ES2198257T3 - Materiales para cojinetes. - Google Patents

Abstract

Composición de aleación para cojinetes, que comprende en % en peso: estañlo 5-10; cobre 07-1.3; níquel.07-1.3; sílice 1.5-3.5; vanadio 0.1-0.3; manganeso 0.1-0.3; el resto aluminio, aparte de las impurezas inevitables.

Description

Materiales para cojinetes.

La presente invención se refiere a materiales para cojinetes, que comprenden aleaciones de aluminio, unidas a un material de refuerzo fuerte, así como a un cojinete liso que comprende un material de este tipo.

Los motores de combustión interna de alto régimen han utilizado por lo general cojinetes de cigüeñal, que comprenden una aleación a base de cobre o una aleación para cojinetes a base de aluminio, unida de cierta forma con un refuerzo fuerte o un material de sustrato, como acero, por ejemplo. La superficie real de trabajo de la aleación para cojinete, es decir la superficie que está frente la superficie de la muñequilla del cigüeñal del motor también ha sido provista de un revestimiento "superpuesto", es decir un revestimiento de una aleación metálica relativamente más blanda, como por ejemplo plomo - estaño, plomo - estaño - cobre o plomo - indio. El objeto de este revestimiento superpuesto es conferir al cojinete propiedades de conformabilidad e incrustabilidad de impurezas. La conformabilidad es la propiedad de un cojinete que le permite adaptarse a ligeros defectos mecánicos de alineación entre las superficies del cojinete y del eje y constituye una medida de la aptitud de la aleación superpuesta para distribuir la carga aplicada. La incrustabilidad de impurezas es la propiedad que permite que las partículas residuales comprendidas en el aceite de lubricación se incrusten en la aleación superpuesta blanda sin causar daños, como por ejemplo, desgaste abrasivo del eje. Si bien no se discuten las ventajas técnicas de los cojinetes revestidos con capa superpuesta, presentan la notable desventaja de resultar caros de fabricar, debido a que la capa superpuesta se suele depositar por galvanoplastia, que es un proceso que requiere una cantidad de trabajo relativamente elevada.

Los fabricantes de vehículos de motor suelen pedir con mayor frecuencia cojinetes sin revestimientos superpuestos, que resultan más baratos. Sin embargo, algunos motores, aunque no poseen una potencia específica particularmente elevada, imponen, debido a su diseño, cargas elevadas en los cojinetes del cigüeñal o poseen unas capas de aceite particularmente finas entre el cojinete y el muñón del eje y son, por lo tanto, propensos al desgaste abrasivo de la superficie del cojinete. Se produce desgaste abrasivo cuando existe un contacto metal - metal entre la superficie de la muñequilla del cigüeñal y la superficie del cojinete, es decir que la película de aceite se rompe en el punto de contacto, permitiendo el contacto metal - metal. El desgaste abrasivo se refiere a un contacto metal - metal momentáneo, sin ataque real y fallo consiguiente del cojinete. Sin embargo, si bien los cojinetes revestidos con capa superpuesta son especialmente resistentes al desgaste abrasivo, la mayoría de las aleaciones convencionales a base de cobre y aluminio son relativamente pobres, en términos de resistencia al desgaste abrasivo. La aptitud para resistir al desgaste abrasivo, es una medida de la conformabilidad de la aleación. En contraste con el desgaste abrasivo, el agarrotamiento se refiere a la falta de compatibilidad de la aleación.

Un material conocido que contiene aluminio - 6% en peso de estaño - 1% en peso de cobre - 1% en peso de

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níquel - tiene una buena resistencia al desgaste abrasivo pero presenta una resistencia a la fatiga relativamente baja en estado revestido sin capa superpuesta, que hace que no resulte adecuado para motores más modernos de régimen elevado. La baja resistencia a la fatiga es el reflejo de la baja ductilidad de esta aleación.

Para hacer frente a los esfuerzos impuestos por los motores modernos, se requiere una aleación que tenga propiedades mecánicas notablemente mejoradas, es decir resistencia a la tracción (15%); dureza (15%); y resistencia a la fatiga (16%), en lugar de una de las aleaciones para cojinetes de aluminio más fuerte y conocida que comprende:

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aluminio - 12% en peso, de estaño - 4% en peso de sílice - 1% en peso de cobre, en forma de solución tratada térmicamente. Aunque se puede incrementar la resistencia de esta aleación aumentando el contenido de cobre, resulta difícil y caro realizarlo, con los métodos de producción habituales de trenes de fundición y laminación a su tamaño, y de aglomeración con acero mediante presión de laminación, debido a las pequeñas reducciones de tamaño posible en cada pasada de laminación, antes de que se requiera el tratamiento térmico de recocido.

El documento GB-A-2271779 describe una aleación para cojinetes de aluminio - estaño - sílice que puede comprender además por lo menos uno de los elementos Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr, y/o B, a razón de 0,1 a 3% en peso por elemento. Además de estos elementos, la aleación comprende también 0,2 a 5,0% en peso de Cu, 0,1 a 3,0% en peso de Pb, 0,1 a 3,0% en peso de Sb y 0,1 a 1,0% en peso de Ti como elementos de aleación adicionales. Se explica que si el contenido de los elementos opcionales Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr y B sube por encima de 3.0% en peso, la conformabilidad del cojinete puede deteriorarse y degradarse la trabajabilidad de la aleación para cojinetes.

El documento GB-A-2266564 se ocupa también de aleaciones para cojinetes a base de aluminio, de forma similar a como lo hace el documento GB'779 descrito anteriormente. En este caso, la aleación incluye también de preferencia, por lo menos uno ó dos elementos más: 0.2 a 5.0% en peso de Cu, de 0.1 a 3.0% en peso de Pb, de 0.1 a 3.0% en peso de Sb, Mn, Mg, V y Ni y de 0.1 a 1.0% en peso de Ti, oscilando la cantidad total de Mn, Mg, V y Ni entre 0.01 y 3.0% en peso.

Sin embargo, las aleaciones fabricadas según indican los dos documentos antes citados son virtualmente imposibles de procesar con los métodos de producción normales de fundición y laminación, seguidos de aglomeración por presión de laminación debido a la falta de ductilidad y a la fragilidad de las aleaciones. Esto ocurre cuando los contenidos de los elementos de aleación son una pequeña fracción de los indicados.

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V. HUFNAGEL en "Key to Aluminium Alloys" (Clave para las Aleaciones de Aluminio), 4. Ed., 1992, Aluminium Verlag, Düsseldorf, en la página 264, presenta aleaciones 851.0 y L3911/8280, que no contienen 0.1 - 0.3% en peso de vanadio y son afines con respecto al contenido de manganeso y de níquel. Uno de los objetos de la presente invención es ofrecer una aleación de aluminio, que tenga una mayor tenacidad y mayor resistencia al desgaste por abrasión que las aleaciones conocidas y que siga siendo fácil de fabricar.

Según un primer aspecto de la presente invención, se presenta una composición de una aleación para cojinetes que comprende en % en peso: estaño 5 - 10; cobre 0.7 - 1.3; níquel 0.7 - 1.3; sílice 1.5 - 3.5; vanadio 0.1 - 0.3; manganeso 0.1 - 0.3; resto de aluminio aparte de las impurezas inevitables.

De preferencia, el contenido de estaño oscila entre 5.5 - 7% en peso.

La prueba de los cojinetes muestra sorprendentemente que, cuando el contenido de sílice cae por debajo del 1.5% en peso, aumentan entonces las incidencias de agarrotamiento. Cuando el contenido de sílice es superior a 3.5%, entonces la red de sílice tiende a ser más basta y la incidencia del agrietamiento durante el proceso de aleación, por laminación por ejemplo, se incrementa notablemente y requiere tratamientos térmicos adicionales en el proceso, y menores reducciones de laminación por pasada, con lo cual se incrementa el coste de producción. De preferencia, el contenido de sílice se mantiene entre 2 y 3% en peso.

Las adiciones de cobre y níquel son, como se sabe, adiciones de refuerzo para los materiales de cojinetes a base de aleación de aluminio. Las adiciones inferiores a 0.7% en peso no producen el efecto de refuerzo requerido mientras que las adiciones por encima de 1.3% en peso hacen que la aleación resulte difícil de procesar. Con contenidos de cobre y de níquel más elevados, sólo son posibles reducciones de laminación relativamente pequeñas, antes de que se requieran tratamientos térmicos de recocido, que incrementan el coste del material.

El vanadio tiene como efecto aumentar la tenacidad de la aleación. Por debajo de 0.1% en peso, el efecto disminuye rápidamente, mientras que por encima de 0.3% en peso, se produce un efecto de fragilización. El contenido de vanadio se mantiene de preferencia en un máximo de 0.2% en peso.

El manganeso, además de ser una aleación química más resistente, es un agente, como se sabe, que homogeneiza la textura, produciendo granos más pequeños y por consiguiente una mayor resistencia que si no se utiliza. Por debajo de 0.1% en peso, el efecto de homogenización de la textura es pequeño mientras que por encima de 0.3% en peso de manganeso, el proceso de aleación se vuelve difícil y caro, al requerir reducciones menores de laminación por pasada así como tratamientos térmicos adicionales.

Hemos comprobado que la combinación de los dos elementos adicionales de vanadio y manganeso, en pequeñas cantidades, dentro de los límites indicados anteriormente, tiene un efecto sinergético, incrementándose notablemente la resistencia de la aleación y, algo muy importante, la conformabilidad y la compatibilidad de la aleación no se ven afectadas negativamente de forma importante. Se ha comprobado en las pruebas que la aleación presenta una resistencia mejorada a la fatiga y al desgaste abrasivo, con cargas comparables a las de las aleaciones de aluminio fuertes, mientras que su fabricación sigue siendo fácil, con unos costes de fabricación reducidos.

No obstante, en los tipos de fabricación de motores para los cuales se ha previsto esta aleación el efecto sorprendente de la composición de la aleación de la presente invención es la combinación de las propiedades incrementadas de resistencia mecánica junto con una mayor resistencia al desgaste abrasivo y una resistencia aceptable al agarrotamiento.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se presenta un cojinete liso, que comprende un material de refuerzo fuerte y tiene aglomerado al mismo una capa de una aleación para cojinetes, que tiene una composición, en % en peso de: estaño 5 - 10; cobre 0.7 - 1.3, Níquel 0.7 - 1.3; sílice 1.5 - 3.5; vanadio 0.1 - 0.3; manganeso 0.1 - 0.3; el resto, de aluminio, aparte de las impurezas inevitables.

El cojinete puede comprender también una capa intermedia de aluminio relativamente puro con un material de aleación de aluminio entre la aleación para cojinetes y el material de refuerzo fuerte.

El material de refuerzo fuerte puede ser acero o bronce, por ejemplo.

Se ha comprobado que la ductilidad de la aleación que contiene vanadio y manganeso es notablemente superior a la de las aleaciones, que sólo contienen una de estas adiciones. Se piensa que esta característica es responsable de la mayor resistencia al desgaste abrasivo del material.

Si bien el material de la presente invención está previsto principalmente para ser utilizado en motores con carga relativamente elevada, propensos al desgaste abrasivo, debido al reducido grosor de la lámina de aceite, en condiciones de trabajo difíciles por ejemplo, las personas versadas en la técnica de los cojinetes comprobarán que este material podría funcionar de forma enteramente satisfactoria con un revestimiento superpuesto del tipo descrito anteriormente.

Con el fin de que se pueda entender mejor la presente invención, se describirá a continuación un ejemplo, en el que se hace referencia a las figuras adjuntas, donde:

La figura 1 muestra una sección transversal de parte de un cojinete, que utiliza la aleación de la presente invención y muestra las capas que lo constituyen;

La figura 2 es un histograma, que muestra los resultados de resistencia relativa al desgaste abrasivo, para una aleación según la presente invención y para tres aleaciones de referencia;

La figura 3 muestra un histograma similar al de la figura 2, pero que muestra los resultados relativos del agarrotamiento para las mismas aleaciones; y

Las figuras 4A a 4C muestran una sección transversal parcial de un aparato de pruebas para determinar el comportamiento de desgaste abrasivo y agarrotamiento, así como unos gráficos que indican los regímenes de prueba de fatiga (4B) y prueba de desgaste abrasivo / agarrotamiento (4C).

La figura 1 muestra una sección transversal de parte de la longitud circunferencial de un semicojinete prácticamente semicilíndrico por un plano normal al eje del cojinete. El cojinete 10 comprende una capa de refuerzo de acero 12, que tiene una capa 14 de la aleación para cojinetes sobre la misma, con una fina capa intermedia 16 de aluminio relativamente puro, entre medias. El proceso de producción del cojinete se entenderá a la vista del programa de producción que se da a continuación, a modo de ejemplo.

Los cojinetes producidos a partir del material descrito anteriormente se configuraron en semicojinetes para la prueba. Los cojinetes tenían un grosor de pared de 1.75 mm, con un espesor de acero de 1,5 mm y un grosor de forro de 0.25 mm.

Se utilizaron otras aleaciones comparativas, con la composición indicada en la tabla 1, para cojinetes de mismas dimensiones, que se ensayaron en las mismas condiciones.

TABLA 1

Material	Composición
	Sn	Si	Ni	Cu	V	Mn	Al
Comparativa 1	12	4	-	1	-	-	Bal
Comparativa 2	20	-	-	1	-	-	Bal
Comparativa 3	12	4	-	2	-	-	Bal
Aleación de la invención	6	2.5	1	1	0.2	0.25	Bal

Las propiedades mecánicas de las aleaciones antes citadas se reflejan en la tabla 2 siguiente.

TABLA 2 Propiedades mecánicas

Material	Dureza del forro	UTS	Alargamiento	Tenacidad	Tamaño de
	(HV2.5)	(Mpa)	Fractura	*	grano Al
Comparativa 1	47	150	20	20	17
Comparativa 2	40	120	23	18	16
Comparativa 3	47	150	18	19	17
Aleación de la	52	180	21	25	12
invención

\bullet Donde tenacidad = (0.66 X UTS) x Alargamiento^{n} de fractura, es la relación entre resistencia y ductilidad. Es una característica y no tiene unidades.

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Se puede comprobar que la aleación de la invención no solamente es más fuerte que las aleaciones de referencia, sino que no ha perdido ductilidad con respecto a las aleaciones 1 y 3, que son también aleaciones de

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aluminio - estaño - sílice - cobre.

Los cojinetes se ensayaron para determinar la resistencia a la fatiga, la carga a la que se producía el desgaste abrasivo y la carga última a la que se producía el agarrotamiento. Las pruebas se realizaron en un conocido aparato Sapphire, según se puede ver en la figura 4A. El aparato 20 comprende un eje de prueba 22, que tiene una parte central excéntrica 24, soportada por los cojinetes de prueba 26, 28, y los extremos exteriores del eje están soportados en unos cojinetes secundarios 30, 32. El eje se hace girar por medio de un motor de accionamiento 36 y se aplica carga a los cojinetes de prueba por medio de una barra de conexión 40, a la que se aplica una fuerza mediante un émbolo 42 accionado por un dispositivo hidráulico 46, 48. Unos medidores de esfuerzos 50 miden la carga aplicada. Las figuras 4B y 4C muestran regímenes habituales para pruebas de fatiga y de desgaste por abrasión / agarrotamiento. La capacidad de carga de fatiga es la carga que produce fatiga a las 200 horas de funcionamiento. Mientras está funcionando, el aparato mostrado en la figura 4A aplica una fuerza a los cojinetes de prueba 26, 28, por medio de una parte excéntrica 24, y el émbolo 42 cargado hidráulicamente impone por lo tanto una carga dinámica sinusoidal a los cojinetes. Por medio de un sistema de control informático (no mostrado), la base para la medida de las propiedades de la superficie la constituye un incremento programado progresivo de la carga. En este modo de incremento de carga, se reduce de forma continua el grosor mínimo de la lámina de aceite, y la prueba mide, a partir del aumento de temperatura, la carga a la cual es desgastado el material al ponerse en contacto con las imprecisiones geométricas en el cuerpo y/o la carga a la que el material se suelda al cuerpo. La resistencia al desgaste abrasivo es una medida de la conformabilidad del material mientras que la resistencia al agarrotamiento es una medida de la compatibilidad.

La figura 4B muestra un gráfico esquemático ilustrativo en el que, al aumentar la carga sobre un cojinete, disminuye el número de ciclos que puede resistir antes de la fatiga. La figura 4C ilustra un programa de prueba de desgaste abrasivo / agarrotamiento. Se aplica una carga cada vez mayor a un cojinete de prueba, hasta que se produce el desgaste abrasivo o el agarrotamiento. El desgaste abrasivo o el agarrotamiento suele indicarlo un aumento de temperatura en la superficie del cojinete. El desgaste abrasivo tiende a ser un aumento momentáneo de la temperatura, mientras que el agarrotamiento es un aumento prolongado de la temperatura, acompañado de una caída de la presión de aceite.

Los resultados de la prueba se muestran a continuación en la tabla 3.

TABLA 3

Material	Sapphire L-N	Resistencia desgaste	Resistencia
	Fatiga 200 horas	abrasivo relativo	agarrotamiento
	Capacidad de carga	Sapphire	relativo Sapphire
Comparativa 1	1.14	0.74	0.95
Comparativa 2	1	1	1
Comparativa 3	1.14	0.53	1
Aleación de la	1.34	0.81	0.81
invención

Las propiedades relativas del cojinete, mostradas en la Tabla 3 se basan en 18 pruebas para la aleación de la invención y un mínimo de 60 pruebas para cada una de las aleaciones comparativas. En la Tabla, se da un valor base de 1 a la aleación Al_{2}OSn_{1}Cu (aleación comparativa 2) y todas las demás aleaciones se clasifican, con respecto a la misma, inclusive la aleación de la invención. Por consiguiente, la resistencia a la fatiga de la aleación de la invención es un 34% mayor que la aleación comparativa 2 por ejemplo.

Como se puede ver en la tabla 3, la resistencia a la fatiga de la aleación según la presente invención es notablemente superior a la de las tres aleaciones comparativas y aunque tiene una resistencia real inferior al agarrotamiento también tiene una resistencia mejorada al desgaste abrasivo con respecto a las otras aleaciones comparativas conocidas 1 y 3 Al/Sn/Si. Los resultados mostrados en la Tabla 3 se reproducen también gráficamente en las figuras 2 y 3.

En esencia, el material según la presente invención tiene una resistencia a la fatiga notablemente superior a la de las aleaciones conocidas, mientras que mantiene una resistencia totalmente adecuada tanto al desgaste abrasivo como al agarrotamiento. Por consiguiente, las aleaciones según la presente invención resultan particularmente útiles para aquellos motores que requieren una resistencia a la fatiga y al desgaste abrasivo mayor que la de las aleaciones que contienen sílice, si bien no requiere una resistencia especialmente elevada al agarrotamiento.

Claims (8)

1. Composición de aleación para cojinetes, que comprende en % en peso: estaño 5-10; cobre 0.7-1.3; níquel

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0.7-1.3; sílice 1.5-3.5; vanadio 0.1-0.3; manganeso 0.1-0.3; el resto aluminio, aparte de las impurezas inevitables.

2. Aleación para cojinete según la reivindicación 1, donde el contenido de estaño está comprendido entre 5.5 y 7% en peso.

3. Aleación para cojinetes según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en la que el contenido de sílice se mantiene dentro de los límites de 2 a 3% en peso.

4. Aleación para cojinetes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el contenido de vanadio es como máximo de 0.2% en peso.

5. Cojinete liso, que comprende un material de refuerzo fuerte y que lleva aglomerado una capa de una aleación para cojinetes, con una composición en % en peso de: estaño 5-10; cobre 0.7-1.3; níquel 0.7-1.3; sílice 1.5-3.5; vanadio 0.1-0.3; manganeso 0.1-0.3; resto de aluminio aparte de las impurezas inevitables.

6. Cojinete liso según la reivindicación 5, que incluye además una capa intermedia de aluminio relativamente puro o un material de aleación de aluminio entre la aleación para cojinetes y el material de refuerzo fuerte.

7. Cojinete liso según cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 7, en el que el material de refuerzo fuerte se elige entre el acero y el bronce.

8. Cojinete liso según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 5 a 7, en el que una superficie exterior de la aleación para cojinetes está provista de una capa de revestimiento superpuesta.