Dawid Makuła gr. 203
MATERIAŁOZNAWSTWO
Laboratorium
Stopy na łożyska ślizgowe
Stopy łożyskowe stosowane są do wylewania panewek łożysk ślizgowych wykorzystywanych w wysokoobrotowych silnikach, młynów, turbin, walcarek, sprężarek, wagonów kolejowych, a także wykładania powierzchni ślizgowych różnych elementów mechanicznych. Ich zadaniem jest zapewnić jak najlepsza współpracę pomiędzy panewką i czopem. Współpraca ta wiąże się ze sporymi wymaganiami wobec tych stopów. Powinny one więc posiadać bardzo dobre własności mechaniczne i fizyko-chemiczne.
Wymagania stawiane stopom łożyskowym.
Możemy wyliczyć następujące własności jakimi powinny charakteryzować się stopy łożyskowe:
§ mały współczynnik tarcia pomiędzy materiałem panewki a wału
§ dobra odporność na ścieranie
§ dobra odporność na zatarcie (bardzo niebezpieczny jest bezpośredni kontakt panwi z czopem, może dojść do lokalnego wytopienia czy spojenia z czopem)
§ dobra smarowalność, która to własność zapobiega powstawaniu przerw w warstwie smaru i zapobiega zatarciu
§ zdolność do wchłaniania zanieczyszczeń ze smaru w osnowę panwi (również zapobiega zatarciu)
§ wytrzymałość mechaniczna (ważne jest przenoszenie dużych ciśnień i obciążeń)
§ odpowiednia temperatura topnienia (z jednej strony wysoka, aby zapobiegać zatarciom, z drugiej taka aby nie utrudniała odlewu);
§ wysoka odporność na korozję chemiczną kwasowych produktów rozkładu smaru (w wyniku lokalnych wzrostów temperatury tlen ze smaru reaguje z metalem i powstają ogniska korozyjne, powstałe kwasu mogą także bezpośrednio zżerać materiał, powodując zatarcia);
§ dobra plastyczność (pozwala na dopasowanie się czopa do panwi);
§ wysoka twardość (zabezpiecza przed zużyciem i niszczeniem przez kawitacje, przy czym twardość czopa powinna być większa od panwi);
§ dobre przewodzenie ciepła (niweluje lokalne ogniska ciepła);
§ odpowiednia rozszerzalność (współczynniki rozszerzalności liniowej czopa i panwi powinny być skoordynowane tak aby nie powstawały niepotrzebne naprężenia);
§ dobre własności ślizgowe (zwłaszcza przy wysoko obciążonych łożyskach);
§ dobra udarność (w przypadku narażenia na wstrząsy);
§ dobra przyczepność do panewki (cynowanie lub zaczepy);
§ dobra własności odlewnicze (mała skłonność do segregacji przy krzepnięciu);
§ niska cena.
Materiały stosowane na łożyska.
Gdy wiemy już jak powinna wyglądać struktura stopów łożyskowych, pozostaje znaleźć konkretne stopy, który miałby określone przez nas własności oraz posiadały odpowiednią strukturę. Przy doborze materiału powinniśmy się kierować następującymi czynnikami związanymi z warunkami pracy łożyska:
§ rodzajem obciążenia - może być ono stałe lub zmienne co do kierunku i wielkości. Najbardziej niebezpieczne są obciążenia dynamiczne. Powodują one pęknięcia i wykruszenia typu zmęczeniowego.
§ wielkością obciążenia - im jest ona większe tym krótszy czas pracy łożyska. Obciążeniem jednostkowym nazywamy obciążenie łożyska przypadające na jednostkę powierzchni ślizgowej ( p-KGI m 2).
§ szybkością obwodowa czopa ( V-m/s )
§ temperaturą pracy łożyska - wzrost temperatury powoduje spadek lepkości smaru.
Iloczyn pV charakteryzuje natężenie łożyska. Tą wielkością posługujemy się zwykle przy doborze stopu łożyskowego dla danych warunków pracy. Do wyboru mamy następujące materiały:
§ Żeliwo szare perlityczne, będące najtańszym materiałem łożyskowym. Wytrzymuje duże naciski jednostkowe, jednak nie nadaje się na łożyska wysokoobrotowe. Zmieszany ze smarem wykruszony grafit płatkowy powoduje zatarcia.
§ Brązy fosforowe (1,2[%]fosforu). Fosfor zwiększa odporność na ścieranie brązów cynowych i polepsza ich właściwości wytrzymałościowe. Są stosowane w silnie obciążonych i szybkoobrotowych łożyskach.
§ Brązy ołowiowe i cynowo-ołowiowe. Strukturą stopu ołowiowego jest mieszanina osnowy miedzianej, w której rozmieszczone są wydzielenia ołowiu. Dodatek cyny zapobiega segregacji ołowiu. Ołów przyczynia się też do dobrych właściwości ślizgowych i odporności na korozje.
§ Brązy krzemowe umacniają się pod wpływem zgniotu i są odporne na zużycie. Dodatki żelaza wpływają na rozdrobienie struktury i podwyższają właściwości mechaniczne tych stopów, natomiast cynk i mangan wpływa na dobre odlewnictwo.
§ Brązy aluminiowe z dodatkami miedzi, aluminium, żelaza, manganu i niklu posiadają dobre właściwości wytrzymałościowe, są odporne na korozje, wysokie temperatury i ścieranie.
§ Stopy na osnowie cynku powstały jako materiał zastępczy brązów, zawierają aluminium i miedź. Ich dużą zaleta jest niska cena, stosowane mogą być jednak tylko do łożysk słabo obciążonych.
§ Stopy na osnowie aluminium z dodatkami krzemu, miedzi, magnezu, niklu cyny, żelaza i antymonu są rzadko ze stosowane ze względu na trudności w procesie produkcji oraz przeciętne właściwości.
§ Stopy na osnowie cyny (83% cyny, 9-10% antymonu, 3-6% miedzi), zwane babitami, posiadają osnowę zbudowaną z roztworu antymonu i miedzi w cynie, który jest miękki i ciągliwy. W tak zbudowanej osnowie rozmieszczone są graniaste kryształy SnSb, a obok nich iglaste wydzielenia Cu6Sn5.
§ Stopy na osnowie ołowiu, zwane alkalicznymi, zawierają dodatki wapnia, strontu i baru. Pierwiastki te tworzą twarde związki (Pb3Ca, Pb3Ba, Pb12Na5) rozmieszczone w ołowianej osnowie.
§ Stopy na osnowie kadmu (98% kadmu) zawierają dodatki niklu, srebra i miedzi. Charakteryzują się bardzo dobrą odpornością na ścieranie, dobrą twardością i wytrzymałością w podwyższonych temperaturach.
Zastosowanie w budowie łożysk znajdują również materiały niemetalowe, które coraz częściej wchodzą w skład struktury łożyska. Można wymienić tutaj:
§ poliamid PA6, PA66, PA12 (bardzo dobre własności ślizgowe, odporność na ścieranie, dobre tłumienie drgań, niska temperatura stosowania 95C);
§ polietylen PE-HD (temperatura pracy 55C)
§ polistyren
§ styren akrylonitryl (temp. pracy 110C)
§ politetrafluoroetylen PTFE (teflon, temp. pracy 280C)
§ guma
§ intermetal
§ twarde drewno
§ kamienie szlachetne (rubin, szafir)
§ Prawidłowa struktura stopów łożyskowych.
Wszystkie wymienione wyżej właściwości pomoże nam zapewnić określona struktura materiału. W przypadku łożysk ślizgowych najbardziej odpowiednia struktura, tworzących je stopów, powinna składać się z miękkiej osnowy i możliwie równomiernie rozłożonych w niej twardych wydzieleń. Powinny one mieć odpowiednią wielkość, nie być zbyt duże, ani zbyt małe, gdyż odgrywają one kluczową rolę w procesie przenoszenia obciążeń.. Dzięki tym wbitym w osnowę kryształom powstaje też miejsce na smar. W przypadku przeciążenia twarde kryształy wgniatają się w tych konkretnych miejscach w osnowę wyrównując obciążenie.
makoomba