Ložisková zliatinová kompozícia a klzné ložisko

Číslo patentu: 285110

Dátum: 24.05.2006

Autori: Massey Ian David, Mcmeekin Kenneth Macleod

Je ešte 1 strana.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Opisuje sa ložisko a ložisková zliatinová kompozícia, pričom ložisková zliatina pozostáva z 5 až 10 % hmotnostných cínu, z 0,7 až 1,3 % hmotnostných medi, z 0,7 až 1,3 % hmotnostných niklu, z 1,5 až 3,5 % hmotnostných kremíka, z 0,1 až 0,3 % hmotnostných vanádu, z 0,1 až 0,3 % hmotnostných mangánu, zvyšok tvorí hliník popri nevyhnutných nečistotách.

Text

Pozerať všetko

Predložený vynález sa týka ložiskových materiálov obsahujúcich hliníkové zliatiny naviazane na silný nosný materiál.Vo vysokovýkonných intemých spaľovacích motoroch sa konvenčne používajú hriadeľové ložiská pozostávajúce bud zo zliatiny na báze medi alebo zliatiny na báze hliníka nejakým spôsobom naviazanej na pevný nosný alebo substrátový materiál, napriklad oceľ. Vlastný pracovný povrch Iožiskovej zliatiny, t. j. povrch, ktorý je vystavený pôsobeniu povrchu ložiskového čapu hriadeľa motora, je tiež vybavený takzvaným povlakom, čo je tenký povlak relativne mäkšej kovovej zliatiny, napríklad oloveno-cínovej, oloveno-cínovomedenej alebo oloveno-indiovej. Účelom povlaku je zabezpečiť ložisku vlastnosti prispôsobivosti a pohltivosti nečistôt. Prispôsobivosť je vlastnosť ložiska, ktorá umožňuje kompenzovat jemné mechanické nerovnosti medzi povrchmi 1 ožiska a hriadeľa a je mierou schopnosti povlakovej zliatiny distribuovať pôsobiacu záťaž. Pohltivosť nečistôt je vlastnosť, ktorá umožňuje zatlačenie čiastočiek nečistôt v mazacom oleji do mäkkej povlakovej zliatiny bez toho, aby sa spôsobilo poškodenie, napríklad poškriabanie hriadeľa. Hoci technické výhody ložísk s povlakom sú neodškriepiteľné,majú významnú nevýhodu vysokej ceny vdôsledku toho, že povlak sa nanáša galvanickým pokovovaním, čo je pomeme veľmi prácny proces.Výrobcovia motorových vozidiel častejšie žiadajú ložiská, ktoré nemajú povlaky, pretože sú lacnejšie. Ale niektoré motory, hoci nemajú osobitne vysoký špecifický výkon,vzhľadom na svoju konštrukciu majú vysokú záťaž ložísk hriadeľa, alebo majú veľmi tenké olejové filmy medzi ložiskom a ložiskovýrn čapom hriadeľa a sú preto náchylne na odieranie povrchu ložiska. K odieraniu dochádza tam, kde sa vyskytuje kontakt kovu s kovom medzi povrchom Iožiskoveho čapu hriadeľa a povrchom ložiska, t. j. olejový ñlm sa v bode kontaktu preruší a umožní kontakt kovu s kovom. Odieranie sa vzťahuje momentálny kontakt kovu skovom bez vlastného zaseknutia a následného zlyhania ložiska. Ale zatiaľ čo ložiská s povlakom sú osobitne odolné proti odieraniu, väčšina konvenčných zliatin na báze medi a hliníka je pomeme slabá, čo sa týka odolnosti proti odieraniu. Schopnosť vydržať odieranie je mierou prispôsobivosti zliatiny. Na rozdiel od odierania zasekávanie súvisí s nedostatkom kompatibility zliatiny.Jeden známy materiál, ktorý pozostáva z hliníka (6 hmotn.), cínu (1 hmotn.), medi (1 hmotn.) a niklu, má dobrú odolnosť proti odieraniu, ale má pomeme nízku medzu únavy a húževnatosť v stave bez povlaku, čo ho robí nevhodným pre modemejšie výkonné motory. Nízka medza únavy a húževnatosť je dôsledkom nízkej ťažnosti tejto zliatiny.Aby sa zvládla záťaž kladená na tieto materiály modernými motormi, je potrebná zliatina s významne zlepšenými mechanickými vlastnosťami, totiž pevnosťou v ťahu (15 ),tvrdosťou (15 ) a medzou únavy (16 ), v porovnaní s jednou z najsilnejšich známych hliníkových ložiskových zliatin pozostávajúcou z nasledujúcich prvkov hliník (12 hmotn.), cín (4 hmotn.), kremík (1 hmotn.) a med, ktorá je v roztokovo tepelne spracovanej forme. Kým pevnosť tejto zliatiny by sa dala zvýšiť zvýšením obsahu medi, vyrába sa ťažko a draho zvyčajnými výrobnými spôsobmi odlievanim ingotov, valcovaním na určitú veľkosť a navalcovaním na o ceľ vzhľadom na male zníženie veľkosti, ktore je možné pri každom prechode valcom pred tepelným spracovaním žíhanim.GB-A-227 l 779 opisuje hliníkovo-cinovo-kremíkovú ložiskovú zliatinu, ktorá môže ďalej obsahovať aspoň jeden z prvkov Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr a/alebo B vmnožstve od 0,1 do 3,0 hmotnostných na jeden prvok. Popri týchto prvkov zliatina ďalej obsahuje 0,2 až 5,0 hmotnosmých Cu, 0,1 až 3,0 hmotnostých Pb, 0,1 až 3,0 hmomostných Sb a 0,0 l až 1,0 hmotnostných Ti ako ďalšie legujúce prvky. Vysvetľuje sa tu, že ak obsah voliteľných prvkov Mn, Mg, V,Ni, Cr, Zr a B stúpne nad 3,0 hmotnostné, prispôsobivost ložiska sa môže zhoršiť a spracovateľnosť Iožiskovej zliatiny sa môže znížiť.Aj GB-A-2266564 sa zaoberá ložiskovými zliatinami na báze hliníka podobnými ako v opisanom GB 779. Aj v tomto prípade zliatina výhodne obsahuje aspoň jeden alebo dva ďalšie prvky - od 0,2 do 5,0 hmomostných Cu, od 0,1 do 3,0 hmotnostných Pb, od 0,1 do 3,0 hmotnostných Sb,Mn, Mg, V a Ni a 0,01 až 1,0 hmomostných Ti, pričom celkové množstvo Mn, Mg, V a Ni je V rozmedzí od 0,01 do 3,0 hmotnostných, Zliatiny vyrobené podľa návodov uvedených dvoch dokumentov sú však prakticky nespracovateľne norrnálnymi výrobnými metódami odlievania a valcovania s nasledujúcim navalcovaním vzhľadom na slabú ťažnosť a pre krehkosť zliatin. To platí, ked je obsah legujúcich prvkov malým zlomkom uvedených hodnôt.Cieľom predloženého vynálezu je poskytnúť hliníkovú zliatinu s vyššou pevnosťou a odolnosťou proti odieraniu ako známe zliatiny, pričom sa zachová nenáročnosť výroby.Podľa prvého aspektu predloženého vynálezu sa poskytuje ložisková zliatinová kompozícia obsahujúca v hmotnostných percentách cín 5 až 10 med 0,7 až 1,3 nikel 0,7 až 1,3 kremík 1,5 až 3,5 vanád 0,1 až 0,3 mangán 0,1 až 0,3 zvyšok tvori hliník popri nevyhnumých nečistotách.Obsah cínu leží výhodne v rozmedzí od 5,5 do 7 hmotnostných.Testovanie ložísk prekvapujúco ukázalo, že ked obsah kremíka klesne pod 1,5 hmotnostných, zvýši sa výskyt zaseknutí. Ked obsah kremíka presiahne 3,5 , kremíková siet má tendenciu byť hrubšia a významne sa zvýši výskyt praskania počas spracovania zliatiny napríklad valcovaním, čo vyžaduje dodatočné tepelné spracovanie a menšie zníženie rozmeru pri jednom prechode valcom, čím sa zvyšujú výrobné náklady. Obsah kremíka sa výhodne udržiava v rozmedzí od 2 do 3 hmotnostných.Je známe, že prídavky medi a niklu zvyšujú pevnosť ložiskových hliníkovo-zliatinových materiálov. Prídavky pod 0,7 hmotnostných nevedú k požadovanému efektu zníženia pevnosti, zatiaľ čo prídavky nad 1,3 hmotnostných robia zliatinu ťažko spracovateľnou. Pri vyšších obsahoch medi a niklu sú možné len pomeme malé zníženia rozmerov pri valcovaní pred potrebnými tepelnými spracovaniami žíhaním, čo zvyšuje cenu materiálu.Vanád má efekt zvyšovania húževnatosti zliatiny. Pod 0,1 hmotnosmého efekt rýchlo mizne, zatiaľ čo nad 0,3 hmotnosmého dochádza k efektu zvyšovania krehkosti. Obsah vanádu sa výhodne udržiava maximálne na 0,2 hmotnostného.Mangán, okrem toho, že je chemickým zosilňovačom zliatin, je známym činidlom zlepšujúcim zrnitosť, ktoré zabezpečuje menšie zmá a tým vyššiu pevnosť, ako by sa do SK 285110 B 6siahla bez neho. Pod 0,1 hmotnostného je efekt zmenšovania zŕn malý, zatiaľ čo nad 0,3 hmotnosmých mangánu sa spracovanie zliatiny stáva ťažkým a drahým, pretože vyžaduje znížené zmenšenie rozmeru pri valcovaní a dodatočne tepelne spracovanie.Zistili sme, že kombinácia týchto dvoch dodatočných prvkov - vanádu a mangánu - v malých množstvách v rámci predpísaných limitov má synergický účinok, pri ktorom sa pevnosť zliatiny výrazne zvýši a, čo je rovnako dôležité, nemá to význarrmý nepriaznivý dopad na prispôsobivosť a kompatibilitu zliatiny. Testy ukázali, že zliatina má zlepšenú medzu únavy a odolnost odieraníu pri porovnateľných záťažiach proti známym pevným hliníkovým zliatinám, pričom si udržiava nenáročnosť výroby pri nízkych nákladoch na spracovanie.Ale v typoch motorových aplikácií, na ktoré je táto zliatina určená, je to práve kombinácia zvýšenej mechanickej pevnosti spolu so zlepšenou odolnosťou proti odieraniu a prijateľná odolnost proti zasekávaniu, ktorá je prekvapujúcim efektom zliatinovej kompozície podľa predloženého vynálezu.Podľa druhého aspektu predloženého vynálezu sa poskytuje klzné ložisko pozostávaj úce z pevného nosného materiálu s naviazanou vrstvou ložiskovej zliatiny s nasledujúcou kompozíciou v hmotnosmých percentách cin 5 až 10 med 0,7 až 1,3 nikel 0,7 až 1,3 kremík 1,5 až 3,5 vanád 0,1 až 0,3 mangán 0,1 až 0,3 zvyšok tvorí hliník popri nevyhnutných nečistotách.Ložisko môže obsahovať aj medzivrstvu pomeme čistého hliníka alebo hliníkovo-zliatinového materiálu medzi ložiskovou zliatinou a pevným nosným materiálom.Týmto pevným nosným materiálom môže byt napríklad oceľ alebo bronz.Zistilo sa, že ťažnosť zliatiny obsahujúcej vanád aj mangán je významne vyššia ako ťažnosť zliatin obsahujúcich len jeden z týchto prídavkov. Predpokladá sa, že táto vlastnosť jeObrázok l ukazuje prierez cez časť obvodovej dĺžky v zásade polvalcového pololožiska cez rovinu kolmú na os ložiska. Ložisko 10 pozostáva z oceľovej nosnej vrstvy 12 s vrstvou 14 ložiskovej zliatiny s tenkou medzivrstvou 16 pomeme čistého hliníka medzi nimi. Postup výroby ložiska bude zrejmý z opísaného príkladu.Ložiská vyrobené z opísaného materiálu boli vytvarované do pololožísk na testovanie. Ložiská mali hrúbku steny 1,75 mm s hrúbkou ocele 1,5 mm a hrúbkou povlaku 0,25 mm.Ďalšie porovnávacie zliatiny so zložením podľa nižšie uvedenej tabuľky l sa vytvarovali do ložísk rovnakých rozmerov a testovali sa za rovnakých podmienok.Mechanické vlastnosti uvedených zliatin sú uvedené Vr v y - ~ - Materiál Tvrdosť UIS predl- l-lúžev- Veľkost äcällpovedna za zlepsenu odolnost proti odieraniu tohto mate povlaku (MPa) Ženĺa p. nam, t A ma (I-V 2,5) prasknutí m)Zatial čo materiál podľa predloženého vynálezu je určený predovšetkým na použitie napríklad v relatívne vysoko zaťažených motoroch náchylných na odieranie v dôsledkunízkej hrúbky olejového filmu pod náročnými pracovnými podmienkami, odbomíci v oblasti ložísk budú chápať, že tento materiál by fungoval dokonale uspokojivo pri povlakoch opísaného typu.Prehľad obrázkov na výkresochV záujme lepšieho pochopenia predloženého vynálezu bude teraz opísaný príklad jeho uskutočnenia len ako ilustrácia a s odkazom na priložené obrázky, kdeObrázok 1 ukazuje prierez cez časť ložiska využívajúceho zliatinu podľa predloženého vynálezu so zobrazením jednotlivých vrstiev.Obrázok 2 je stĺpcový diagram ukazujúci relatívne výsledky odolnosti odieraniu pre zliatinu podľa predloženého vynálezu a pre tri porovnávacie zliatiny.Obrázok 3 ukazuje podobný stĺpcový graf ako obrázok 2,ale zobrazuje relatívne výsledky zasekávania pre tie isté zliatmy.Obrázky 4 A až 4 C ukazujú čiastočný prierez skúšobného prístroja na určovanie miery odierania a zasekávania a grafy indikujúce testové režimy pre únavu (4 B) a testovanie odierania/zasekávania (4 C).Kde húževnatost (0,66 x UTS) x predĺženie pri prasknutí je to vzťah medzi pevnosťou a ťažnosťou. Ide o mieru,ktorá nemá žiadne jednotky.Vidno, že zliatina podľa vynálezu je nielen silnejšia ako porovnávacie zliatiny, ale nestráca žiadnu ťažnosť oproti zliatinátn l a 3, ktore sú tiež hliníkovo-cinovo-kremíkovomedené zliatiny.Ložiská sa testovali, aby sa určila ich medza únavy, záťaž, pri ktorej dôjde k odieraniu, a najvyššia záťaž, pri ktorej dôjde k zaselcnutiu. Testy sa uskutočnili na známom prístroji Sapphire podľa obrázka 4 A. Prístroj 20 pozostáva zo skúšobného hriadeľa 22 so stredovou výstrednou časťou 24 nesenou skúšanými ložískami 26, 28, pričom vonkajšie konce hriadeľa sú zachytené v pomocných ložiskách 30, 32. Hriadelom otáča hnaci motor 36 a záťaž sa vyvíja na skúšané ložiská 26, 28 ojnícou 40, na ktorú sa vyvíja sila piestom 42,ktorý sa ovláda hydraulickými prostriedkami 46, 48. Tenzometer 50 meria aplikovanú záťaž. Obrázky 4 B a 4 C ukazujú typické režimy testovania únavy a odierania/zasekávania. Kapacita únavovej záťaže je záťaž, ktorá spôsobí únavu pri 200 hodinách chodu. Za prevádzky prístroj zobrazený na obrázku 4 A vyvíja záťaž na skúšané ložiská 26, 28 pomocouvýstrednej časti 24 a hydraulický zaťažený piest 42 tým vyvíja sínusoidnú dynamickú záťaž na ložiská. Pomocou počítačového riadiaceho systému (nezobrazený) sa programované progresívne zvyšovanie záťaže stáva Základom na meranie vlastností povrchu. V tomto režime zvyšovania záťaže sa minimálna hrúbka olejového filmu postupne znižuje a pomocou zvyšovania teploty sa meria záťaž, pri ktorej sa materiál zotrie alebo oderíe pri kontakte s geometrickými nepresnosťamí na hriadeli a/alebo záťaž, pri ktorej sa materiál privarí na hríadeľ. Odolnosť proti odieraniu je mierou prispôsobivosti materiálu, zatiaľ čo odolnosť proti zaseknutiu je mierou kompatibility.Obrázok 4 B ukazuje ilustratívny schematícký graf ukazujúci, že so zvyšujúcou sa záťažou ložiska klesá počet cyklov, ktoré ložisko vydrží pred únavou. Obrázok 4 C ilustruje plán testu odierania/zasekávania. Na skúšané ložisko sa aplikuje rastúca záťaž, kým nedôjde k odretiu alebo zaseknutiu. Odretie alebo zaseknutie je vo všeobecnosti indikovaná zvýšením teploty na povrchu ložiska. Odretie väčšinou spôsobi momentálne stúpnutie teploty, zatiaľ čo zaseknutíe spôsobí dlhodobé zvýšenie teploty sprevádzané poklesom tlaku oleja. Výsledky testov sú uvedené v tabuľke 3.Relatívne vlasmosti ložísk zobrazené v tabuľke 3 sú založené na 18 testoch pre zliatinu podľa vynálezu a minimálne 60 testoch pre každú z porovnávacích zliatin. V tabuľke je zliatine Al 20 SnlCu (porovnávacia zliatina 2) priradená základná miera 1, s ktorou sa porovnávajú všetky ostatné zliatiny vrátane zliatiny podľa vynálezu. Teda napríklad medza únavy zliatiny podľa vynálezu je o 34 vyššia ako medza únavy porovnávacej zliatiny 2.Ako možno vidieť z tabuľky 3, medza únavy zliatiny podľa predloženého vynálezu je významne vyššia ako medze únavy troch porovnávacích zliatiny a hoci má nižšiu odolnosť proti zaseknutiu, má aj zlepšenú odolnost proti odieraniu v porovnaní s ďalšími známymi porovnávacími Al/Sn/Si zliatinamí 1 a 3. Výsledky uvedené v tabuľke 3 sú graficky zobrazené na obrázkoch 2 a 3.V zásade materiál podľa predloženého vynálezu má významne medzu únavy ako známe zliatiny, pričom si zachováva úplne adekvátnu odolnosť odieraniu aj zasekávaniu. Preto zliatiny podľa predloženého vynálezu sú osobitne užitočné pre motory vyžadujúce vyššiu medzu únavy a odolnosť proti odieraníu ako známe kremík obsahujúce zliatiny, ale ktoré nevyžadujú osobitne vysoké miery odolnosti proti zasekávaniu.- nostných mangánu, zvyšok tvorí hliník popri nevyhnutných nečistotách.2. Ložisková zliatina podľa nároku l, v y z n a č u j ú c a s a tý m , že obsah cínuje vrozmedží od 5,5 do 7 hmotnosmých.3. Ložisková zliatina podľa nároku l alebo nároku 2,vyznačuj úca sa tým,žeobsahkremíkasaudržiava v rozmedzí od 2 do 3 hmotnosmých.4. Ložisková zliatina podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcichnárokomvyznačuj úca sa tým,že obsah vanádu je maximálne 0,2 hmotnostných.5. Klznéložiskąvyznačujúce sa tým,že pozostáva z pevného nosného materiálu s naviazanou vrstvou ložiskovej zliatinovej kompozície pozostávajúcej z 5 až 10 hmotnostných cínu, z 0,7 až 1,3 hmotnostných medí, z 0,7 až 1,3 llľll 0 l.ľl 0 StľlýCh niklu, z 1,5 až 3,5 hmotnostných kremíka, z 0,1 až 0,3 hmotnostných vanádu, z 0,1 až 0,3 hmotnostných mangánu, zvyšok tvorí hliník popri nevyhnutných nečístotách.6. Klzné ložisko podľa nároku 5, v y z n a č uj ú c e s a t ý m , že ložisko ďalej obsahuje medzivrstvu pomeme čistého hliníka alebo hliníkovej zliatiny medzi ložiskovou zliatinou a pevným nosnýrrt materiálom.7. Klzné ložisko podľa nároku 5 alebo nároku 6, v y zn ačuj ú ce sa tý m,žepevnýnosnýmateriálje vybraný spomedzi ocele a bronzu.8. Klzné ložisko podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcíchnárokov 5 až 7,vyznačuj úce sa tým,že vonkajší povrch ložiskovej zliatiny je vybavený povlakovou vrstvou.

MPK / Značky

MPK: C22C 21/00

Značky: klzné, kompozícia, zliatinová, ložisková, ložisko

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/9-285110-loziskova-zliatinova-kompozicia-a-klzne-lozisko.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Ložisková zliatinová kompozícia a klzné ložisko</a>

Podobne patenty