Łożyska bezolejowe (tuleje) i ich zastosowanie

Rys. 1: Tuleja z osadzonym smarem stałym

Łożyska bezolejowe z zatopionymi smarami stałymi (Rys. 1) są bezobsługowe i stosowane w warunkach, w których łożyska kulkowe nie mogą być stosowane ze względu na duże obciążenia (ciśnienie statyczne, zmienne ciśnienie) lub obciążenia udarowe. Są również często używane w trudnych warunkach, które skracają żywotność łożysk, takich jak:

• Wysokie temperatury

• Obszary zapylone

• Aplikacje morskie

• Roztwory chemiczne

• Niska prędkość ruchu

• W miejscach gdzie wymagana jest oszczędność miejsca

W ostatnich latach wzrosło zapotrzebowanie na solidne łożyska, które można stosować przy wyższych prędkościach lub w trudnych warunkach (brud, wysokie temperatury, ...).

Rys. 2: Struktura kryształu grafitu

Stałym smarem osadzonym w łożyskach jest grafit, który ma strukturę krystaliczną (hcp) i małą wytrzymałość na ścinanie (Rys. 2).

Grafit jest stabilny chemicznie i ma doskonałą stabilność termiczną. Może być używany w zakresie temperatur od 200° do 400°C (bez dodatkowego chłodzenia).

Podczas ślizgu grafit jest uwalniany z kieszeni grafitowych i przenoszony na materiał współpracujący, tworząc smarowaną powierzchnię o niskiej wytrzymałości na ścinanie (Rys. 3).

W niektórych przypadkach łożyska bezolejowe są również stosowane z grafitem nasączonym olejem (tylko na zamówienie) w celu dalszej poprawy właściwości ślizgowych (tarcie, zużycie, właściwości przeciwzatarciowe).

Rys. 3: Uwolnienie i transfer grafitu

Rys. 4: Bearing wear process

Na ogół materiały ślizgowe przechodzą z początkowego okresu docierania (I) do stanu ustalonego o niskim współczynniku tarcia (II) (Rys. 4). Oznacza to, że zdolność do szybkiego osiągnięcia stanu ustalonego i mniejszego tarcia ma kluczowe znaczenie dla łożysk o wysokiej wydajności. Obliczany jest współczynnik tarcia powierzchni ciernej ze smarami stałymi za pomocą poniższego wzoru:

  μ = τ₀ / P_H    ①

Należy zauważyć, że τ₀ oznacza wytrzymałość filmu smarnego na ścinanie, a P_H oznacza twardość powierzchni bazowej.

Opierając się na formule ①, chcieliśmy stworzyć wysokowydajne łożyska o odporności na zużycie i niskim współczynniku tarcia poprzez rozproszenie twardych cząstek w stopie metalu podstawowego. Twarde cząstki rozproszone w stopie miedzi polerują przylegające metale i występy na materiale współpracującego w obszarze początkowego okresu docierania (I), aby zapewnić gładkie powierzchnie.

W obszarze stanu ustalonego o niskim tarciu (II), osadzony grafit jest rozładowywany, aby stworzyć stały stan smarowania o niskim tarciu. W tym czasie współczynnik tarcia również maleje, ponieważ P_H we wzorze ① jest wyższe niż twardość normalnego stopu, co zapobiega przemieszczaniu się materiału do obszaru zniszczenia zmęczeniowego (III).

Jak już opisano, doskonała odporność na zużycie i niskie tarcie są zapewnione dzięki rozproszeniu twardych cząstek w metalu nieszlachetnym ze stopu miedzi.

W odpowiedzi na prośbę klientów opracowaliśmy łożyska o podwyższonej wydajności (SO#50SP8 i SO#50SP13) poprzez zwiększenie stopnia twardości stopów miedzi, które zostały użyte jako materiały łożyskowe, oraz rozproszenie w nich twardych cząstek (Tabela 1) .

Rys. 5: Odporność na zużycie stopu SO#50SP8

(1) Łożyska bezolejowe o doskonałej odporności na zużycie do zastosowań o dużym obciążeniu

Na rys. 5 przedstawiono odporność na zużycie łożyska wykonanego z wysokowytrzymałego stopu mosiądzu i miedzi (SO#50SP8) z rozproszonymi cząstkami twardymi (wyniki uzyskane w teście ślizgowym).

W porównaniu z SO#50SP2 (odpowiednik CAC304), który jest bardzo wytrzymałym stopem mosiądzu i miedzi, który ma wyższą odporność na zużycie niż inne materiały łożyskowe, stopień zużycia SO#50SP8, który jest rozproszony w twardych cząstkach, wynosi zaledwie 25% zużycia materiału porównywanego.

Rys. 6: Charakterystyka wysokotemperaturowa SO#50SP13

Warunki testowe:

Nacisk powierzchniowy: 50N/mm² Prędkość przesuwania: 1m/min

Brak smarowania Materiał odpowiednika: C45 + hartowanie indukcyjne (≥ HRC50)

(2) Łożyska bezolejowe do środowisk o wysokiej temperaturze

Oleju i smaru nie można stosować do smarowania, ponieważ ulegają one zniszczeniu w wysokiej temperaturze.
Stopień twardości materiałów z mosiądzu o wysokiej wytrzymałości (SO#50SP2) znacznie spada, gdy temperatura jest wyższa niż 200°C.

Wielkość spadku twardości dla SO#50SP13, który jest bezolejowym łożyskiem wykonanym z brązu aluminiowego z rozprozonymi twardymi cząstkami w zakresie od 200° do 300°C jest bardzo mała. Dlatego też stop może być używany w środowiskach o wysokiej temperaturze (Rys. 6).

SO#50SP2 (eq. to CAC304)
Twardość: ≥ HB 210

SO#50SP13
Twardość: ≥ HB 280

Rys. 7: Stan tulei pokrytych popiołem

(3) Bezolejowe łożyska o doskonałej wytrzymałości

Brąz aluminiowy ma doskonałą odporność na korozję w wysokich temperaturach.
Znajduje zastosowanie w procesach suszenia, spalania i dopalania jako materiał ślizgowy rusztów w spalarniach.
Stosowany jest również na tuleje dźwigni popychacza na urządzeniu wypychającym popiół spalonego spod wody (środowisko, w którym mokry popiół spalenizny dostaje się na tuleję).

Rys. 7 przedstawia porównanie między SO#50SP2 (odpowiednik CAC304) i SO#50SP13.
Obie były używane jako tuleje dźwigni popychacza przez rok. Twardość tulei SO#50SP2 znacznie się zmniejszyła w porównaniu z jej twardością w momencie produkcji (HB 210 i więcej), a na krawędzi występują uszkodzenia spowodowane korozją.

Z kolei SO#50SP13 nie wykazuje korozji ani spadku twardości, a powierzchnia pod klejem jest w dobrym stanie z niewielkim zużyciem. Twarde cząstki o odpowiedniej twardości utrzymują niewielkie zużycie materiału odpowiednika, wykazując doskonałą wytrzymałość.

Istnieją dwa rodzaje łożysk bezolejowych z osadzonymi smarami stałymi (grafit).

Jednym z nich są łożyska mosiężne o wysokiej wytrzymałości i doskonałych właściwościach pracy, a drugim łożyska z brązu aluminiowego o doskonałej wytrzymałości.

Łożyska SO#50SP8 i SO#50SP13, które są wykonane z metali nieszlachetnych z rozproszonymi cząstkami twardymi, wykazują doskonałą odporność na zużycie i wytrzymałość w wysokich temperaturach

Mogą być również używane w specjalnych środowiskach, w których nie można zastosować zwykłych łożysk.
Powstają one dzięki synergicznemu działaniu grafitu (stały środek smarny) i wysokowydajnych materiałów bazowych i wykazują wysoką zdolność adaptacji.