Bimetalové kompozitné ložisko HZ-800: Vlastnosti, údaje o zaťažení a opotrebovaní

Bimetalové kompozitné ložisko HZ-800 je spekaná bronzová zliatina, nie liate pevné puzdro

The Bimetalové kompozitné ložisko HZ-800 je precízne skonštruované klzné ložisko skonštruované spekaním špecifikovaného prášku bronzovej zliatiny priamo na nosný pás z nízkouhlíkovej ocele, potom valcovaním a opracovaním kompozitu do finálnej formy ložiska. Oceľová podložka poskytuje mechanickú pevnosť a rozmerovú stabilitu na udržanie lisovaného uloženia v otvore puzdra, zatiaľ čo ako skutočná nosná plocha slúži vrstva spekaného bronzu – zvyčajne zliatina CuSn10Pb10 s nominálnou hrúbkou 0,25 až 0,40 milimetra na štandardnej stene HZ-800 . Pórovitosť vrstvy sintrovaného bronzu, zámerne kontrolovaná na 15 % až 25 % objemu, pôsobí ako rezervoár pre mazivo. Keď je ložisko počas výroby impregnované olejom, sieť prepojených pórov ukladá mazivo, ktoré je priťahované k povrchu ložiska tepelnou rozťažnosťou a kapilárnym pôsobením počas prevádzky, čo poskytuje samomazací efekt, ktorý znižuje alebo eliminuje potrebu vonkajšieho premazania v mnohých aplikáciách. Samotné označenie HZ-800 odkazuje na špecifické zloženie zliatiny a parametre výrobného procesu, pričom oceľový podklad tvorí približne 70 % až 80 % celkovej hrúbky steny a bronzová vrstva tvorí zvyšok. Táto konštrukcia sa zásadne líši od masívneho bronzového puzdra, ktoré má v celej stene rovnaký materiál a chýba mu štrukturálna tuhosť ocele ani zásobník maziva s riadenou pórovitosťou.

Materiálové zloženie a metalurgická väzba na rozhraní

Ložisko HZ-800 dosahuje svoj výkon prostredníctvom špecifického materiálového systému. Oceľová podložka je typicky a nízkouhlíková oceľ zodpovedajúca SAE 1010 alebo ekvivalentu, vybraná pre svoju tvárnosť a schopnosť vytvárať difúznu väzbu s bronzovým práškom počas spekania . Prášok z bronzovej zliatiny, sférický alebo nepravidelný prášok s distribúciou veľkosti častíc typicky v rozsahu od 45 do 150 mikrónov, sa rozprestrie na oceľový pás v riadenej vrstve a prechádza cez spekaciu pec pri teplote približne 800 až 850 stupňov Celzia v redukčnej atmosfére. Pri tejto teplote sa častice medi a cínu čiastočne tavia a spájajú navzájom a s oceľovým substrátom, čím sa vytvorí metalurgická väzba, ktorá odoláva delaminácii aj pri šmykových napätiach, ktoré vznikajú, keď je ložisko zalisované do puzdra alebo je vystavené kolísavým zaťaženiam. Samotná zliatina bronzu – zvyčajne obsahuje 10 % cínu a 10 % hmotnosti olova — poskytuje kombináciu pevnosti rozpustenej látky cínu v medenej matrici a zabudovateľnosti z diskrétnych olovených častíc rozptýlených v štruktúre. Olovená fáza plní kritickú funkciu: poskytuje mäkkú, strihateľnú zložku, ktorá umožňuje tvrdým časticiam kontaminantov usadiť sa do povrchu ložiska namiesto toho, aby ryhovali čap hriadeľa. Táto zabudovateľnosť je jedným z hlavných dôvodov, prečo je bimetalové ložisko špecifikované pred tvrdším materiálom, akým je napríklad valivé ložisko pre aplikácie zahŕňajúce špinavé alebo kontaminované prevádzkové prostredie.

Atmosféra spekania a jej vplyv na integritu väzby

Proces spekania, ktorý spája bronzovú vrstvu s oceľovým podkladom, sa musí vykonať v a riadená redukčná atmosféra, typicky zmes dusíka a vodíka alebo krakovaná atmosféra amoniaku s rosným bodom pod -40 stupňov Celzia . Redukčný plyn zabraňuje oxidácii bronzového prášku počas spekania a redukuje akékoľvek existujúce oxidové filmy na povrchu ocele, ktoré by bránili tvorbe čistého metalurgického spojenia. Ak sa rosný bod atmosféry počas výroby posunie nad špecifikáciu, pevnosť spojenia na bimetalovom rozhraní sa výrazne zníži a ložisko bude náchylné na delamináciu, keď bude vystavené interferenčným napätiam pri inštalácii lisovaného uloženia. Správne spekané ložisko HZ-800 by malo vykazovať a pevnosť spoja v šmyku presahujúca 80 MPa pri skúšaní v súlade s ISO 4386-2 a povrch lomu by mal vykazovať skôr kohézne zlyhanie v rámci bronzovej vrstvy než zlyhanie adhézie na rozhraní oceľ-bronz.

Kapacita zaťaženia a limit PV, ktorý definuje prevádzkovú obálku

Výkonnostná obálka bimetalového kompozitného ložiska HZ-800 je definovaná predovšetkým jeho PV limitom – súčinom tlaku ložiska v MPa a povrchovej rýchlosti v metroch za sekundu, pri ktorej môže ložisko pracovať nepretržite bez prekročenia svojich tepelných limitov a limitov opotrebovania. Pod medzné podmienky mazania, ložisko HZ-800 typicky vykazuje PV limit 3,0 až 3,6 MPa·m/s . V hydrodynamických podmienkach, kde plný olejový film oddeľuje ložisko od hriadeľa, sa kapacita PV podstatne zvyšuje, pretože bronzový povrch nie je v priamom kontakte s hriadeľom. Statická únosnosť bronzovej vrstvy závisí od teploty ložiska: pri izbovej teplote môže zliatina CuSn10Pb10 znášať tlakové napätia až do 140 MPa bez výraznej plastickej deformácie, ale táto hodnota klesá na približne 90 MPa pri 150 stupňoch Celzia v dôsledku tepelného mäknutia bronzovej matrice. Nosnosť je tiež funkciou pomeru dĺžky a priemeru ložiska; ložisko s pomerom L/D nižším ako 0,5 vykazuje koncentrácie okrajového zaťaženia, ktoré znižujú efektívnu nosnosť až o 30 % v porovnaní s ložiskom s L/D 1,0 na rovnakej projektovanej ploche.

Olejová impregnácia a samomazací mechanizmus

Ložisko HZ-800 sa zvyčajne dodáva v olejom impregnovanom stave. Proces impregnácie oleja zahŕňa ponorenie hotového ložiska do zahriateho minerálneho oleja pri teplote približne 60 až 80 stupňov Celzia vo vákuu, čím sa odsaje vzduch z pórovitej bronzovej štruktúry a olej úplne vyplní prepojenú sieť pórov . Obsah oleja v objeme správne impregnovaného ložiska HZ-800 je 12 % až 18 %. Počas prevádzky zahrievanie trením spôsobuje rozšírenie oleja v póroch a koeficient tepelnej rozťažnosti oleja – približne 7 × 10⁻⁴ na stupeň Celzia – prevyšuje koeficient bronzovej štruktúry, čo núti olej vytekať z otvorov pórov na povrch ložiska. Keď sa prevádzka zastaví a ložisko sa ochladí, olej sa stiahne a kapilárnym pôsobením sa vtiahne späť do pórov. Tento mechanizmus tepelného čerpania poskytuje nepretržitý prísun maziva na rozhranie ložiska bez potreby externého prívodu oleja. Pre aplikácie s vysokými prevádzkovými teplotami je možné štandardný minerálny olej nahradiť a syntetický esterový alebo perfluórpolyéterový olej s vyšším limitom tepelnej stability , čím sa rozšíri samomazná schopnosť ložiska na teploty nad 200 stupňov Celzia, kde by minerálny olej oxidoval a karbonizoval v štruktúre pórov.

Prídavky na obrábanie a konečný rozmer otvoru po nalisovaní

Bimetalové kompozitné ložisko HZ-800 sa zvyčajne inštaluje s presahom lisovaného uloženia do pripraveného otvoru v puzdre a tento presah spôsobí, že sa otvor ložiska uzavrie v predvídateľnej miere. The uzavretie otvoru je približne 80 % až 90 % presahu priemeru - čo znamená, že ložisko zalisované do puzdra s presahom 0,050 milimetra zaznamená zmenšenie priemeru otvoru o 0,040 až 0,045 milimetra. Toto uzavretie musí byť zohľadnené buď špecifikovaním ložiska s nadrozmerným otvorom, ktoré sa pri montáži uzavrie do požadovanej jazdnej vôle, alebo opracovaním diery ložiska po inštalácii, aby sa dosiahla konečná jazdná vôľa. Obežná vôľa pre ložisko HZ-800 je zvyčajne 0,001 až 0,0025 násobok priemeru hriadeľa pre presné aplikácie a 0,002 až 0,004 násobok pre všeobecné priemyselné použitie . Ak sa má otvor ložiska opracovať po inštalácii, prídavok na opracovanie – dodatočná hrúbka bronzu poskytnutá na odstránenie – je zvyčajne 0,05 až 0,15 milimetra na priemere v závislosti od veľkosti ložiska. Opracovanie sa musí vykonávať ostrým jednobodovým nástrojom s polomerom hrotu aspoň 0,4 milimetra, aby nedošlo k rozmazaniu bronzového povrchu a uzavretiu pórov, ktoré sú nevyhnutné pre samomaznú funkciu. Vystružovanie je uprednostňované pred vyvrtávaním pri finálnom kalibrovaní, pretože výstružník vytvára povrchovú úpravu, ktorá zachováva otvorenosť pórov, zatiaľ čo opotrebovaný alebo tupý vyvrtávací nástroj môže rozmazať bronz a utesniť otvory pórov.

Požiadavky na toleranciu a kruhovitosť krytu

Otvor telesa, do ktorého je ložisko HZ-800 zalisované, musí spĺňať špecifické požiadavky na toleranciu a kruhovitosť, aby sa zabezpečilo rovnomerné zasahovanie po obvode ložiska. Tolerancia otvoru v puzdre pre typickú inštaláciu ložiska HZ-800 je H7 podľa ISO 286, s odchýlkou kruhovosti nepresahujúcou 0,01 milimetra pre ložiská do vonkajšieho priemeru 50 milimetrov . Neguľaté vyvŕtanie puzdra sústreďuje presah lisovaného uloženia na vysokých miestach puzdra, čím sa vytvárajú zodpovedajúce vysoké body na otvore ložiska, ktoré lokálne zmenšujú vôľu chodu a môžu spôsobiť kontakt kov na kov medzi ložiskom a hriadeľom počas počiatočnej prevádzky. Tento kontakt, aj keď krátky, môže rozmazať povrch ložiska a ohroziť schopnosť tvorby olejového filmu po zvyšok životnosti ložiska. Povrchová úprava otvoru v puzdre by mala byť Ra 1,6 až 3,2 mikrónov – dostatočne hladká, aby poskytovala konzistentnú podporu bez toho, aby bola taká hladká, že by ložisko mohlo vychádzať z puzdra pri vibráciách.

Požiadavky na hriadeľ a párovanie materiálu protiľahlej plochy

Hriadeľ bežiaci v bimetalovom kompozitnom ložisku HZ-800 musí spĺňať špecifické požiadavky na tvrdosť, povrchovú úpravu a materiál, aby sa dosiahla konštrukčná životnosť ložiska. Čap hriadeľa by mal mať a minimálna tvrdosť povrchu 55 HRC pre aplikácie s abrazívnym znečistením a 45 HRC pre čisté mazané podmienky ; mäkší hriadeľ bude ryhovaný oloveno-bronzovým ložiskovým povrchom, najmä počas prevádzky štart-stop, keď olejový film nie je úplne vytvorený. Povrchová úprava hriadeľa by mala byť Ra 0,2 až 0,4 mikrónov — jemnejšie ako samotný povrch ložiska — aby sa zabránilo nerovnostiam hriadeľa pôsobiť ako rezný nástroj na mäkší bronz. Párovanie materiálu hriadeľa s bronzom CuSn10Pb10 je priaznivé pre väčšinu ocelí, vrátane indukčne kalených 1045, cementovaných 8620 a nitridovaných 4140. Hriadele z nehrdzavejúcej ocele vyžadujú opatrnosť: pasívna vrstva oxidu chrómu na nehrdzavejúcej oceli poskytuje slabé medzné mazanie proti bronzu a hriadeľ z nehrdzavejúcej ocele H-chrómZ80 by mal byť z tvrdého bronzu. úprava, ako je plazmová nitridácia na zlepšenie tribologickej kompatibility. Nábehové skosenie hriadeľa je tiež kritické – a Skosenie 15 až 20 stupňov s lešteným povrchom zabraňuje tomu, aby ostrá hrana hriadeľa pri montáži oholila bronzový materiál z otvoru ložiska, čím by sa kovové nečistoty dostali priamo do vôle ložiska.

Vlastnosti opotrebovania a tri fázy životnosti ložísk

Správanie sa opotrebenia ložiska HZ-800 sa riadi predvídateľným trojstupňovým modelom, ktorý možno monitorovať a naplánovať výmenu ložiska skôr, ako dôjde ku katastrofickej poruche. The počiatočná fáza zábehu dochádza v priebehu niekoľkých prvých hodín prevádzky a zahŕňa odstránenie najväčších nerovností z povrchu ložiska a vytvorenie konformnej kontaktnej geometrie s hriadeľom. Počas tohto štádia je merateľná hĺbka opotrebenia 5 až 15 mikrónov normálna a očakávaná a miera opotrebenia rýchlo klesá so zväčšovaním kontaktnej plochy. The ustálené štádium opotrebovania sa vyznačuje nízkou, konštantnou rýchlosťou opotrebenia – zvyčajne 0,1 až 0,5 mikrónu na 100 hodín prevádzky za dobre namazaných podmienok v rámci PV limitu – a predstavuje životnosť ložiska. The zrýchlené štádium opotrebovania začína, keď sa bronzová nosná vrstva opotrebuje až po oceľový podklad alebo keď sa olejový zásobník v poréznej štruktúre vyčerpal nad svoju schopnosť dodávať mazivo na povrch. V tomto bode sa rýchlosť opotrebenia zvýši o faktor 10 alebo viac a oceľová podložka začne opotrebovávať priamo čap hriadeľa. V dobre navrhnutej aplikácii so správnym mazaním by ložisko HZ-800 malo dosiahnuť životnosť 5 000 až 20 000 hodín pred nástupom zrýchleného opotrebovania, s rozsahom určeným zaťažením PV, čistotou prevádzkového prostredia a účinnosťou systému prívodu maziva.

Diagnostika porúch a rozdiel medzi adhéznym a abrazívnym opotrebovaním

Keď je ložisko HZ-800 vyradené z prevádzky kvôli kontrole, vzor opotrebovania na povrchu ložiska poskytuje diagnostické informácie o prevádzkových podmienkach, ktoré spôsobili, že ložisko dosiahlo koniec svojej životnosti. Opotrebenie lepidla sa javí ako rozmazaný bronz, prenos ložiskového materiálu na hriadeľ a roztrhnutý, drsný povrch ložiska. Znamená to, že olejový film sa pokazil, čo umožnilo kontakt kovu na kov, a hlavnou príčinou je zvyčajne preťaženie, nedostatočná vôľa alebo nedostatok maziva. Abrazívne opotrebovanie sa javí ako obvodové ryhy na povrchu ložiska s ostrohrannými drážkami, ktoré zodpovedajú smeru kladenia povrchovej úpravy hriadeľa. Označuje znečistenie tvrdými časticami v mazive alebo na povrchu hriadeľa. Únavové opotrebovanie sa javí ako jamkové, odlupovacie alebo povrchovo spojené trhliny v bronzovej vrstve a naznačuje, že cyklické zaťaženie prekročilo medzu únavy bronzovej zliatiny. Únava je často konečným štádiom zlyhania ložísk, ktoré počas svojej projektovanej životnosti fungovali správne a dosahujú prirodzenú hranicu mechanickej integrity bronzovej vrstvy. Rozlišovanie medzi týmito režimami opotrebovania počas pitvy je nevyhnutné na určenie, či je možné náhradné ložisko nainštalovať bez systémových úprav, alebo či sa musia zmeniť parametre aplikácie ložiska – zaťaženie, rýchlosť, vôľa alebo mazanie.

Odlíšenie HZ-800 od iných tried bimetalových ložísk v rovnakej skupine produktov

Bimetalové kompozitné ložisko HZ-800 je jedným z členov širšej rodiny bimetalových ložísk, ktoré sa líšia zložením bronzovej zliatiny a rozsahom ich zamýšľaného použitia. Označenie ako napr HZ-800 typicky označuje zliatinu medi a cínu a olova so špecifickým pomerom cínu a olova a špecifickým rozsahom tvrdosti – bežne 60 až 80 HB na Brinellovej stupnici pre bronzovú vrstvu. . Príbuzná trieda s iným označením, ako napríklad s vyšším obsahom cínu a bez olova, by vykazovala vyššiu nosnosť a vyššiu tvrdosť, ale nižšiu zabudovateľnosť, vďaka čomu by bola vhodná pre podmienky čistého mazania, ale nevhodná pre kontaminované prostredie, kde musia byť zapustené abrazívne častice. Trieda s vyšším obsahom olova by vykazovala lepšiu zabudovateľnosť a prispôsobivosť, ale nižšiu nosnosť a nižšiu maximálnu prevádzkovú teplotu, pretože fáza olova mäkne pri teplotách nad 150 stupňov Celzia. Špecifická zliatina HZ-800 je formulovaná pre vyváženie vlastností vhodných pre všeobecné priemyselné aplikácie: dostatočná pevnosť pre stredné až vysoké zaťaženie, dostatočný obsah olova pre zabudovanie do mierne kontaminovaného prostredia a proces spekania, ktorý vytvára kontrolovanú pórovitosť potrebnú pre olejom impregnované samomazanie. Pri špecifikácii náhradného ložiska sa označenie musí presne zhodovať, pretože ložisko so správnymi rozmermi, ale s iným označením zliatiny bude mať iné charakteristiky opotrebenia, zaťaženia a teploty, ktoré nemusia byť kompatibilné s aplikáciou.