HZ-800 bimetalni kompozitni ležaj: svojstva, podaci o opterećenju i trošenju

Bimetalni kompozitni ležaj HZ-800 je sinterirana brončana legura, a ne lijevana čvrsta čahura

The HZ-800 bimetalni kompozitni ležaj je precizno konstruiran klizni ležaj izrađen sinteriranjem određenog praha legure bronce izravno na potpornu traku od čelika s niskim udjelom ugljika, zatim valjanjem i strojnom obradom kompozita u gotov oblik ležaja. Čelična podloga osigurava mehaničku čvrstoću i dimenzionalnu stabilnost kako bi se održalo utiskivanje u provrt kućišta, dok sloj sinterirane bronce—obično legura CuSn10Pb10 nominalne debljine od 0,25 do 0,40 milimetara na standardnom zidu HZ-800—služi kao stvarna nosiva površina . Poroznost sinteriranog brončanog sloja, namjerno kontrolirana na 15% do 25% volumena, djeluje kao spremnik za mazivo. Kada je ležaj impregniran uljem tijekom proizvodnje, međusobno povezana mreža pora pohranjuje mazivo koje se privlači na površinu ležaja toplinskim širenjem i kapilarnim djelovanjem tijekom rada, pružajući učinak samopodmazivanja koji smanjuje ili eliminira potrebu za vanjskim podmazivanjem u mnogim primjenama. Sama oznaka HZ-800 odnosi se na specifičnu formulaciju legure i parametre proizvodnog procesa, pri čemu čelična podloga čini približno 70% do 80% ukupne debljine stijenke, a brončani sloj čini ostatak. Ova konstrukcija je bitno drugačija od čvrste brončane čahure, koja ima isti materijal u cijeloj stjenci i nedostaje joj strukturna krutost čelika i spremnik maziva s kontroliranom poroznošću.

Sastav materijala i metalurška veza na sučelju

Ležaj HZ-800 postiže svoje performanse kroz specifičan sustav materijala. Čelična podloga obično je a niskougljični čelik u skladu sa SAE 1010 ili ekvivalentom, odabran zbog svoje sposobnosti oblikovanja i sposobnosti stvaranja difuzijske veze s brončanim prahom tijekom sinteriranja . Prah brončane legure, sferični ili nepravilni prah s distribucijom veličine čestica obično u rasponu od 45 do 150 mikrona, rasprostire se na čeličnu traku u kontroliranom sloju i prolazi kroz peć za sinteriranje na temperaturi od približno 800 do 850 stupnjeva Celzijevih u redukcijskoj atmosferi. Na ovoj temperaturi, čestice bakra i kositra djelomično se tope i stapaju jedna s drugom i s čeličnom podlogom, stvarajući metaluršku vezu koja se odupire raslojavanju čak i pod posmičnim naprezanjima koja nastaju kada se ležaj utisne u kućište ili podvrgne fluktuirajućim opterećenjima. Sama brončana legura—obično sadrži 10% kositra i 10% olova po težini — pruža kombinaciju čvrstoće otopljenog kositra u bakrenoj matrici i mogućnosti ugradnje diskretnih čestica olova raspršenih po strukturi. Vodeća faza služi kritičnoj funkciji: ona daje mekani sastav koji se može smicati i koji omogućuje čvrstim česticama zagađivača da se ugrade u površinu ležaja umjesto da zarezuju rukavac osovine. Ova mogućnost ugradnje jedan je od primarnih razloga zašto se bimetalni ležaj preporuča umjesto tvrđeg materijala kao što je ležaj kotrljajućeg elementa za primjene koje uključuju prljava ili kontaminirana radna okruženja.

Atmosfera sinteriranja i njezin učinak na cjelovitost veze

Proces sinteriranja koji povezuje brončani sloj s čeličnom podlogom mora se izvesti u a kontrolirana redukcijska atmosfera, obično mješavina dušika i vodika ili atmosfera krekiranog amonijaka s točkom rosišta ispod -40 stupnjeva Celzijusa . Reducirajući plin sprječava oksidaciju brončanog praha tijekom sinteriranja i smanjuje sve postojeće oksidne filmove na površini čelika koji bi spriječili stvaranje čiste metalurške veze. Ako se atmosferska točka rosišta pomakne iznad specifikacije tijekom proizvodnje, čvrstoća spoja na bimetalnom međusklopu značajno opada, a ležaj će biti osjetljiv na raslojavanje kada bude podvrgnut interferencijskim naprezanjima instalacije prešanjem. Pravilno sinterirani ležaj HZ-800 trebao bi pokazivati a smična čvrstoća spoja veća od 80 MPa kada se ispituje u skladu s ISO 4386-2 , a površina prijeloma trebala bi pokazivati kohezioni slom unutar brončanog sloja, a ne adhezivni slom na međupovršini čelik-bronca.

Kapacitet opterećenja i PV granica koja definira radnu omotnicu

Učinak HZ-800 bimetalnog kompozitnog ležaja prvenstveno je definiran njegovom PV granicom—umnožak tlaka ležaja u MPa i površinske brzine u metrima u sekundi pri kojoj ležaj može kontinuirano raditi bez prekoračenja svojih toplinskih granica i granica trošenja. Ispod granično podmazani uvjeti, ležaj HZ-800 obično pokazuje granicu PV od 3,0 do 3,6 MPa·m/s . Pod hidrodinamičkim uvjetima u kojima puni uljni film odvaja ležaj od osovine, PV kapacitet se značajno povećava jer brončana površina nije u izravnom kontaktu s osovinom. Statička nosivost brončanog sloja ovisi o temperaturi ležaja: na sobnoj temperaturi, legura CuSn10Pb10 može podnijeti tlačna naprezanja do 140 MPa bez značajne plastične deformacije, ali ta se vrijednost smanjuje na približno 90 MPa na 150 stupnjeva Celzijusa zbog toplinskog omekšavanja brončane matrice. Nosivost je također funkcija omjera duljine i promjera ležaja; ležaj s omjerom L/D ispod 0,5 pokazuje koncentracije naprezanja rubnog opterećenja koje smanjuju efektivni kapacitet opterećenja do 30% u usporedbi s ležajem s L/D od 1,0 na istom projektiranom području.

Impregnacija uljem i mehanizam samopodmazivanja

Ležaj HZ-800 obično se isporučuje u stanju natopljenom uljem. Proces impregnacije uljem uključuje uranjanje gotovog ležaja u zagrijano mineralno ulje na približno 60 do 80 stupnjeva Celzijevih pod vakuumom, što evakuira zrak iz porozne brončane strukture i omogućuje ulju da potpuno ispuni međusobno povezanu mrežu pora . Volumni sadržaj ulja u pravilno impregniranom HZ-800 ležaju je 12% do 18%. Tijekom rada, zagrijavanje uslijed trenja uzrokuje širenje ulja u porama, a koeficijent toplinskog širenja ulja—približno 7 × 10⁻⁴ po stupnju Celzijusa—premašuje koeficijent brončane strukture, prisiljavajući ulje da izlazi iz otvora pora na površinu ležaja. Kada rad prestane i ležaj se ohladi, ulje se steže i kapilarnim djelovanjem povlači natrag u pore. Ovaj mehanizam toplinske pumpe osigurava kontinuiranu opskrbu mazivom do sučelja ležaja bez potrebe za vanjskim dovodom ulja. Za primjene s visokim radnim temperaturama, standardno mineralno ulje može se zamijeniti s a sintetičko estersko ili perfluorpolietersko ulje s višom granicom toplinske stabilnosti , proširujući sposobnost samopodmazivanja ležaja na temperature iznad 200 stupnjeva Celzijevih gdje bi mineralno ulje oksidiralo i karboniziralo unutar strukture pora.

Dodaci za strojnu obradu i konačna dimenzija provrta nakon utiskivanja

Bimetalni kompozitni ležaj HZ-800 obično se ugrađuje s prešanjem u pripremljeni provrt kućišta, a taj smetnja uzrokuje zatvaranje provrta ležaja za predvidljivu količinu. The zatvaranje provrta je približno 80% do 90% dijametralne interferencije — što znači da će ležaj utisnut u kućište s 0,050 milimetara smetnje doživjeti smanjenje promjera provrta od 0,040 do 0,045 milimetara. Ovo se zatvaranje mora uzeti u obzir ili određivanjem ležaja s prevelikim provrtom koji se zatvara željenom radnom zračnošću nakon ugradnje ili strojnom obradom provrta ležaja nakon ugradnje kako bi se postigla konačna radna zračnost. Radni zazor za ležaj HZ-800 je tipičan 0,001 do 0,0025 puta promjera osovine za precizne primjene i 0,002 do 0,004 puta za opću industrijsku uporabu . Ako se provrt ležaja treba obraditi nakon ugradnje, dodatak za strojnu obradu—dodatna debljina bronce predviđena za uklanjanje—uobičajeno je 0,05 do 0,15 milimetara promjera, ovisno o veličini ležaja. Obrada se mora izvesti s oštrim alatom s jednom točkom s polumjerom vrha od najmanje 0,4 milimetra kako bi se izbjeglo razmazivanje brončane površine i zatvaranje pora koje su bitne za funkciju samopodmazivanja. Razvrtanje je bolje nego bušenje za konačno dimenzioniranje jer razvrtalo proizvodi završnu obradu površine koja čuva otvorenost pora, dok istrošeni ili tupi alat za bušenje može razmazati broncu i zatvoriti otvore pora.

Zahtjevi za toleranciju provrta i zaobljenost kućišta

Provrt kućišta u koji se utiskuje ležaj HZ-800 mora zadovoljiti specifične zahtjeve tolerancije i zaobljenosti kako bi se osiguralo jednoliko smetnje po obodu ležaja. Tolerancija provrta kućišta za tipičnu ugradnju ležaja HZ-800 je H7 prema ISO 286, s odstupanjem okruglosti ne većim od 0,01 milimetara za ležajeve do 50 milimetara vanjskog promjera . Provrt kućišta koji nije okrugao koncentrira interferenciju prešanog spajanja na visokim točkama kućišta, stvarajući odgovarajuće visoke točke na provrtu ležaja koji lokalno smanjuju radni zazor i mogu uzrokovati kontakt metala na metal između ležaja i vratila tijekom početnog rada. Ovaj kontakt, čak i ako je kratak, može razmazati površinu ležaja i ugroziti sposobnost stvaranja uljnog filma do kraja vijeka trajanja ležaja. Završna obrada provrta kućišta trebala bi biti Ra 1,6 do 3,2 mikrona—dovoljno glatka da pruži dosljednu potporu, a da ne bude toliko glatka da ležaj može izaći iz kućišta pod vibracijama.

Zahtjevi za vratilo i uparivanje materijala protupovršine

Osovina koja radi u HZ-800 bimetalnom kompozitnom ležaju mora zadovoljiti zahtjeve specifične tvrdoće, površinske obrade i materijala kako bi se postigao projektirani životni vijek ležaja. rukavac vratila treba imati a minimalna površinska tvrdoća od 55 HRC za primjene s abrazivnom kontaminacijom i 45 HRC za čiste podmazane uvjete ; mekša osovina bit će urezana na površinu ležaja od olovne bronce, osobito tijekom pokretanja i zaustavljanja kada uljni film nije u potpunosti uspostavljen. Završna obrada površine vratila trebala bi biti Ra 0,2 do 0,4 mikrona — finiji od same površine ležaja — kako bi se spriječilo da neravnine osovine djeluju kao alat za rezanje na mekšoj bronci. Uparivanje materijala osovine s broncom CuSn10Pb10 povoljno je za većinu čelika, uključujući indukcijski kaljeni 1045, kaljeni 8620 i nitrirani 4140. Osovine od nehrđajućeg čelika zahtijevaju oprez: pasivni sloj krom oksida na nehrđajućem čeliku pruža loše ponašanje graničnog podmazivanja u odnosu na broncu, a osovina od nehrđajućeg čelika radi u ležaj HZ-800 trebao bi biti kromiran ili površinski tretiran kao što je plazma nitriranje kako bi se poboljšala tribološka kompatibilnost. Ulazna iskošenost osovine također je kritična—a Iskošenje od 15 do 20 stupnjeva s poliranom završnom obradom sprječava oštar rub osovine da izbriše brončani materijal iz provrta ležaja tijekom sastavljanja, što bi dovelo metalne ostatke izravno u zazor ležaja.

Karakteristike trošenja i tri faze životnog vijeka ležaja

Ponašanje trošenja ležaja HZ-800 slijedi predvidljivi obrazac u tri faze koji se može pratiti kako bi se zakazala zamjena ležaja prije nego što dođe do katastrofalnog kvara. The početna faza uhodavanja događa se unutar prvih nekoliko sati rada i uključuje uklanjanje najvećih neravnina s površine ležaja i uspostavljanje konformne kontaktne geometrije s osovinom. Tijekom ove faze, mjerljiva dubina istrošenosti od 5 do 15 mikrona je normalna i očekivana, a stopa istrošenosti se brzo smanjuje kako se povećava kontaktna površina. The steady-state stupanj trošenja karakterizira niska, konstantna stopa trošenja—obično 0,1 do 0,5 mikrona po 100 sati rada u uvjetima dobrog podmazivanja unutar granice PV—i predstavlja vijek trajanja ležaja. The faza ubrzanog trošenja počinje kada se brončani nosivi sloj istroši do čelične podloge ili kada je rezervoar ulja u poroznoj strukturi iscrpljen izvan svoje sposobnosti opskrbe maziva na površinu. U ovoj točki, stopa trošenja se povećava za faktor 10 ili više, a čelična podloga počinje izravno trošiti rukavac osovine. U dobro osmišljenoj primjeni s odgovarajućim podmazivanjem, ležaj HZ-800 trebao bi dosegnuti radni vijek od 5.000 do 20.000 sati prije početka ubrzanog trošenja, s rasponom koji je određen PV opterećenjem, čistoćom radnog okruženja i učinkovitošću sustava opskrbe mazivom.

Dijagnoza kvara i razlika između adhezivnog i abrazivnog trošenja

Kada se ležaj HZ-800 ukloni iz upotrebe radi pregleda, uzorak istrošenosti na površini ležaja daje dijagnostičke informacije o radnim uvjetima koji su uzrokovali da ležaj dođe do kraja svog životnog vijeka. Istrošenost ljepila pojavljuje se kao razmazana bronca, prijenos materijala ležaja na osovinu i razderana, gruba površina ležaja. To ukazuje na to da je uljni film puknuo, što je omogućilo kontakt metala s metalom, a osnovni uzrok je obično preopterećenje, nedovoljan zazor ili nedostatak maziva. Abrazivno trošenje pojavljuje se kao obodne brazde na površini ležaja s utorima s oštrim rubovima koji odgovaraju smjeru završnog polaganja površine osovine. Ukazuje na kontaminaciju tvrdim česticama u mazivu ili na površini vratila. Trošenje od zamora pojavljuje se kao rupičaste, pukotine ili pukotine povezane s površinom u brončanom sloju i ukazuje da je cikličko opterećenje premašilo granicu zamora brončane legure. Zamor je često krajnja faza kvara za ležajeve koji su ispravno radili tijekom svog projektiranog životnog vijeka i dosežu prirodnu granicu mehaničkog integriteta brončanog sloja. Razlikovanje između ovih načina trošenja tijekom post mortem pregleda bitno je za određivanje može li se zamjenski ležaj ugraditi bez modifikacija sustava ili se moraju promijeniti parametri primjene ležaja - opterećenje, brzina, zazor ili podmazivanje.

Razlikovanje HZ-800 od drugih vrsta bimetalnih ležajeva u istoj obitelji proizvoda

HZ-800 bimetalni kompozitni ležaj jedan je član šire obitelji bimetalnih ležajeva koji se razlikuju po sastavu brončane legure i predviđenom području primjene. Oznaka kao što je HZ-800 obično označava leguru bakra, kositra i olova s određenim omjerom kositra i olova i određenim rasponom tvrdoće—obično 60 do 80 HB na Brinellovoj ljestvici za brončani sloj . Srodni stupanj s drugačijom oznakom, kao što je onaj s višim sadržajem kositra i bez olova, pokazivao bi veću nosivost i veću tvrdoću, ali nižu mogućnost ugradnje, što ga čini prikladnim za čiste podmazane uvjete, ali neprikladnim za kontaminirana okruženja gdje moraju biti ugrađene abrazivne čestice. Kvaliteta s višim udjelom olova pokazala bi bolju sposobnost ugradnje i usklađenosti, ali manju nosivost i nižu maksimalnu radnu temperaturu jer olovna faza omekšava na temperaturama iznad 150 stupnjeva Celzijusa. Specifična legura HZ-800 formulirana je za ravnotežu svojstava koja odgovara općoj industrijskoj primjeni: dovoljna čvrstoća za umjerena do visoka opterećenja, dovoljan sadržaj olova za ugradnju u blago kontaminiranim okruženjima i proces sinteriranja koji proizvodi kontroliranu poroznost potrebnu za samopodmazivanje impregnirano uljem. Prilikom određivanja zamjenskog ležaja, oznaka mora biti točno usklađena, jer će ležaj s točnim dimenzijama, ali različitom oznakom legure imati različite karakteristike trošenja, opterećenja i temperature koje možda neće biti kompatibilne s primjenom.