapilarnego podczas pracy, zapewniając efekt samosmarowania, który zmniejsza lub eliminuje potrzebę ponownego smarowania zewnętrznego w wielu zastosowaniach. Samo oznaczenie HZ-800 odnosi się do specyficznego składu stopu i parametrów procesu produkcyjnego, przy czym podłoże stalowe stanowi około 70% do 80% całkowitej grubości ścianki, a warstwa brązu stanowi pozostałą część. Konstrukcja ta zasadniczo różni się od tulei z litego brązu, której ścianki są wykonane z tego samego materiału i brakuje jej zarówno sztywności konstrukcyjnej stali, jak i zbiornika smaru o kontrolowanej porowatości.

Skład materiału i wiązanie metalurgiczne na granicy faz

Łożysko HZ-800 osiąga swoje osiągi dzięki specyficznemu systemowi materiałów. Podłoże stalowe to zazwyczaj a stal niskowęglowa zgodna z normą SAE 1010 lub równoważną, wybrana ze względu na jej odkształcalność i zdolność do tworzenia wiązania dyfuzyjnego z proszkiem brązu podczas spiekania . Proszek stopu brązu, kulisty lub nieregularny proszek o rozkładzie wielkości cząstek zwykle w zakresie od 45 do 150 mikronów, rozprowadza się na taśmie stalowej w kontrolowanej warstwie i przepuszcza przez piec do spiekania w temperaturze około 800 do 850 stopni Celsjusza w atmosferze redukującej. W tej temperaturze cząstki miedzi i cyny częściowo topią się i łączą ze sobą oraz ze stalowym podłożem, tworząc metalurgiczne wiązanie odporne na rozwarstwianie nawet pod naprężeniami ścinającymi powstającymi podczas wciskania łożyska w oprawę lub poddawania go zmiennym obciążeniom. Sam stop brązu — zwykle zawierający 10% cyny i 10% ołowiu wagowo — zapewnia połączenie wytrzymałości substancji rozpuszczonej cyny w osnowie miedzi i możliwości osadzania dzięki dyskretnym cząstkom ołowiu rozproszonym w całej strukturze. Faza ołowiu pełni kluczową funkcję: zapewnia miękki, ścinany składnik, który umożliwia osadzanie się twardych cząstek zanieczyszczeń w powierzchni łożyska, zamiast porysować czop wału. Możliwość osadzania jest jednym z głównych powodów, dla których wybiera się łożysko bimetaliczne zamiast twardszego materiału, takiego jak łożysko toczne, do zastosowań w brudnych lub zanieczyszczonych środowiskach pracy.

Atmosfera spiekania i jej wpływ na integralność wiązania

Proces spiekania, który wiąże warstwę brązu ze stalowym podłożem, należy przeprowadzić w: kontrolowana atmosfera redukująca, zazwyczaj mieszanina azotu i wodoru lub atmosfera krakowanego amoniaku o punkcie rosy poniżej -40 stopni Celsjusza . Gaz redukujący zapobiega utlenianiu proszku brązu podczas spiekania i redukuje wszelkie istniejące warstwy tlenków na powierzchni stali, które utrudniałyby tworzenie czystego połączenia metalurgicznego. Jeżeli podczas produkcji temperatura rosy w atmosferze będzie przekraczać specyfikację, siła wiązania na styku bimetalu znacznie się pogorszy, a łożysko będzie podatne na rozwarstwienie pod wpływem naprężeń wciskowych występujących w montażu wtłaczanym. Prawidłowo spiekane łożysko HZ-800 powinno wykazywać a wytrzymałość wiązania na ścinanie przekraczająca 80 MPa przy badaniu zgodnie z normą ISO 4386-2 , a powierzchnia pęknięcia powinna wykazywać uszkodzenie spójności w warstwie brązu, a nie uszkodzenie kleju na styku stal-brąz.

Obciążalność i limit PV określający kopertę roboczą

Zakres wydajności łożyska z kompozytu bimetalicznego HZ-800 jest definiowany przede wszystkim przez granicę PV — iloczyn ciśnienia w łożysku w MPa i prędkości powierzchniowej w metrach na sekundę, przy której łożysko może pracować w sposób ciągły bez przekraczania granic termicznych i zużycia. Pod w warunkach smarowania granicznego łożysko HZ-800 zazwyczaj wykazuje granicę PV wynoszącą 3,0 do 3,6 MPa·m/s . W warunkach hydrodynamicznych, gdy pełny film olejowy oddziela łożysko od wału, wydajność fotowoltaiczna znacznie wzrasta, ponieważ powierzchnia brązu nie styka się bezpośrednio z wałem. Nośność statyczna warstwy brązu zależy od temperatury łożyska: w temperaturze pokojowej stop CuSn10Pb10 wytrzymuje naprężenia ściskające do 140 MPa bez znaczących odkształceń plastycznych, ale wartość ta spada do około 90 MPa w temperaturze 150 stopni Celsjusza wskutek termicznego zmiękczenia osnowy brązu. Nośność jest także funkcją stosunku długości do średnicy łożyska; łożysko o współczynniku L/D poniżej 0,5 wykazuje koncentrację naprężeń obciążających krawędzie, które zmniejszają efektywną nośność nawet o 30% w porównaniu z łożyskiem o współczynniku L/D wynoszącym 1,0 w tym samym obszarze rzutu.

Impregnacja olejem i mechanizm samosmarujący

Łożysko HZ-800 jest zazwyczaj dostarczane w stanie impregnowanym olejem. Proces impregnacji olejem polega na zanurzenie gotowego łożyska w podgrzanym oleju mineralnym o temperaturze około 60 do 80 stopni Celsjusza pod próżnią, co usuwa powietrze z porowatej struktury brązu i pozwala olejowi całkowicie wypełnić połączoną sieć porów . Objętościowa zawartość oleju w prawidłowo zaimpregnowanym łożysku HZ-800 wynosi od 12% do 18%. Podczas pracy nagrzewanie przez tarcie powoduje rozszerzanie się oleju w porach, a współczynnik rozszerzalności cieplnej oleju — około 7 × 10⁻⁴ na stopień Celsjusza — przekracza współczynnik struktury z brązu, zmuszając olej do wypływu z otworów porów na powierzchnię łożyska. Kiedy praca zostaje zatrzymana i łożysko ostygnie, olej kurczy się i jest wciągany z powrotem do porów w wyniku działania kapilarnego. Ten termiczny mechanizm pompujący zapewnia ciągły dopływ smaru do powierzchni styku łożyska bez konieczności zewnętrznego doprowadzania oleju. W zastosowaniach, w których występują wysokie temperatury robocze, standardowy olej mineralny można zastąpić olejem syntetyczny olej estrowy lub perfluoropolieterowy o wyższej granicy stabilności termicznej , zwiększając zdolność samosmarowania łożyska do temperatur powyżej 200 stopni Celsjusza, w których olej mineralny utleniałby się i zwęglał w strukturze porów.

Naddatki na obróbkę i ostateczny wymiar otworu po pasowaniu wtłaczanym

Łożysko z kompozytu bimetalicznego HZ-800 jest zwykle instalowane z wciskiem w przygotowany otwór oprawy, a wcisk ten powoduje zamykanie się otworu łożyska w przewidywalnym stopniu. The zamknięcie otworu stanowi około 80% do 90% wcisku średnicowego — co oznacza, że w łożysku wciśniętym w oprawę z wciskiem 0,050 milimetra średnica otworu zostanie zmniejszona o 0,040 do 0,045 milimetra. Zamknięcie to należy uwzględnić albo poprzez określenie łożyska z otworem nadwymiarowym, który zamyka się do pożądanego luzu roboczego po montażu, albo poprzez obróbkę otworu łożyska po montażu w celu uzyskania ostatecznego luzu roboczego. Luz roboczy dla łożyska HZ-800 jest typowy 0,001 do 0,0025 średnicy wału w zastosowaniach precyzyjnych i 0,002 do 0,004 razy w przypadku ogólnych zastosowań przemysłowych . Jeśli otwór łożyska ma zostać poddany obróbce po montażu, naddatek na obróbkę – dodatkowa grubość brązu przewidziana do usunięcia – wynosi zazwyczaj od 0,05 do 0,15 milimetra średnicy, w zależności od rozmiaru łożyska. Obróbkę należy wykonać ostrym narzędziem jednoostrzowym o promieniu ostrza co najmniej 0,4 milimetra, aby uniknąć rozmazania powierzchni brązu i zamknięcia porów niezbędnych do działania samosmarującego. W przypadku ostatecznego wymiarowania preferowane jest rozwiercanie zamiast wytaczania, ponieważ rozwiertak zapewnia wykończenie powierzchni, które zachowuje otwartość porów, podczas gdy zużyte lub tępe narzędzie wytaczarskie może rozmazać brąz i uszczelnić otwory porów.

Wymagania dotyczące tolerancji otworu obudowy i okrągłości

Otwór oprawy, w który wciskane jest łożysko HZ-800, musi spełniać określone wymagania dotyczące tolerancji i okrągłości, aby zapewnić równomierny wcisk na obwodzie łożyska. Tolerancja otworu oprawy dla typowego montażu łożyska HZ-800 wynosi H7 według ISO 286, z odchyłką okrągłości nieprzekraczającą 0,01 milimetra dla łożysk o średnicy zewnętrznej do 50 milimetrów . Nieokrągły otwór w oprawie skupia wcisk pasowania wtłaczanego w najwyższych punktach oprawy, tworząc odpowiednie wzniesienia na otworze łożyska, które lokalnie zmniejszają luz roboczy i mogą powodować kontakt metal-metal pomiędzy łożyskiem i wałem podczas początkowej pracy. Kontakt ten, nawet krótkotrwały, może spowodować rozmazanie powierzchni łożyska i zagrozić możliwości tworzenia filmu olejowego przez pozostałą część żywotności łożyska. Wykończenie powierzchni otworu w oprawie powinno mieć Ra 1,6 do 3,2 mikrona — wystarczająco gładkie, aby zapewnić stałe podparcie, ale nie na tyle gładkie, aby łożysko mogło wysunąć się z oprawy pod wpływem wibracji.

Wymagania dotyczące wału i dobór materiałów powierzchni współpracującej

Wał pracujący w łożysku z kompozytu bimetalicznego HZ-800 musi spełniać określoną twardość, wykończenie powierzchni i wymagania materiałowe, aby osiągnąć projektowaną trwałość łożyska. Czop wału powinien mieć minimalna twardość powierzchni 55 HRC dla zastosowań z zanieczyszczeniami ściernymi i 45 HRC dla czystych warunków smarowania ; powierzchnia łożyska z brązu ołowiowego może zarysować bardziej miękki wał, zwłaszcza podczas pracy w trybie start-stop, gdy film olejowy nie jest w pełni uformowany. Wykończenie powierzchni wału powinno być Ra 0,2 do 0,4 mikrona — drobniejsza niż sama powierzchnia łożyska — aby zapobiec działaniu chropowatości wału jak narzędzie skrawające na bardziej miękkim brązie. Połączenie materiału wału z brązem CuSn10Pb10 jest korzystne dla większości stali, w tym hartowanej indukcyjnie 1045, nawęglanej 8620 i azotowanej 4140. Wały ze stali nierdzewnej wymagają ostrożności: warstwa pasywna tlenku chromu na stali nierdzewnej zapewnia słabe smarowanie graniczne w porównaniu z brązem, a wał ze stali nierdzewnej pracujący w łożysku HZ-800 powinien być chromowany na twardo lub poddany obróbce powierzchniowej, takiej jak azotowanie plazmowe, aby poprawić kompatybilność tribologiczna. Faza wprowadzająca wału jest również krytyczna — a Faza od 15 do 20 stopni z polerowanym wykończeniem powierzchni zapobiega struganiu przez ostrą krawędź wału materiału brązowego z otworu łożyska podczas montażu, co mogłoby wprowadzić metalowe zanieczyszczenia bezpośrednio do luzu roboczego łożyska.

Charakterystyka zużycia i trzy etapy trwałości łożyska

Zachowanie łożyska HZ-800 podczas zużycia przebiega według przewidywalnego, trzystopniowego schematu, który można monitorować w celu zaplanowania wymiany łożyska przed wystąpieniem katastrofalnej awarii. The początkowy etap docierania następuje w ciągu pierwszych kilku godzin pracy i polega na usunięciu największych nierówności z powierzchni łożyska i ustaleniu odpowiedniej geometrii styku z wałem. Na tym etapie mierzalna głębokość zużycia wynosząca od 5 do 15 mikronów jest normalna i oczekiwana, a szybkość zużycia szybko maleje wraz ze wzrostem powierzchni styku. The etap zużycia w stanie ustalonym charakteryzuje się niskim, stałym współczynnikiem zużycia — zwykle od 0,1 do 0,5 mikrona na 100 godzin pracy w warunkach dobrego smarowania w granicach PV — i reprezentuje żywotność użytkową łożyska. The przyspieszony etap zużycia rozpoczyna się, gdy warstwa nośna z brązu zużyje się do podłoża stalowego lub gdy zbiornik oleju w porowatej strukturze zostanie wyczerpany w stopniu przekraczającym jego zdolność do dostarczania smaru na powierzchnię. W tym momencie stopień zużycia wzrasta 10-krotnie lub więcej, a stalowe podłoże zaczyna bezpośrednio zużywać czop wału. W dobrze zaprojektowanym zastosowaniu z odpowiednim smarowaniem, łożysko HZ-800 powinno osiągnąć żywotność 5000 do 20 000 godzin przed wystąpieniem przyspieszonego zużycia, o zasięgu określonym przez obciążenie PV, czystość środowiska pracy i skuteczność układu zasilania smarem.

Diagnostyka usterek i rozróżnienie pomiędzy zużyciem klejącym i ściernym

Kiedy łożysko HZ-800 jest wycofywane z eksploatacji w celu sprawdzenia, wzór zużycia na powierzchni łożyska dostarcza informacji diagnostycznych na temat warunków pracy, które spowodowały, że łożysko dobiegło końca. Zużycie kleju pojawia się jako rozmazany brąz, przeniesienie materiału łożyska na wał i rozdarta, szorstka powierzchnia łożyska. Wskazuje, że film olejowy uległ uszkodzeniu, umożliwiając kontakt metalu z metalem, a podstawową przyczyną jest zwykle przeciążenie, niewystarczający luz lub brak smaru. Zużycie ścierne pojawia się jako obwodowe nacięcie na powierzchni łożyska z rowkami o ostrych krawędziach, które odpowiadają kierunkowi wykończenia powierzchni wału. Wskazuje na obecność twardych cząstek stałych w smarze lub na powierzchni wału. Zmęczenie pojawia się w postaci wżerów, odprysków lub pęknięć powierzchniowych w warstwie brązu i wskazuje, że obciążenie cykliczne przekroczyło granicę zmęczenia stopu brązu. Zmęczenie jest często końcowym etapem awarii łożysk, które działały prawidłowo przez cały projektowany okres użytkowania i osiągają naturalną granicę integralności mechanicznej warstwy brązu. Rozróżnienie tych trybów zużycia podczas badania pośmiertnego jest niezbędne do ustalenia, czy łożysko zamienne można zamontować bez modyfikacji systemu, czy też należy zmienić parametry zastosowania łożyska — obciążenie, prędkość, luz lub smarowanie.

Odróżnienie HZ-800 od innych gatunków łożysk bimetalicznych w tej samej rodzinie produktów

Łożysko kompozytowe bimetaliczne HZ-800 jest jednym z członków szerszej rodziny łożysk bimetalicznych, które różnią się składem stopu brązu i przewidywanym zakresem zastosowania. Oznaczenie takie jak HZ-800 zazwyczaj oznacza stop miedzi, cyny i ołowiu o określonym stosunku cyny do ołowiu i określonym zakresie twardości — zwykle od 60 do 80 HB w skali Brinella dla warstwy brązu . Pokrewny gatunek o innym oznaczeniu, np. z wyższą zawartością cyny i niezawierający ołowiu, wykazywałby wyższą nośność i wyższą twardość, ale mniejszą zdolność do osadzania, co czyni go odpowiednim do stosowania w warunkach czystego smarowania, ale nieodpowiednim do zanieczyszczonych środowisk, w których muszą zostać osadzone cząstki ścierne. Gatunek o wyższej zawartości ołowiu wykazywałby lepszą zdolność do osadzania i podatność, ale niższą nośność i niższą maksymalną temperaturę roboczą, ponieważ faza ołowiu mięknie w temperaturach powyżej 150 stopni Celsjusza. Specjalny stop HZ-800 został opracowany tak, aby zapewnić równowagę właściwości odpowiednich do ogólnych zastosowań przemysłowych: wystarczającą wytrzymałość przy umiarkowanych i dużych obciążeniach, wystarczającą zawartość ołowiu do osadzania w lekko zanieczyszczonych środowiskach oraz proces spiekania, który zapewnia kontrolowaną porowatość niezbędną do samosmarowania impregnowanego olejem. Przy określaniu łożyska zamiennego oznaczenie musi być dokładnie dopasowane, ponieważ łożysko o prawidłowych wymiarach, ale z innym oznaczeniem stopu będzie miało inną charakterystykę zużycia, obciążenia i temperatury, co może nie być zgodne z zastosowaniem.