Rulment compozit bimetal HZ-800: proprietăți, date de încărcare și uzură

Rulmentul compozit bimetal HZ-800 este un aliaj de bronz sinterizat cu spate, nu o bucșă solidă turnată

The Rulment bimetal compozit HZ-800 este un rulment simplu proiectat cu precizie, construit prin sinterizarea unei pulberi specificate de aliaj de bronz direct pe o bandă de suport din oțel cu conținut scăzut de carbon, apoi rularea și prelucrarea compozitului în forma de rulment finit. Suportul din oțel oferă rezistența mecanică și stabilitatea dimensională pentru a menține o fixare prin presare într-un orificiu de carcasă, în timp ce stratul de bronz sinterizat - de obicei un aliaj CuSn10Pb10 cu o grosime nominală de 0,25 până la 0,40 milimetri pe un perete standard HZ-800 - servește drept suprafață reală de rezemare. . Porozitatea stratului de bronz sinterizat, controlată în mod deliberat la 15% până la 25% în volum, acționează ca un rezervor pentru lubrifiant. Când rulmentul este impregnat cu ulei în timpul producției, rețeaua de pori interconectați stochează lubrifiant care este atras de suprafața rulmentului prin dilatare termică și acțiune capilară în timpul funcționării, oferind un efect de auto-lubrifiere care reduce sau elimină nevoia de re-ungere externă în multe aplicații. Denumirea HZ-800 în sine se referă la formularea specifică a aliajului și la parametrii procesului de fabricație, suportul din oțel contribuind cu aproximativ 70% până la 80% din grosimea totală a peretelui, iar stratul de bronz formând restul. Această construcție este fundamental diferită de o bucșă din bronz solid, care are același material pe tot peretele său și nu are atât rigiditatea structurală a oțelului, cât și rezervorul de lubrifiant cu porozitate controlată.

Compoziția materialului și legătura metalurgică la interfață

Rulmentul HZ-800 își atinge performanța printr-un sistem de materiale specific. Suportul din oțel este de obicei a oțel cu conținut scăzut de carbon conform cu SAE 1010 sau echivalent, selectat pentru formabilitatea și capacitatea sa de a forma o legătură de difuzie cu pulberea de bronz în timpul sinterizării . Pulberea de aliaj de bronz, o pulbere sferică sau neregulată, cu o distribuție a dimensiunii particulelor de obicei cuprinsă între 45 și 150 de microni, este răspândită pe banda de oțel într-un strat controlat și trecută printr-un cuptor de sinterizare la o temperatură de aproximativ 800 până la 850 de grade Celsius într-o atmosferă reducătoare. La această temperatură, particulele de cupru și staniu se topesc parțial și se topesc între ele și cu substratul de oțel, creând o legătură metalurgică care rezistă delaminarii chiar și sub solicitările de forfecare generate atunci când rulmentul este presat într-o carcasă sau supus sarcinilor fluctuante. Aliajul de bronz în sine — de obicei conține 10% staniu și 10% plumb în greutate - oferă o combinație de rezistență a substanței dizolvate de staniu din matricea de cupru și încorporare a particulelor de plumb discrete dispersate în întreaga structură. Faza de plumb îndeplinește o funcție critică: furnizează un constituent moale, forfeabil, care permite ca particulele contaminante dure să se înglobeze în suprafața lagărului, mai degrabă decât să înțepenească pivotul arborelui. Această capacitate de încorporare este unul dintre motivele principale pentru care un rulment bimetal este specificat peste un material mai dur, cum ar fi un rulment cu elemente de rulare, pentru aplicații care implică medii de operare murdare sau contaminate.

Atmosfera de sinterizare și efectul acesteia asupra integrității legăturilor

Procesul de sinterizare care leagă stratul de bronz de suportul de oțel trebuie efectuat în a atmosferă reducătoare controlată, de obicei un amestec de azot și hidrogen sau o atmosferă de amoniac crăpată cu un punct de rouă sub -40 grade Celsius . Gazul reducător previne oxidarea pulberii de bronz în timpul sinterizării și reduce orice peliculă de oxid existente pe suprafața oțelului care ar inhiba formarea unei legături metalurgice curate. Dacă punctul de rouă din atmosferă depășește specificațiile în timpul producției, rezistența de aderență la interfața bimetală se degradează semnificativ, iar rulmentul va fi susceptibil la delaminare atunci când este supus solicitărilor de interferență ale unei instalații prin presare. Un rulment HZ-800 sinterizat corespunzător ar trebui să prezinte a rezistența la forfecare de legătură care depășește 80 MPa atunci când este testată în conformitate cu ISO 4386-2 , iar suprafața de fractură ar trebui să prezinte defecțiuni coezive în stratul de bronz, mai degrabă decât defecțiuni adezive la interfața oțel-bronz.

Capacitatea de încărcare și limita PV care definește anvelopa de funcționare

Anvelopa de performanță a unui rulment bimetal compozit HZ-800 este definită în primul rând de limita sa PV - produsul presiunii lagărului în MPa și viteza de suprafață în metri pe secundă la care rulmentul poate funcționa continuu fără a-și depăși limitele termice și de uzură. Sub condiții de lubrifiere la limită, rulmentul HZ-800 prezintă de obicei o limită PV de 3,0 până la 3,6 MPa·m/s . În condiții hidrodinamice în care o peliculă plină de ulei separă rulmentul de arbore, capacitatea fotovoltaică crește substanțial deoarece suprafața de bronz nu este în contact direct cu arborele. Capacitatea de încărcare statică a stratului de bronz depinde de temperatura rulmentului: la temperatura camerei, aliajul CuSn10Pb10 poate suporta solicitări de compresiune de până la 140 MPa fără deformare plastică semnificativă, dar această valoare scade la aproximativ 90 MPa la 150 de grade Celsius datorită înmuierei termice a matricei de bronz. Capacitatea de încărcare este, de asemenea, o funcție a raportului lungime-diametru al rulmentului; un rulment cu un raport L/D sub 0,5 prezintă concentrații de tensiuni de încărcare pe margine care reduc capacitatea efectivă de încărcare cu până la 30% în comparație cu un rulment cu un L/D de 1,0 în aceeași zonă proiectată.

Impregnarea cu ulei și mecanismul de autolubrificare

Rulmentul HZ-800 este furnizat de obicei într-o stare impregnată cu ulei. Procesul de impregnare cu ulei presupune scufundarea rulmentului finit în ulei mineral încălzit la aproximativ 60 până la 80 de grade Celsius sub vid, ceea ce evacuează aerul din structura poroasă de bronz și permite uleiului să umple complet rețeaua de pori interconectați. . Conținutul de ulei în volum al unui rulment HZ-800 impregnat corespunzător este de 12% până la 18%. În timpul funcționării, încălzirea prin frecare face ca uleiul din pori să se extindă, iar coeficientul de dilatare termică al uleiului - aproximativ 7 × 10⁻⁴ pe grad Celsius - îl depășește pe cel al structurii de bronz, forțând uleiul să exude din deschiderile porilor pe suprafața rulmentului. Când funcționarea se oprește și rulmentul se răcește, uleiul se contractă și este atras înapoi în pori prin acțiune capilară. Acest mecanism de pompare termică asigură o alimentare continuă cu lubrifiant la interfața rulmentului fără a necesita o alimentare externă cu ulei. Pentru aplicații cu temperaturi ridicate de funcționare, uleiul mineral standard poate fi înlocuit cu a ulei de ester sintetic sau perfluoropolieter cu o limită de stabilitate termică mai mare , extinzând capacitatea de auto-lubrifiere a rulmentului la temperaturi de peste 200 de grade Celsius, unde uleiul mineral s-ar oxida și carboniza în structura porilor.

Tolerări de prelucrare și dimensiunea finală a alezajului după montarea prin presare

Un rulment bimetal compozit HZ-800 este instalat de obicei cu o interferență prin presare într-un orificiu pregătit al carcasei, iar această interferență face ca orificiul rulmentului să se închidă într-o cantitate previzibilă. The închiderea alezajului este de aproximativ 80% până la 90% din interferența diametrală — ceea ce înseamnă că un rulment presat într-o carcasă cu 0,050 milimetri de interferență va experimenta o reducere a diametrului alezajului de la 0,040 la 0,045 milimetri. Această închidere trebuie luată în considerare fie prin specificarea unui rulment cu un orificiu supradimensionat care se închide la jocul de rulare dorit la instalare, fie prin prelucrarea alezajului rulmentului după instalare pentru a obține jocul final de rulare. Jocul de rulare pentru un rulment HZ-800 este de obicei 0,001 până la 0,0025 ori diametrul arborelui pentru aplicații de precizie și de 0,002 până la 0,004 ori pentru uz industrial general . Dacă alezajul rulmentului urmează să fie prelucrat după instalare, alocația de prelucrare - grosimea suplimentară a bronzului prevăzută pentru îndepărtare - este de obicei de 0,05 până la 0,15 milimetri pe diametru, în funcție de dimensiunea rulmentului. Prelucrarea trebuie efectuată cu o unealtă ascuțită cu un singur punct, cu o rază a vârfului de cel puțin 0,4 milimetri pentru a evita murdăria suprafeței de bronz și închiderea porilor care sunt esențiali pentru funcția de autolubrifiere. Alezarea este preferată față de alezarea pentru dimensionarea finală, deoarece o alezătoare produce o finisare a suprafeței care păstrează deschiderea porilor, în timp ce o unealtă de alezat uzată sau tocită poate unge bronzul și etanșează deschiderile porilor.

Cerințe de toleranță și rotunjime ale carcasei

Alezajul carcasei în care este presat rulmentul HZ-800 trebuie să îndeplinească cerințe specifice de toleranță și rotunjime pentru a asigura o interferență uniformă în jurul circumferinței rulmentului. Toleranța alezajului carcasei pentru o instalare tipică a rulmenților HZ-800 este H7 conform ISO 286, cu o abatere de rotunjime care nu depășește 0,01 milimetri pentru rulmenți cu diametrul exterior de până la 50 milimetri . Un orificiu deformat al carcasei concentrează interferența prin presare în punctele înalte ale carcasei, producând puncte înalte corespunzătoare pe orificiul rulmentului care reduc jocul de rulare la nivel local și pot provoca contactul metal-metal între rulment și arbore în timpul funcționării inițiale. Acest contact, chiar dacă este scurt, poate păta suprafața rulmentului și poate compromite capacitatea de formare a peliculei de ulei pentru restul duratei de viață a rulmentului. Finisajul suprafeței găurii carcasei ar trebui să fie Ra 1,6 până la 3,2 microni - suficient de neted pentru a oferi un sprijin constant, fără a fi atât de neted încât rulmentul să poată ieși din carcasă sub vibrații.

Cerințele arborelui și împerecherea materialului de contrafață

Arborele care rulează într-un rulment bimetal compozit HZ-800 trebuie să îndeplinească cerințele specifice de duritate, finisare a suprafeței și material pentru a atinge durata de viață de proiectare a rulmentului. Jurnalul arborelui ar trebui să aibă a duritate minimă a suprafeței de 55 HRC pentru aplicații cu contaminare abrazivă și 45 HRC pentru condiții de lubrifiere curată ; un arbore mai moale va fi marcat de suprafața lagărului plumb-bronz, în special în timpul funcționării pornire-oprire când pelicula de ulei nu este complet stabilită. Finisajul suprafeței arborelui ar trebui să fie Ra 0,2 până la 0,4 microni — mai fină decât suprafața lagărului în sine — pentru a preveni asperitățile arborelui să acționeze ca un instrument de tăiere pe bronzul mai moale. Asocierea materialului arborelui cu bronzul CuSn10Pb10 este favorabilă pentru majoritatea oțelurilor, inclusiv 1045 călit prin inducție, 8620 și 4140 nitrurat. Arborele din oțel inoxidabil necesită atenție: stratul pasiv de oxid de crom de pe oțel inoxidabil asigură ungere slabă la limită și un comportament de lubrifiere slab împotriva rulării arborelui inoxidabil H800. să fie placate cu crom dur sau să primească un tratament de suprafață, cum ar fi nitrurarea cu plasmă, pentru a îmbunătăți compatibilitatea tribologică. Teșirea de intrare a arborelui este, de asemenea, critică—a Teșire de 15 până la 20 de grade cu un finisaj de suprafață lustruit previne ca muchia ascuțită a arborelui să rase materialul de bronz din orificiul rulmentului în timpul asamblării, ceea ce ar introduce resturi metalice direct în jocul de rulare al rulmentului.

Caracteristicile de uzură și cele trei etape ale vieții rulmenților

Comportamentul la uzură al unui rulment HZ-800 urmează un model previzibil în trei etape care poate fi monitorizat pentru a programa înlocuirea rulmentului înainte de apariția unei defecțiuni catastrofale. The etapa inițială de rodare are loc în primele ore de funcționare și implică îndepărtarea celor mai mari asperități de pe suprafața lagărului și stabilirea unei geometrii de contact conforme cu arborele. În această etapă, o adâncime de uzură măsurabilă de 5 până la 15 microni este normală și de așteptat, iar rata de uzură scade rapid pe măsură ce suprafața de contact crește. The stadiul de uzură în stare de echilibru se caracterizează printr-o rată de uzură scăzută și constantă – de obicei 0,1 până la 0,5 microni la 100 de ore de funcționare în condiții bine lubrifiate în limita PV – și reprezintă durata de viață utilă a rulmentului. The stadiu de uzură accelerată începe atunci când stratul de lagăr de bronz s-a uzat până la suportul de oțel sau când rezervorul de ulei din structura poroasă a fost epuizat dincolo de capacitatea sa de a furniza lubrifiant la suprafață. În acest moment, rata de uzură crește cu un factor de 10 sau mai mult, iar suportul de oțel începe să uzeze direct jurnalul arborelui. Într-o aplicație bine proiectată, cu lubrifiere adecvată, rulmentul HZ-800 ar trebui să atingă o durată de viață de 5.000 până la 20.000 de ore înainte de debutul uzurii accelerate, cu intervalul determinat de încărcarea PV, curățenia mediului de operare și eficacitatea sistemului de alimentare cu lubrifiant.

Diagnosticul eșecului și diferența dintre uzura adeziv și abraziv

Când un rulment HZ-800 este scos din funcțiune pentru examinare, modelul de uzură de pe suprafața rulmentului oferă informații de diagnostic despre condițiile de funcționare care au determinat rulmentul să ajungă la sfârșitul duratei de viață. Uzura adeziva apare ca bronz mânjit, transfer al materialului de rulment pe arbore și o suprafață de rulment ruptă, rugoasă. Indică faptul că pelicula de ulei s-a rupt, permițând contactul metal-metal, iar cauza principală este de obicei supraîncărcare, clearance-ul insuficient sau lipsa de lubrifiant. Uzură abrazivă apare sub formă de scoruri circumferențiale pe suprafața rulmentului cu caneluri cu muchii ascuțite care se potrivesc cu direcția de așezare a finisării suprafeței arborelui. Indică contaminarea cu particule dure în lubrifiant sau pe suprafața arborelui. Uzura de oboseala apare sub formă de spărturi, rupturi sau fisuri legate la suprafață în stratul de bronz și indică faptul că încărcarea ciclică a depășit limita de oboseală a aliajului de bronz. Oboseala este adesea modul de defectare a etapei finale pentru rulmenții care au funcționat corect pe durata de viață proiectată și ating limita naturală a integrității mecanice a stratului de bronz. Distingerea acestor moduri de uzură în timpul examinării post-mortem este esențială pentru a determina dacă rulmentul de înlocuire poate fi instalat fără modificări ale sistemului sau dacă parametrii de aplicare a rulmentului - sarcină, viteză, joc sau lubrifiere - trebuie modificați.

Distingerea HZ-800 de alte tipuri de rulmenți bimetalici din aceeași familie de produse

Rulmentul bimetal compozit HZ-800 este un membru al unei familii mai largi de rulmenți bimetalici care se diferențiază prin compoziția aliajului de bronz și domeniul de aplicare prevăzut. O denumire precum HZ-800 indică de obicei un aliaj cupru-staniu-plumb cu un raport specific staniu-plumb și un interval de duritate specific - de obicei 60 până la 80 HB pe scara Brinell pentru stratul de bronz . Un grad înrudit cu o denumire diferită, cum ar fi unul cu un conținut mai mare de staniu și fără plumb, ar prezenta o capacitate de încărcare mai mare și o duritate mai mare, dar o capacitate de încorporare mai mică, făcându-l potrivit pentru condiții de lubrifiere curată, dar nepotrivit pentru mediile contaminate în care trebuie încorporate particule abrazive. Un grad cu un conținut mai mare de plumb ar prezenta o mai bună încorporare și conformabilitate, dar o capacitate de încărcare mai mică și o temperatură maximă de funcționare mai mică, deoarece faza de plumb se înmoaie la temperaturi peste 150 de grade Celsius. Aliajul specific HZ-800 este formulat pentru un echilibru de proprietăți potrivite aplicațiilor industriale generale: rezistență suficientă pentru sarcini moderate până la mari, conținut suficient de plumb pentru încorporare în medii ușor contaminate și un proces de sinterizare care produce porozitatea controlată necesară auto-lubrifierii impregnate cu ulei. Când se specifică un rulment de înlocuire, denumirea trebuie să se potrivească exact, deoarece un rulment cu dimensiunile corecte, dar o denumire diferită a aliajului va avea caracteristici diferite de uzură, sarcină și temperatură care ar putea să nu fie compatibile cu aplicația.