Επιδράσεις αλουμινίου και κασσίτερου σε μπρούτζινα γρανάζια
Τα γρανάζια από κράμα χαλκού (μπρούτζου) έχουν μοναδικές ιδιότητες που βοηθούν στην ελαχιστοποίηση της φθοράς στην επαφή μπρούτζου σε χάλυβα. Τα μπρούτζινα γρανάζια χρησιμοποιούνται σε μειωτήρες γραναζιών και συνδυάζονται με ατσάλινα γρανάζια ατέρμονα. Τα μπρούτζινα γρανάζια χρησιμοποιούνται σε άλλο εξοπλισμό που απαιτεί ζευγάρωμα με ατσάλινα γρανάζια.
Σε όλες τις περιπτώσεις, η επιφάνεια του χάλυβα είναι πιο σκληρή από την επιφάνεια του μπρούτζου. Η επιλογή των συνδυασμών μπρούτζου σε χάλυβα βασίζεται στις ίδιες αρχές με τα χάλκινα ρουλεμάν χιτώνων που συνδυάζονται με σκληρότερους χαλύβδινους άξονες.
Η φθορά του μπρούντζου σε χάλυβα οδηγεί σε θυσιαστική φθορά του μπρούντζου με ελάχιστη ή καθόλου φθορά του χάλυβα.
Η τριβή μπρούτζου σε χάλυβα είναι πολύ μικρότερη από την τριβή χάλυβα σε χάλυβα.
Σε υψηλότερες σχετικές επιφανειακές ταχύτητες, η πλήρης μεμβράνη ή η υδροδυναμική λίπανση θα χωρίσει το ζεύγος χάλυβα-σε-χάλυβα, αλλά σε χαμηλότερες ταχύτητες, οι ασφυξίες (τραχύτητα επιφάνειας) των συνιστωσών θα έρθουν σε επαφή μεταξύ τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη σοβαρή φθορά των δύο χαλύβδινων εξαρτημάτων. Για ζεύγη μπρούτζου-σε-ατσάλι, οι ισχυρότερες ατσάλινες διατομές χάλυβα διατμούν τις πιο αδύναμες ατσάλινες πτυχές.
Εξαιτίας αυτών των εκτιμήσεων, οι μεταλλουργοί και οι μηχανολόγοι μηχανικοί έχουν αναπτύξει μια οικογένεια κραμάτων μπρούτζου που ελαχιστοποιούν τη φθορά του μπρούντζου ενώ παρέχουν όλα τα πλεονεκτήματα των ζευγών μπρούτζου σε χάλυβα.
Ο επιθυμητός μπρούτζος θα έχει τις ακόλουθες ιδιότητες:
Αντοχή για τη μεταφορά των απαιτούμενων φορτίων.
Χαμηλός συντελεστής τριβής με χάλυβα.
Ελάχιστη φθορά του μπρούτζου.
Πολλοί μπρούτζοι ρουλεμάν περιέχουν μόλυβδο για τη μείωση του συντελεστή τριβής, ωστόσο, ο μόλυβδος διαχωρίζεται από την παγωμένη χύτευση και υπάρχει μεταξύ των κρυστάλλων από κράμα χαλκού. Αυτό αποδυναμώνει το υλικό και, ενώ είναι χρήσιμο για τα ρουλεμάν με χιτώνια, ο μόλυβδος πρέπει να περιορίζεται στο ελάχιστο για να χυθούν δυνατοί μπρούτζοι γραναζιών. Ορισμένα μπρούτζινα γρανάζια περιέχουν μικρές ποσότητες αυτού του διακοκκώδους μολύβδου για ενίσχυση της ικανότητας επεξεργασίας.
Ο καλύτερος συνδυασμός ιδιοτήτων φθοράς βρίσκεται σε δύο ομάδες κραμάτων χαλκού:
Οι μπρούτζοι από αλουμίνιο και μαγγάνιο είναι ισχυροί και θυσιαστικοί στη φθορά των εξαρτημάτων από χάλυβα. Αυτά τα κράματα έχουν μια ισχυρή μήτρα στην οποία είναι ενσωματωμένη μια πολύ σκληρή φάση. Το ατσάλινο τμήμα ζευγαρώματος πρέπει να είναι πολύ σκληρό και και τα δύο μέρη πρέπει να έχουν πολύ λεπτό φινίρισμα επιφάνειας. Αυτοί οι μπρούτζοι δεν θα σχηματίσουν ένα στρώμα μπρούτζου χαμηλής τριβής στο ατσάλι.
Οι μπρούτζοι από κασσίτερο ενισχύονται με ένα στερεό διάλυμα κασσίτερου σε χαλκό, μέχρι περίπου 10% κασσίτερο. Ο πρόσθετος κασσίτερος οδηγεί σε μια ισχυρή, σκληρή διακοκκώδη φάση που είναι πλούσια σε κασσίτερο. Τα άτομα κασσιτέρου παραμορφώνουν τη μήτρα του χαλκού αρκετά ώστε να βοηθήσουν στην αναστολή της ολίσθησης των κρυσταλλικών στρωμάτων και η διακοκκώδης φάση συμβάλλει στην αύξηση της σκληρότητας. Ο μπρούτζος κασσίτερος σχηματίζει μια απόθεση μπρούτζου χαμηλής τριβής στο συστατικό χάλυβα ζευγαρώματος. Για το λόγο αυτό, ο μπρούτζος κασσίτερος είναι το κράμα επιλογής για μη σιδηρούχα γρανάζια.
Οι ασπρειότητες του χαλκού αλουμινίου και μαγγανίου που εναποτίθενται στον χάλυβα δεν είναι τόσο ευεργετικές όσο αυτές του μπρούντζου κασσίτερου. Οι ατέλειες του μπρούντζου αλουμινίου τελικά παράγουν περιεκτικότητα σε οξείδιο αλουμινίου, η οποία είναι πολύ λειαντική. Ο μπρούτζος μαγγανίου περιέχει αλουμίνιο και (μεγάλες ποσότητες) ψευδάργυρο. Το οξείδιο του ψευδαργύρου είναι λειαντικό και ο ψευδάργυρος στη μήτρα χαλκού προάγει τη φθορά κατά το ζευγάρωμα με τον χάλυβα. Ο κασσίτερος έχει πολύ χαμηλότερη συγγένεια για το οξυγόνο από το αλουμίνιο ή τον ψευδάργυρο.
Η «φθορά» και οι συνοριακές συνθήκες που προκύπτουν είναι αυτά που κάνουν τον μπρούτζο κασσίτερο τόσο ιδανικό στο ζευγάρωμα με το χάλυβα. Όταν επαρκείς ποσότητες χάλκινων ασπιριδίων είναι ενσωματωμένες στην επιφάνεια, η φθορά μειώνεται και η τριβή μειώνεται.
Το βασικό κράμα χαλκού-κασσιτέρου για γρανάζια έχει εξελιχθεί σε μια σειρά από πέντε δημοφιλή μπρούτζινα γρανάζια. Αυτά τα κράματα καθορίζονται στην προδιαγραφή ASTM B 427-93A. Υπάρχει μικρή παραλλαγή. Το κράμα κασσίτερου 12% έχει πιο σκληρές φάσεις. Το κράμα χαλκού C92900 είναι το πιο ποικίλο, καθώς έχει περιεκτικότητα σε μόλυβδο 2,5%. Αυτό επιτρέπει καλή μηχανική κατεργασία και τα σωματίδια μολύβδου θα ενσωματωθούν σε οποιοδήποτε λειαντικό μέσο κατά τη διάρκεια της φθοράς. Η περιεκτικότητα σε νικέλιο (3,5%) σε αυτό το κράμα είναι πολύ ευεργετική. Αυξάνει την αντοχή στη διάβρωση και προωθεί μικρότερα μεγέθη κρυστάλλων στα χυτά. Όσο μικρότεροι είναι οι κρύσταλλοι, τόσο λιγότερος χημικός διαχωρισμός και τόσο υψηλότερη είναι η φυσική ποιότητα.
Αυτά τα μπρούτζινα γρανάζια δεν μπορούν να παραχθούν με διαδικασίες σφυρηλάτησης όπως εξώθηση, τράβηγμα, έλαση ή σφυρηλάτηση. Πρέπει να χρησιμοποιηθούν ως χυτά. Η υψηλή περιεκτικότητα σε κασσίτερο μπορεί να προκαλέσει το σπάσιμο των εξωθημένων μπιλιών. Αυτά με 8% κασσίτερο μπορούν να χυτεύονται συνεχώς και να έλκονται σε μικρές διαμέτρους. Τα χαμηλότερα περιεχόμενα κασσίτερου μπορούν να εξωθηθούν και να έλκονται σε μικρές διαμέτρους. Το (κρύο) σχέδιο αυξάνει τις φυσικές ιδιότητες πάνω από αυτές του χυτού υλικού. Δεν υπάρχει βελτίωση στις ιδιότητες τριβής.
Τα αληθινά μπρούτζινα γρανάζια μπορούν να χυτευτούν μόνο με ορισμένες μεθόδους. Τόσο η χύτευση με άμμο όσο και η κρύα χύτευση επιτρέπουν κοιλότητες συρρίκνωσης και μη μεταλλικά (λειαντικά) εγκλείσματα. Η συνεχής χύτευση εξαλείφει αυτά τα προβλήματα. Η συνεχώς χυτευμένη ράβδος ή σωλήνας εξάγεται από ένα καλούπι συνδεδεμένο με έναν κλίβανο γεμάτο με υγρό μέταλλο. Η είσοδος του καλουπιού βυθίζεται βαθιά κάτω από την επάνω επιφάνεια του υγρού μετάλλου. Καμία σκωρία δεν μπορεί να φτάσει σε αυτήν την περιοχή και το υγρό μέταλλο λειτουργεί ως δεξαμενή για να τροφοδοτήσει τη χύτευση, αποφεύγοντας έτσι τυχόν κοιλότητες συρρίκνωσης.
Από τις αρχές της δεκαετίας του 1950, η συνεχής χύτευση του μπρούτζου με γρανάζια έχει εξελιχθεί για να περιλαμβάνει πολλές βελτιώσεις. Οι πρόοδοι στην τεχνολογία συνεχούς χύτευσης έχουν οδηγήσει σε προϊόντα χυτής ράβδου και σωλήνων με μικρά, ομοιόμορφα μεγέθη κρυστάλλων. Αυτό παράγει ένα πιο ομοιόμορφο, ισχυρότερο υλικό συνεχούς χύτευσης. Ο μπρούντζος με γρανάζια που παράγεται με αυτή τη μέθοδο είναι ανώτερος από το μπρούτζο με γρανάζια που παράγεται με οποιαδήποτε άλλη μέθοδο. Η αντοχή διαρροής, η αντοχή κρούσης και η σκληρότητα βελτιώνονται σημαντικά. Η αντίσταση στη φθορά ενισχύεται επίσης.
