Kompozitný vrstvený materiál na klzné elementy a spôsob jeho výroby

Číslo patentu: 284335

Dátum: 27.12.2004

Autor: Andler Gerd

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Je opísaný kompozitný vrstvený materiál a spôsob jeho výroby, ktorý je vhodný na tie ložiskové miesta, v ktorých je dané zmiešané trenie, ktorý je korózne stály, tvarovateľný za studena a odoláva tiež najvyšším zaťaženiam. Spôsob predpokladá, že je nosný materiál predhrievaný na teplotu 1000 °C až 1100 °C, že sa odlievaním nanáša heterogénne sa utvárajúca, olovo neobsahujúca, ložisková zliatina na báze zliatiny meď-zinok alebo meď-hliník s teplotou 1000 °C až 1250 °C a že je kompozitný materiál v rozmedzí 2 až 4 minút ochladený z teploty odlievania ložiskovej zliatiny na 100 °C. Medzi ložiskovou zliatinou (3) a nosným materiálom (1) existuje metalurgická väzbová zóna (2), ktorá má 80 až 95 % železa, bežné nečistoty a zvyšok je meď a je vykryštalizovaná v kubickej sústave.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka spôsobu výroby kompozitného vrstveného materiálu na klzné elementy, ako sú ložiskové panvy a ložiskové puzdrá, pri ktorom sa ložisková zliatina nanáša na podkladový materiál, predovšetkým z ocele, pomocou kontinuálneho procesu pásového liatia. Vynález sa tiež vzťahuje na kompozitný vrstvený materiál.Ložiská všeobecne slúžia na zachytenie a prenášanie síl medzi konštrukčnými prvkami pohybujúcimi sa k sebe navzájom, a to sil tak axiálnych, ako i radiálnych. To znamená, že ložisko je nevyhnutné pre skoro všetky točivé a kývavě pohyby. Ložiská sú teda vo všetkých strojoch a agregátoch, a preto zvlášť v spaľovacích motoroch, nevyhnutným elementom.Ak sa pozeráme pri modemých spaľovacích motoroch na miesta tam existujúcich ložísk (hlavné ložiská, ložiská ojnic, puzdrá piestnych čapov, puzdro vačkových hriadeľov atdĺ), ziskame tak dobrý prehľad o množstve často Vzájomne protichodných vlastností, ktoré musí ložisko spĺňať.Podľa typu ložiska a motora sa musia brať do úvahy nie len rozdielne konštrukčné skutočnosti, ale vyskytujú sa aj úplne rozdielne zaťaženia (sily tlaku plynov, zotrvačné sily,klzné rýchlosti). Vzhľadom na rrmohostranný profil požiadaviek, ktoré z toho vyplývajú (vysoká únavová pevnosť,vysoká odolnost proti oteru, necitlivosť proti zadreniu, vysoká odolnosť proti korózii, vysoká odolnosť proti kavítačnej korózii a iné), sa v priebehu času ukázali ako zvlášť vhodné viacvrstvové kompozitné materiály. Tak k dnešnému stavu techniky patria dvojvrstvové a trojvrstvové kompozitné materiály. Oceľový podklad pri tom ložisku prepožičiava požadovanú mechanickú pevnosť a presné utesnenie V puzdre. Ložiskový kov nanášaný plátovanim, navalcovaním, pásovým odlievaním alebo spekaním pritom už uvedene vlastnosti splňa, pričom ešte okrem toho laminátový systém dopĺňa najčastejšie galvanicky nanášaná medzivrstva slúžiaca ako bariéra proti difúzii.Ak sa pozeráme na vývojové tendencie V oblasti budúcich dieselových motorov, tak do popredia vystupujú dve hlavné krajné podmienky minímalizácia spotreby paliva a redukcia škodlivých emisií.Oproti konvenčným dieselovým motorom sa toho dosahuje priamym vstrekovaním, t. j. zvyšovaním tlaku spaľovania a turbo prepinanim. Tým sú zvlášť na ložiskové materiály nových generácií motorov kladené najvyššie nároky. Trend jednoznačne smeruje k stále viac zaťažovateľným materiálom a pri ložískách ojnic už priniesol nové kompozitné vrstvené materiály. Tak sa v tomto odbore stalo pevnou súčasťou trhu ložisko pokovované rozprašoVaním (trecia vrstva je tvorená klznou vrstvou nanesenou katódovým rozprašovanim). S týmto typom ložiska je možne bez problémov vyhovieť aj najvyšším zaťaženiam.Ale aj V iných oblastiach, ako napr. pri ložískách piestnych čapov, stúpli nároky na ložiskové materiály takým spôsobom, že pri tu tradične používaných materiáloch puzdier na báze oceľ/olovený bronz, môžu byt zvládane len zväčšenim priemeru piestneho čapu a tým zredukovaním špecifického zaťaženia. Tento vývoj ale ukazuje falošným smerom, pretože tak narastajú oscilujúce hmoty a tým aj konštrukčná výška motora, čo pôsobí proti všeobecnej snahe znižovať váhu. Ďalším problémom používania zliatin z oloveného bronzu je ich nedostatočná odolnosť proti korózu.Z toho je zrejmé, že napr. v odbore materialov na puzdrá môžu byť budúce požiadavky trhu splnené len novovyvinutým systémom vrstveného kompozitného materiálu. Na ten sú kladené nasledujúce technicke a ekonomické požiadavky kompozitný materiál musi odolávať najvyšším zaťaženiam, musí mať vysokú odolnosť proti korózii V agresívnom prostredi pri teplotách do 200 °C (na materiál silne pôsobia aditíva olejov, zvyšky spalín v oleji a silná kontaminácia oleja vplyvom dlhších intervalov údržby) a musí byt vyrobiteľný s priaznivými nákladmi.V EP O 681 l 14 je opisovaný laminovaný materiál pozostávajúci z ocele s klzným materiálom ložiska z tvámiacej zliatiny medi a zinku, ktorý nachádza použitie ako materiál ložiskových púzdier, resp. nábehových kotúčov. Výroba tohto kompozitného materiálu sa vykonáva plátovaním navalcovaním. Tepelné spracovanie nadväzujúce na plátovanie zvyšuje pevnosť väzby medzi oceľou a ložiskovým kovom vplyvom difúznych pochodov.Na rozdiel od spôsobu nárokovaného V tejto patentovej prihláške pri výrobe tohto kompozitného systému ide o spôsob plátovania navalcovanim. Pri ňom V dôsledku tlaku pri valcovaní dochádza k mechanickej súdržnosti zahryzávaním povrchov oboch materiálov. Nasledujúce difúzne žihanie sice túto súdržnosť zosilňuje, ale nevedie k tvarovo uzavretému spojeniu alebo dokonca metalurgickej väzbe,ako je to v prípade odlievanía, teda pri kontakte kvapalnej fázy s pevnou fázou.Ďalej treba konštatovať, že V EP 0 68 1 114 opisovaný proces je z hľadiska výrobných nákladov tiež drahší, než s nim porovnávané odlievanie, pretože pred tým, než sa kompozitný materiál plátuje navalcovaním, musi byť CuZn 3 l Si-plát zhotovený zlievarenským procesom. Kompozitný materiál môže vzniknúť až V ďalšom výrobnom stupni plátovaním. Pri odlievaní na oceľ môže byť ale kompozitný materiál vyrobený V jednej operácii.DE-OS 25 48 941 opisuje spôsob získavania kovových predmetov plynulým odlievaním, pri ktorom sa nanáša viac vrstiev z toho istého materiálu. Tomu zodpovedá viac odlievacích paniev. Vrstva, ktorá sa v mieste odlievania na páse práve vytvorí, je priebežne odtiahnutá a okamžite ochladená. Na tento cieľ je pás zospodu vybavený zodpoVedajúcimi ochladzovacími zariadeniami.Z DE-PS 10 63 343 je na pásové odlievanie oloveného bronzu známy spôsob, pri ktorom sa oceľový pás zahrieva asi na l 100 °C, aby sa zabránilo skríveniu pásu. Pás sa vopred Vytvaruje do U-profilu s okrajmi do uhla. Po odliatí a ochladení pásu, o ktorom však nie je žiadna zmienka, je pás vyfrézovaný na požadovanú hrúbku a následne navinutý.Z DE 44 37 565 A 1 je známy spôsob výroby kompozitného odlíevaného oceľového materiálu. Nejde o žiadny spôsob kontinuálneho pásového odlievania, ale o spôsob gravítačného, resp. odstredivého odlievania, pri ktorom sa pokrývajú už vytvarované ložiskové panvy. Táto ložisková zliatina na báze medi obsahuje nikel a kremík v určitom pomere tak, že sú vo väzbovej zóne potlačené krehké fázy silicidu železa. Klzný element, ktorý má byt pokrytý, sa predhrieva, pričom sa teplota predhrievania zvolí V závislosti od hrúbky ocele. Tento spôsob je vhodný len pre veľké ložiská a teda drahé diely, Na masovú výrobu, aká sa Vyžaduje pri ložiskách s malými dimenziami, s hrúbkami ocele pod 10 mm, nemôže byt tento známy spôsob použitý.Vychádzajúc z DE-OS 25 48 941 je úlohou vynálezu poskytnúť spôsob a vrstvený kompozitný materiál, ktorý sa hodí pre tie miesta ložísk, kde sa vyskytuje zmiešané trenie,ktorý odoláva korózii, je za studena tvarovatelný a vydrží najvyššie zaťaženie.Táto úloha sa rieši postupom, pri ktorom sa nosný materiál predhrieva na teplom 1000 °C až 1100 °C a odlievaním sa nanáša heterogénne sa tvoriaca, olovo neobsahujúca, ložisková zliatina na báze medí a zinku alebo medi a hliníka s teplotou 1000 °C až 1250 °C, pričom sa počas 2 až 4 minút laminovaný materiál ochladí z teploty odlievania ložiskovej zliatiny pod 100 °C.Laminovaný materiál sa predovšetkým počas prvých 30 sekúnd ochladí z teploty odlievania ložiskovej zliatiny na svoju teplotu tuhnutia.Ukázalo sa, že požiadavky na laminovaný materiál môžu spĺňať vysoko pevne zliatiny medi. Sem sa počíta špeciálna mosadz alebo hliníkový bronz, ktoré okrem vysokej zaťažiteľnosti poskytujú z hľadiska znášanlivosti k životnému prostrediu výhodu v tom, že neobsahujú žiadne olovo. V tejto skupine materiálov sa môže principiálne vychádzať z dvoch štruktúmych morfológií zliatinově systémy,ktoré homogénne tuhnú (napr. CuAlS, resp. CuZn 3 l Si), a zliatinové systémy, ktoré tvoria heterogénnu štruktúruHomogénne materiály pozostávajú z a-zmesového kryštálu a okrem dobrých klzných vlastností majú tiež dobrú tvarovateľnost za studena. Naproti tomu heterogénne zliatiny majú vďaka svojmu viacfázovému zloženiu vyššiu odolnost proti oteru, ale horšiu tvarovateľnosť za studena. Kompozitné materiály s ložiskovými zliatinami na báze meď-zinok alebo meď-hliník mohli byt dosiaľ vyrábané iba spôsobom odstredivého liatia. Kontinuálne spôsoby pásového odlievania nenašli dosiaľ žiadne použitie, pretože sa pri odlievaní základového materiálu v oblasti väzbovej zóny vytvárali krehké fázy, ktoré nedovoľovali laminovaný materiál pretvárať. To je však neprijateľné pre nákladovo priaznivú výrobu napr. klzných ložísk alebo puzdier. Prekvapivo bolo zistené, že tieto laminované materiály sa stávajú napr. tvarovateľnými bez toho, aby sa nanesený ložiskový kov od podkladového materiálu uvoľňoval, keď sú dodržanć parametre spôsobu podľa predkladaného vynálezu. Uskutočňovanim procesu pri odlievaní na ocel je možné vytvorit kompozitný materiál, ktorý ako celok dovoľuje pretvámenie najmenej z 25 , Väzbová zóna na prechode k oceli má dostačujúcu ťažnosť, t. j. bolo zabránené tvoreniu krehkých fáz na prechode oceľ/ložiskový kov. Tým boli splnené predpoklady na ďalšie spracovanie kompozitu ako pásu tvarovacími procesmi, ako je valcovanie alebo zakružovanie, napr. na výrobu puzdra.Ak je ložiskovou zliatinou zliatina meď-hliník, potom sa po nanesení ložiskovej zliatiny a ochladzovacej fázy výhodne vykonáva žíhanie pri 600 °C až 750 °C počas 4 až 10 hodín. V prípade zliatiny meď-zinok je kompozitný materiál výhodne príslušne žíhaný pri teplote 400 °C až 550 °C počas 4 až 10 hodín.Ložisková zliatina sa odlieva prednostné v hrúbke DL,ktorá je k hrúbke nosného materiálu DT v pomere DL/DT l až 2. Pomerom hrúbok môže byt ovplyvnené vytváranie väzbovej zóny.Podstata kompozitu pre ložiskové panvy alebo ložiskové puzdra spočíva v tom, že ložisková zliatina je olovo neobsahujúca a zakladá sa na medí a zinku alebo medi a hliníka, a tiež v tom, že jej vnútomá skladba je heterogénna, pričom medzi ložiskovou zliatinou a nosným materiálom je metalurgická Väzbová zóna, ktorá má 80 až 95 železa,bežné nečistoty a zvyšok je med a kryštalizuje v kubickej sústave.Stanovenie zložiek zliatiny väzbovej vrstvy sa výhodne vykonáva energo-disperznou röntgenovou analýzou (EDX) pomocou elektrónovej rastrovacej mikroskopie. Pod metalurgickou väzbovou zónou sa rozumie zóna väzby, ktorá sa ako zreteľne rozpoznateľná vrstva tvorí v dôsledku difúznych pochodov, napr. prvkov nanesenej zliatiny, do pevného podkladového materiálu. Táto Väzbová zóna predstavuje najčastejšie fázu zmesových lqyštálov alebo intennetalickú fázu oboch materiálov.Vysoký obsah železa pochádza z oceľového podkladového materiálu, zatial čo podiel medi pochádza z ložiskovej zliatiny. Okrem týchto oboch komponentov, ktoré určujú vnútomú skladbu metalurgickej väzbovej zóny, môžu byt prítomné ešte malé množstvá ostatných zložiek zliatiny. Táto metalurgická Väzbová zóna zaisťuje vysokú adhéznu pevnost a vysokú zaťažiteľnosť celého kompozitného materiálu.Hrúbka väzbovej zóny leží predovšetkým v rozsahu od 5 m do 50 m.Heterogénna štruktúra ložiskovej zliatiny by bola s ohľadom na spracovateľnost materiálu za studena nevýhodná. Ale prekvapivo sa zistilo, že heterogénna štruktúra nie je nevýhodná vtedy, ked existuje vyvážený pomer medzi Ot- a B-fázami.B-Fáza sa ustaľuje pri vysokých teplotách, a aby zaručila dobrú prepracovateľnosť, musi byť medzi iným premenená na a-fázu. Na druhej strane musia byt tiež k dispozícii dostačujúce podiely B-fáz, aby bola zachovaná heterogenita štruktúmej skladby, pretože ta výhodne ovplyvňuje stálost proti oteru.Premena B-fáz môže byť riadená ochladzovaním po nanesení liatím, pričom však by z hospodárskych hľadísk bolo žiaduce čo najrýchlejšie ochladenie. Zistilo sa, že ochladenie na 100 °C v rozmedzí 2 až 4 minút je vhodné na to, aby sa ustálil pomer a- ku B-fázam od 1,5 až do 3,0. Kompozitný materiál s takým pomerom (1- ku 3- spája dobré tribologické vlastnosti s dobrou prepracovateľnosťou,rovnako ako dobré korozívne vlastnosti a vysokú záťažiteľnosť.Následným žíhacím procesom môže byť pomer Ot- k 3-fázam ďalej zvýšený až na 6, čo pôsobí priaznivo na vlastnosti pre pretváranie.Pre klzné elementy, ako klzné ložiská alebo puzdrá, sa predovšetkým používa kompozitný vrstvený materiál, ktorého hrúbka nosného materiálu je pod 10 mm.Zliatina meď-zinok môže mať napríklad nasledujúce zloženieMeď 55 až 63 Hliník 1,5 až 2,5 Železo 0,5 až 0,8 Mangán 1,8 až 2,2 Nikel 0,7 až l Cín 0 až 0,1 Zinok zvyšok. Príkladnć zloženia zliatiny meď-hliník sú nasledujúce Hliník 7,5 až 11 Železo 0,5 až 3 Mangán 0,5 až 2 Nikel l až 3,5 Zinok 0 až 0,5 Med zvyšokKompozitný vrstvený materiál môže okrem toho obsahovat ešte temámu vrstvu, ako vrstvu na zábeh, napríklad z PbSnCu alebo zinkové výstelky.Prehľad obrázkov na výkresochPríklady foriem uskutočnenia sú V nasledujúcom bližšie objasnené na obrázkochobrázok l ukazuje výbrus ložiskovej zliatiny CuAl 9 Ni 3 Fe V stave po odliatí na podkladovom materiáli z ocele. Obrázky Za a 2 b ukazujú dva výbrusy kompozitného vrstveného materiálu s ložiskovou zliatinou CuZn 40 A 1 v stave po odliatí aobrázok 3 ukazuje stĺpcový diagram väzbovej pevnosti kompozitného materiálu CuAl 9 Ni 3 Fe 2, resp. CuZn 40 Al 2 na ocel v stave po odliati, resp. po tepelnom spracovaní v priamom porovnaní s obvyklými kompozítnými vrstvenými materiálmi.- Plátovanie oceľového pásu liatim predohrievacia teplota nosného materiálu 1100 °C,tavná teplota ložiskovej zliatiny 1200 °C- F rézovanie povrchu ložiskového kovu 5 - 15 hrúbky ložiskového kovuVýbrus tohto kompozitného vrstveného materiálu je možné vidiet na obrázku l. Na nosnom materiáli 1 z ocele sa nachádza tenká väzbová zóna 2, ktorá má 88 železa a 6 medi, pričom zvyšné súčasti tvoria zvyčajné súčasti ložiskových zliatin.Na väzbovej zóne 2 sa nachádza ložisková zliatina 3,ktorá má heterogénnu dendritickú štruktúru, pričom svetlé plôšky predstavujú ot-fázu. ot- a B-fázy sú v ložiskovej zliatine 3 v pomere 2,6.- Plátovanie oceľového pásu liatímpredohrievacia teplota nosného materiálu 1000 °C,tavná teplota ložiskovej zliatiny 1020 °C- Frézovanie povrchu ložiskového kovu 5 - 15 hrúbky ložiskového kovuNa obrázkoch 2 a a Zb sú uvedené výbrusy kompozitného vrstveného materiálu ložiskovej zliatiny v stave po odliati. Medzi oceľovou nosnou vrstvou 1 a ložiskovým materiálom 3 sa takisto nachádza väzbová zóna 2, ktorá má 81 železa a 8 medi, pričom zvyšné súčasti tvoria obvyklé súčastí ložiskových zliatin.Tiež tento materiál má heterogénnu štruktúru.Na obrázku 3 je v N/mm znázomená pevnosť väzby pre laminované materiály podľa príkladu uskutočnenia l, resp. 2, v porovnaní s obvyklými kompozítnými vrstvenými materiálmi. Sivá oblasť charakterizuje riadenia meraných veličín. Pritom bol skúmaný stav po odliati pri CuA 19 Ni 3 Fe 2, resp. CuZn 40 Al 2 rovnako ako stav po žíhaní. Zreteľne je možné rozoznať, že obidva nové kompozitné materiály z hľadiska adhéznej pevnosti jasne prekonávajú známe materiály oceľových vrstvených kompozitov ako CuAl 8, resp. CuPb 10 Sn 10. Tepelné spracovanie vykonávané preto, aby bola dosiahnutá potrebná skladba štruktúry pre neskoršie pretváranie, nepôsobí na adhéznu pevnosť negatívne (pri CuZn 40 Al 2 sa prilípavost k oceli dokonca ešte zlepšuje).1. Spôsob výroby kompozitného vrstveného materiálu pre klzné elementy, ako sú ložiskové panvy a ložiskové puzdra, pri ktorom sa ložisková zliatina nanáša na podkladový materiál, predovšetkým z ocele, pomocou kontinuálneho procesu pásového odlievania na nosný materiál,vyznačujúci sa tým, že nosný materiál sa predhrieva na teplotu od 1000 °C až 1100 °C, že odlievaním sa nanáša heterogénne sa tvoriaca, olovo neobsahujúca, ložisková zliatina na báze medi a zinku alebo medi a hliníka s teplotou 1000 °C až 1250 °C, že sa počas 2 až 4 minút laminovaný materiál schladí z teploty odlievania ložiskovej zliatiny pod 100 °C, 2. Spôsob podľa nároku l, vyz n ač uj ú ci s a t ý m , že sa vrstvený kompozitný materiál v intervale prvých 30 sekúnd ochladí z teploty odlievania ložiskovej zliatiny na teplotu tuhnutia ložiskovej zliatiny.3. Spôsob podľa nároku l alebo 2, v y z n a č uj ú c i s a t ý m , že po naneseni zliatiny meď-hliník a po ochladzovacom procese je vrstvený kompozitný materiál žíhaný pri 600 °C až 750 °C počas 4 až 10 hodín.4. Spôsob podľa niektorého z nárokov l až 3, v y značujúci sa tým, že po naneseni zliatiny meď-zinok a po ochladzovacom procese je vrstvený kompozitný materiál Žĺllaľlý pri 400 °C až 550 °C počas 4 až 10 hodin.5. Spôsob podľa niektorého z nárokov l až 4, v y značujúci sa tým, že sa ložisková zliatina odlieva v hrúbke DL, ktorá je k hrúbke nosného materiálu DT v pomere DL/DT 1 až 2.6. Vrstvený kompozitný materiál pre klzné elementy,ako ložiskové panvy a ložiskové puzdrá, s nosným materiálom z ocele a ložiskovou zliatinou nanesenou odlievanimvyznačujúci sa tým,želožiskovázliatina je bez olova a na báze zliatiny meď-zinok alebo med-hliník a má heterogénnu skladbu štruktúry, pričom medzi ložiskovou zliatinou (3, 3) a nosným materiálom (l, 1) existuje metalurgická väzbová zóna (2, 2), ktorá má 80až 95 železa, obvyklej nečistoty a zvyšok tvorí med a je vykryštalizovaná v kubickej sústave.7. Vrstvený kompozítný materiál podľa nároku 6,vyznačuj úci sa tým, že heterogénna štruktúra obsahuje oc- a ł-fázu.S. Vrstvený kompozítný materiál podľa nároku 6 alebo Zvyznačujúci sa tým,ževstavepood 1 íatí po ochladení a pred tepelným spracovaním sú 0 L- a B-fázy v pomere 1,5 až 3,0.9. Vrstvený kompozitný materiál podľa nároku 9,vyznačujúci sa tým,žepoprocesežíhanía je zvýšený pomer av k B-fázam až na 6.10. Vrstvený kompozitný materiál podľa niektorého z nárokov 6 až 9, vyznačujúci sa tým, že väzbová vrstva má hrúbku 5 až 50 m.ll. Vrstvený kompozitný materiál podľa niektorého z nárokovóažląvyznačujúci sa tým,že 1 ožísková zliatina má nasledujúce zloženie12. Vrstvený kompozítny materiál podľa niektorého z nárokov 6 až 10,vyznačuj úci sa tým,že 1 ožisková zliatina má nasledujúce zloženieMeď zvyšok Hliník 7,5 až 11 Železo 0,5 až 3,0 Mangán 0,5 až 2,0 Nikel 1 až 3,5 Zinok 0 až 0,513. Vrstvený kompozitný materiál podľa niektorého z nárokov 6 až 12,vyznačuj úci sa tým,žena odliatej ložískovej zliatíne je nanesená temáma vrstva alebo zínkovà výstelka ako vrstva na zábeh.

MPK / Značky

MPK: B32B 15/01, B22D 19/08, C22C 9/01, B22D 11/00, C22C 9/05

Značky: spôsob, elementy, kompozitný, klzné, výroby, materiál, vrstvený

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/8-284335-kompozitny-vrstveny-material-na-klzne-elementy-a-sposob-jeho-vyroby.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Kompozitný vrstvený materiál na klzné elementy a spôsob jeho výroby</a>

Podobne patenty