Materiały stosowane w łożyskach ślizgowych stan obecny i tendencje rozwojowe

Transkrypt

1 STANISŁAW KOSTRZEWA, STANISŁAW KOWALCZYK, KRZYSZTOF ROŻNIATOWSKI Materiały stosowane w łożyskach ślizgowych stan obecny i tendencje rozwojowe NAJWAŻNIEJSZE MATERIAŁY STOSOWANE W ŁOŻYSKACH ŚLIZGOWYCH Zmiany w charakterystyce obciążenia i innych warunków pracy łożyska, deficyt niektórych składników stopowych, zmiany konstrukcyjne oraz wprowadzenie nowych technologii spowodowały zmiany w ilościowym udziale różnych materiałów łożyskowych. Dotyczy to szczególnie przemysłu motoryzacyjnego. Światowe zapotrzebowanie na łożyska ślizgowe w silnikach spalinowych wg najważniejszych rodzajów stopów łożyskowych poglądowo przedstawiono na rysunku 1. W budowie innych maszyn zmiany w charakterze zapotrzebowania na łożyska ślizgowe występują w mniejszym stopniu. Do podstawowych materiałów łożyskowych stosowanych w maszynach i urządzeniach stacjonarnych zalicza się: stopy na osnowie cyny lub ołowiu, stopy na osnowie miedzi (brązy, w tym ołowiowe), stopy na osnowie aluminium i tworzywa polimerowe [1]. Udział łożysk ślizgowych do silników spalinowych jest dominujący w ogólnym zapotrzebowaniu na łożyska. W ostatnich latach nastąpiła zasadnicza zmiana stopy na osnowie cyny lub ołowiu zostały wyparte przez brązy, a przede wszystkim przez stopy na osnowie aluminium. Obserwuje się również zmiany w konstrukcji łożysk (łożyska wielowarstwowe) oraz nowe rozwiązania materiałowe. Czynnikami wymuszającymi te zmiany są: wzrost obciążenia łożysk, względy ekonomiczne, deficyt niektórych pierwiastków (np. cyny), a także względy ekologiczne. STOPY NA OSNOWIE CYNY I OŁOWIU Stopy na osnowie cyny zawierają zwykle % Sn, 6 14 % Sb i 3 8 % Cu. Na podstawie potrójnego układu równowagi Sn-Sb-Cu [2], można wnioskować o przewidywanej obecności cyny Rys. 1. Charakter zmian w światowym zapotrzebowaniu na łożyska ślizgowe do silników spalinowych wg najważniejszych rodzajów stopów 1 stopy na osnowie cyny lub ołowiu; 2 brązy ołowiowe; 3 stopy na osnowie aluminium Fig. 1. The changes in world demand on slide bearings for combustion engines according to the most important type of bearing alloys 1 tin or lead based alloys; 2 lead bronzes; 3 aluminium based alloys Dr hab. inż. Stanisław Kostrzewa, dr inż. Stanisław Kowalczyk (skowalczyk@wme. wat.edu.pl) Wydział Mechaniczny Wojskowej Akademii Technicznej, dr inż. Krzysztof Rożniatowski (krozn@inmat.pw.edu.pl) Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej w strukturze stopu na osnowie faz międzymetalicznych w zależności od zawartości Cu i Sb. W strukturze stopów zawsze występuje faza międzymetaliczna cyny z miedzią Cu 6 Sn 5, na tle roztworu stałego miedzi i antymonu w cynie. Jeżeli zawartość antymonu przekracza 8 %, to wówczas w strukturze pojawia się druga faza międzymetaliczna SbSn o kryształach, obserwowanych w postaci prostych figur geometrycznych. Faza międzymetaliczna Cu 6 Sn 5 krystalizuje w stopie w pierwszej kolejności (w wyższej temperaturze niż faza SnSb) i tworzy szkielet utrudniający segregację ciężarową krystalitów fazy międzymetalicznej SnSb. Faza SnSb ma mniejszą gęstość niż pozostałe fazy i wykazuje tendencję do wypływania do warstw powierzchniowych. Struktury tych stopów, podobnie jak stopów ołowiu, są dobrze opisane i prezentowane w dostępnej literaturze metaloznawczej. Zawartość ołowiu w stopach na osnowie cyny nie powinna przekraczać 0,35 0,5 %, co zapobiega tworzeniu się ołowiowo-cynowych eutektyk o niskiej temperaturze topnienia. Eutektyka taka tworzy się między ziarnami roztworu stałego i obniża wytrzymałość stopu. Jeżeli ołów wystąpi w postaci wolnej, to obniżona zostaje odporność stopu na korozję. Orientacyjne dopuszczalne naciski jednostkowe tych stopów wynoszą MPa. Stopy na osnowie ołowiu zawierają zwykle 2 20 % Sn, 6 16 % Sb i do 3 % Cu. Niektóre składy uzupełnione są takimi dodatkami, jak: arsen, srebro, nikiel, kadm i tellur. Arsen, nikiel i srebro zwiększają twardość oraz wytrzymałość stopu w podwyższonej temperaturze. Tellur rozdrabnia strukturę, wpływając na ilość i rozmieszczenie zarodków krystalizacji. Kadm również rozdrabnia strukturę, zwiększa wytrzymałość i twardość stopu przy równoczesnym zmniejszeniu odkształcalności. Stopy łożyskowe cyny i ołowiu są objęte normą PN-ISO 4381:1997 [3]. Struktura stopów na osnowie ołowiu jest podobna do struktury stopu na osnowie cyny. Miękką osnowę stanowi jednak podwójna lub potrójna eutektyka składników, w której umieszczone są twarde kryształy fazy SbSn oraz fazy Cu 2 Sb. W porównaniu ze stopami wysokocynowymi, stopy ołowiu wykazują mniejszą odporność na zużycie i zmęczenie, są bardziej podatne na korozję. Do zalet stopów na osnowie cyny i ołowiu należy zaliczyć: dobrą odkształcalność zdolność do dopasowania się panewki do wału, łatwość docierania, dobre właściwości ślizgowe oraz dużą zdolność wchłaniania twardych zanieczyszczeń. Zdolność dopasowania się panwi do wału jest bardzo ważna w dużych agregatach przemysłowych. Natomiast ich wadami są: niska temperatura topnienia (t top. topnienia stopów na osnowie ołowiu mieści się w granicach C, a stopów na osnowie cyny w granicach C) i związane z tym znaczne zmniejszenie twardości i wytrzymałości, zwłaszcza zmęczeniowej, przy wzroście temperatury łożyska. Stopy na osnowie cyny uważane są za lepsze, ale są droższe. Stosowane jest odlewanie grawitacyjne i odśrodkowe. W grupie stopów na osnowie cyny i ołowiu w ciągu ostatnich 20 lat praktycznie nie nastąpiły żadne zmiany w ich składzie chemicznym. STOPY NA OSNOWIE MIEDZI Wśród stopów na osnowie miedzi praktyczne zastosowanie znalazły brązy cynowe, ołowiowe i cynowo-ołowiowe. Brązy cynowe charakteryzują się dużą twardością i wytrzymałością, która zwiększa się ze wzrostem zawartości cyny. 840 INŻ YNIERIA MATERIAŁ OWA ROK XXVIII

2 Brązy ołowiowe są szeroko stosowane w łożyskach silników szybkoobrotowych, zwłaszcza wysokoprężnych. Miedź i ołów w stanie stałym praktycznie nie są wzajemnie rozpuszczalne i stanowią mieszaninę krystalitów miedzi i równomiernie rozmieszczonych wśród nich drobnych ziaren ołowiu. Dodatki stosowane do brązu Cu-Pb, takie jak cyna, nikiel, srebro, tworzą roztwór stały z miedzią. W silnikach lotniczych i samochodowych stosowane są brązy o zawartości % Pb. Za typowy można uznać stop o zawartości % Cu, % Pb, który stosuje przemysł motoryzacyjny wszystkich krajów [4] lub stop % Cu, % Pb i ok. 1 % Ag. Stopy łożyskowe na osnowie miedzi są objęte normą PN-92/M [5]. Duży zakres temperatury krzepnięcia (954 do 326 C) oraz duże różnice gęstości miedzi i ołowiu sprzyjają silnej segregacji, co utrudnia otrzymanie odpowiedniej struktury brązu. Brązy ołowiowe są wylewane do formy lub na taśmę stalową, stanowiącą półfabrykat do wykona nia łożyska. Bardzo często nakładanie brązu ołowiowego na taśmę stalową odbywa się przez spiekanie, co pozwala na zmniejszenie segregacji ołowiu. Orientacyjne dopuszczalne naciski jednostkowe dla stopów na osnowie miedzi wynoszą MPa. Struktury stopów na osnowie miedzi, podobnie jak stopów na osnowie cyny i ołowiu, są dobrze opisane i prezentowane w dostępnej literaturze metaloznawczej. Podobnie, jak w stopach grupy Sn-Pb, również i w grupie brązów w ciągu ostatnich 20 lat nie nastąpiły istotne zmiany w składzie chemicznym. używanych na tłoki silników samochodowych, charakteryzują się drobnokrystaliczną budową i dużą dyspersją cząstek krzemu. Posiadają podwyższoną odporność na zmęczenie (w stosunku do stopów Al-Sn-Cu o ok. 65 %) i dużą wytrzymałość połączenia podłoże stalowe-stop, także w temperaturze podwyższonej. Obok wymienionych stopów, producenci stosują stopy na osnowie aluminium z dużą zawartością cyny, w granicach %, oraz z dodatkami takich pierwiastków, jak miedź i mangan, bądź bez tych pierwiastków. Praktyczne znaczenie znalazł także stop łożyskowy na osnowie aluminium z dodatkami cynku, krzemu i ołowiu o składzie 94 % Al, 4,5 % Zn, 1,5 % Si, 1 % Pb [6]. STOPY NA OSNOWIE ALUMINIUM Według szacunkowych danych z ostatnich lat, produkcja łożysk ślizgowych ze stopów aluminium, stosowanych w silnikach trakcyjnych, ciągle wzrasta i w dalszym ciągu prowadzone są badania nad rozwojem tych stopów. Zaletami stopów na osnowie aluminium są: duża wytrzymałość zmęczeniowa, tani materiał podstawowy, mała gęstość, duża przewodność cieplna, dobre własności antykorozyjne. Wadę stanowi duży współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz gorsze właściwości ślizgowe przy skąpym smarowaniu. Najszersze zastosowanie mają stopy aluminiowo-cynowe nanoszone na podłoże stalowe. Rozpiętość zawartości cyny w tych stopach jest duża. Wraz ze zwiększeniem zawartości cyny do ok. 25 % wzrasta odporność na zatarcie i poprawiają się właściwości ślizgowe stopu, z tym, że wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności maleją, jeżeli zawartość cyny w stopie przekroczy 10 %. Stosowane stopy można podzielić na dwie grupy: stopy o zawartości 6 12 % Sn, używane na łożyska wielowarstwowe i stopy o zawartości w granicach 20 % Sn, stosowane w produkcji łożysk dwuwarstwowych. W większości zastosowań spotykany jest stop AlSn20Cul, nawalcowany na cienką taśmę stalową, która pokryta jest folią z czystego aluminium. Właściwą strukturę tego stopu uzyskuje się przez przeróbkę plastyczną i wyżarzanie rekrystalizujące, w wyniku czego powstaje nieciągła siatka cyny rozmieszczonej wokół ziaren roztworu stałego na osnowie aluminium. Stop ten nie wymaga stosowania warstw ślizgowych. Łożyska AlSn20Cul stosowane są przede wszystkim w silnikach spalinowych, w tym w szybkoobrotowych silnikach trakcyjnych. Strukturę stopu AlSn20Cul można próbować analizować na podstawie układów równowagi Al-Cu i Al-Sn [2]. W stopie tym występują dwa składniki strukturalne: roztwór stały miedzi w aluminium o zawartości ok. 1 % Cu i cyna w postaci nieciągłej siatki rozmieszczonej wzdłuż granic ziaren roztworu stałego na osnowie aluminium. Rozpuszczalność cyny w aluminium w stanie stałym jest tak mała, że pominąć można możliwość tworzenia roztworu stałego. Strukturę stopu AlSn20Cul przedstawiono na rysunku 2. Dodatek miedzi w tym stopie podwyższa wytrzymałość. Orientacyjne dopuszczalne naciski jednostkowe dla stopu AlSn20Cul wynoszą MPa. Stopy łożyskowe na osnowie aluminium nie są objęte polską normą. Obok stopu AlSnCu stosuje się stopy aluminium-krzem, o składzie: 88 % Al, 11 % Si i 1 % Cu oraz stop o składzie 86 % Al, 11 % Si, 1 % Cu. 1 % Mg, 1 % Ni. Stopy te podobne są do siluminów Rys. 2. Mikrostruktura stopu łożyskowego AlSn20Cu1 1 stop łożyskowy; 2 folia aluminiowa; 3 podłoże stalowe Fig. 2. Microstructure of AlSn20Cu1 bearing alloy 1 bearing alloy; 2 aluminium foil; 3 steel backing MATERIAŁY WARSTW ŚLIZGOWYCH ŁOŻYSK WIELOWARSTWOWYCH Właściwości wytrzymałościowe łożyska zależą od rodzaju materiału, a także od grubości warstwy nałożonego stopu (rys. 3). Wytrzymałość na ścinanie i wytrzymałość zmęczeniowa zwiększają się w miarę zmniejszania grubości warstwy stopu. Związane jest to z przesuwaniem się punktu największego wytężenia materiału, Rys. 3. Zależność dopuszczalnych nacisków jednostkowych od grubości warstwy stopu łożyskowego 1 stopy na osnowie cyny lub ołowiu; 2 brąz ołowiowy; 3 stopy na osnowie aluminium Fig. 3. Pressure limits vs. the thickness of bearing alloy layer 1- tin or lead based alloys; 2 lead bronzes; 3 aluminium based alloys NR 5/2007 INŻ YNIERIA MATERIAŁ OWA 841

3 wywołanego naciskami w obszar stalowego podłoża. Systematyczny wzrost obciążenia łożysk doprowadził do konstrukcji łożyska o zwiększonej wytrzymałości powstania łożyska dwu- i wielowarstwowego (rys. 4). W łożyskach dwuwarstwowych warstwa ślizgowa może być wykonywana głównie ze stopów: na osnowie cyny i ołowiu, brązów oraz stopów na osnowie aluminium. W łożyskach wielowarstwowych warstwą pośrednią najczęściej jest brąz. Warstwę ślizgową stanowi nanoszony stop Pb-Sn, Pb-Sn-Cu, Pb-In lub stop napylany Al-Sn-Cu o grubości warstwy w przedziale μm. W silnikach dużej mocy warstwy ślizgowe są grubsze (dochodzą do μm). Postęp w praktycznym stosowaniu materiałów łożyskowych trwa prawie od dwustu lat. Rozwój materiałów łożyskowych uwarunkowany jest wymaganiami konstrukcyjnymi, ruchowymi i wytrzymałościowymi stawianymi łożyskom ślizgowym. Początkowo stosowano stopy na osnowie cyny, nieco później ołowiu i miedzi, a od pięćdziesięciu lat stosuje się również stopy na osnowie aluminium oraz materiały polimerowe. Wykorzystanie srebra jako materiału łożyskowego ograniczało się do specyficznych zastosowań szczea) Występuje tendencja wzrostu zawartości cyny do %, a miedzi do 8 10 %. Podczas pracy łożyska, na styku stopu PbSnCu i brązu ołowiowego powstaje krucha warstwa fazy międzymetalicznej z układu Cu-Sn, która podczas eksploatacji pęka i powoduje odwarstwienie warstwy ślizgowej. Rozwiązaniem zapobiegającym występowaniu niekorzystnych procesów dyfuzyjnych cyny jest stosowanie cienkiej (1 2 μm) pośredniej warstwy zaporowej, najczęściej z niklu. Ciągle jeszcze, obok stopów PbSnCu, stosowane są stopy Pb-In (5 10 % In). Podobnie jak cyna, ind dyfunduje do podłoża (brązu, srebra), ale dyfuzja indu w kierunku podłoża przebiega wolniej niż dyfuzja cyny. Stąd nie stosuje się pośredniej warstewki Ni. Stosowana grubość warstwy ślizgowej wynosi około 20 μm. Warstwę ślizgową PbSn10Cu3 tworzy roztwór stały cyny w ołowiu, w którym rozmieszczone są cząstki faz cyny i miedzi. Warstwę PbIn (5 10 % In) stanowi stop jednofazowy, roztwór stały indu w ołowiu. W ostatnich latach obserwuje się w procesie wytwarzania łożysk ograniczanie lub eliminowanie warstwy ślizgowej PbIn, ze względu na deficyt i cenę indu. Konieczność poszukiwania nowych materiałów na warstwy ślizgowe doprowadziła do praktycznego stosowania na warstwę ślizgową łożyska wielowarstwowego klasycznego stopu aluminium AlSn20Cu1 o grubości w przedziale μm. Stop ten nakładany jest na warstwę z brązu ołowiowego (rys. 5) metodą napylania magnetronowego. W celu ograniczenia dyfuzji cyny z warstwy ślizgowej do podłoża z brązu zastosowano w tym rozwiązaniu warstwę zaporową niklu lub stopu Ni-Cr o grubości 1 2 μm [7]. b) Rys. 5. Mikrostruktura łożyska wielowarstwowego Fig. 5. Microstructure of multilayered bearing OCENA JAKOŚCI MATERIAŁÓW ŁOŻYSK ŚLIZGOWYCH Rys. 4. Budowa łożysk ślizgowych (a dwuwarstwowego, b wielowarstwowego) 1 podłoże stalowe; 2 warstwa pośrednia; 3 warstwa ślizgowa; 4 warstwa zaporowa Fig. 4. Construction of the slide bearings (a two-layer bearing, b multilayer bearing) 1 steel backing; 2 overlay; 3 slide layer; 4 barrier layer Przez wiele lat większość wytwórni galwanicznie nanosiła na powierzchnię stopu łożyskowego powłokę ołowiu i indu, stosując następnie wygrzewania dyfuzyjne. Drogi stop Pb-In zamieniano stopniowo na stop Pb-Sn (6 8,5 % Sn), który zwiększył żywotność tych łożysk w porównaniu ze stopem Pb-In. Następnie do stopu Pb-Sn wprowadzono Cu i Sb lub niewielkie ilości Cu, Sb, Cd lub As. W praktyce zastosowanie znalazł stop o zawartości: % Pb, 10 % Sn, 2 3 % Cu nakładany elektrolitycznie. Stosuje się grubość warstwy ślizgowej μm. Wymieniony stop klasyczny podlega ciągłej modyfikacji poprzez zwiększenie zawartości cyny i miedzi w materiale warstwy ślizgowej. Obecnie w produkcji znajdują się łożyska z warstwami ślizgowymi PbSn10Cu5-6 lub PbSn14Cu8. Jakość łożysk ślizgowych, w znacznym stopniu zależy od jakości materiału wyjściowego. Cechy materiałowe istotne dla przeprowadzenia oceny jakości łożyska ślizgowego zawarte są w stosownych normach [8, 9] i odnoszą się do danego typu łożyska (monolityczne, wielowarstwowe itp.). W ocenie jakości materiałów łożysk ślizgowych prowadzi się badania struktury materiału, składu chemicznego materiału warstw, twardości, grubości warstw, przyczepności warstwy stopu łożyskowego do podłoża przy wykorzystaniu standardowych i specjalnych technik badawczych. TENDENCJE ROZWOJOWE METALICZNYCH MATERIAŁÓW ŁOŻYSK ŚLIZGOWYCH 842 INŻ YNIERIA MATERIAŁ OWA ROK XXVIII

4 gólnie wysilonych silników. Zmieniały się również technologie wytwarzania stopów od ich wylewania, poprzez spiekanie proszków, platerowanie do napylania magnetronowego. Doświadczenia historyczne wskazują, że rozwój materiałów łożyskowych postępuje z wykorzystaniem tej samej grupy materiałów, niezależnie od specyfiki rozwiązań konstrukcyjnych łożysk ślizgowych i ich zastosowań. Różnice w poszczególnych grupach stopów dotyczą przede wszystkim składu chemicznego materiału, liczby i udziału poszczególnych pierwiastków w stopie łożyskowym. Z danych prognostycznych wynika, że tendencje rozwoju materiałów łożysk ślizgowych będą postępowały, podobnie jak dotychczas, pod wpływem wymagań stawianych łożyskom ślizgowym, szczególnie wymagań ruchowych i wytrzymałościowych oraz wymagań związanych z ochroną środowiska, tak w zakresie stosowania proekologicznych materiałów, jak i technologii wytwarzania łożysk. Pierwsza grupa wymagań wiąże się z postępującym wzrostem obciążenia i temperatury pracy łożysk, przewiduje się wzrost średnich nacisków jednostkowych w łożyskach silników trakcyjnych do MPa oraz temperatury pracy łożysk do 250 C [7]. Druga grupa wymagań wynika ze spełnienia przepisów prawnych, zwłaszcza art. 4 pkt. 2 dyrektywy 2000/53/EG Unii Europejskiej i Rady z 18 września 2000 r. w sprawie pojazdów wycofanych z eksploatacji, której załącznik nr II został zmieniony decyzją Rady z 20 sierpnia 2005 roku [10,11]. Wspomniana dyrektywa ujmuje precyzyjne zalecenia dotyczące eliminowania z procesu wytwarzania materiałów, które stwarzają zagrożenie dla zdrowia i życia istot żywych, m.in. stopów z dodatkami ołowiu. Dopuszcza, czasowo, stosowanie ołowiu jako składnika stopowego w materiałach łożyskowych, niemniej jednak planuje się wycofanie ołowiu jako składnika stopowego materiałów stosowanych na części pojazdów wprowadzanych do obrotu po 1 lipca 2008 r. Biorąc powyższe pod uwagę, wielu producentów łożysk ślizgowych podjęło prace badawcze zmierzające do zastąpienia stopów na osnowie ołowiu lub stopów z dodatkami ołowiu stopami bezołowiowymi. Dotyczy to szczególnie materiałów łożysk stosowanych w silnikach trakcyjnych, zwłaszcza brązów ołowiowych i materiałów na osnowie ołowiu, które stosowane są na warstwy ślizgowe łożysk wielowarstwowych. Prace te koncentrują się na poszukiwaniu stopów bezołowiowych, które spełniałyby wymagania stawiane współczesnym łożyskom silników trakcyjnych. Z danych literaturowych [12] wynika, że szczególnym zainteresowaniem badaczy oraz producentów łożysk cieszą się znane od dawna stopy cyny i miedzi (np. SnCu6 przewidywany do zastąpienia klasycznego stopu PbSn10Cu3) oraz stopy aluminium. Prowadzone są także prace związane z modyfikowaniem składu chemicznego i struktury materiału warstw ślizgowych łożysk wielowarstwowych. Prace modyfikujące materiały obejmują wykorzystanie jako dodatków stopowych w warstwach ślizgowych łożysk wielowarstwowych TiO 2, SiC itp. Należy stwierdzić, że nie obserwuje się obecnie istotnych zmian w grupie klasycznych stopów łożyskowych (stopy cyny, ołowiu, brązy). Osiągi współczesnych łożysk w mniejszym stopniu uzależnione są od odczynników materiałowych, w większym natomiast od konstrukcji łożysk, w tym łożysk wielowarstwowych. Modyfikacja materiałów łożyskowych dotyczy głównie zastosowań ich na łożyska silników trakcyjnych. Przyszłościowo zmiany w materiałach łożyskowych mogą wymusić czynniki ekologiczne oraz cena materiałów stosowanych na łożyska ślizgowe, która w ciągu kilku ostatnich lat w XXI wieku wzrosła średnio o ok. 80 %. ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE WYKONANE Z MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH Poza stopami metali na panewki łożysk ślizgowych stosuje się również materiały polimerowe. Ich rozwój związany jest z postępem technologii, jaki dokonał się w drugiej połowie XX wieku oraz oczekiwaniami producentów sprzętu powszechnego użytku (od AGD po samochody), zainteresowanych rozwiązaniami lekkimi, niezawodnymi i przede wszystkim tanimi. Panewki z materiałów polimerowych znalazły szerokie zastosowanie ze względu na korzystne własności ślizgowe, takie jak: mały współczynnik tarcia suchego, zdolność samodocierania, odporność na ścieranie, tłumienie drgań, cichobieżność, odporność na korozję, mała gęstość i łatwość kształtowania. W niektórych z zastosowań wykorzystuje się również brak przewodnictwa elektrycznego tulei (izolacja pomiędzy wałem a korpusem maszyny). Wiele z tych panewek wykonanych jest z polimerów nie wymagających smarowania, co jest szczególnie atrakcyjną cechą w przypadku ich stosowania tam, gdzie istnieje konieczność zapewnienia odpowiedniej czystości, np. przemysł farmaceutyczny, spożywczy, papierniczy. W zakresie konserwacji i kosztów wytwarzania, łożyska polimerowe wykazują przewagę nad metalowymi łożyskami ślizgowymi i tocznymi. Natomiast ich wadami są przede wszystkim ograniczona zdolność przenoszenia obciążeń, mała przewodność cieplna, duża rozszerzalność, a także zmiana wymiarów wskutek zmian warunków otoczenia (np. pęcznienie pod wpływem wchłaniania wody). Materiały polimerowe cechują się również stosunkowo niską temperaturą pracy, tylko w niektórych przypadkach przekraczającą 100 C (maksymalnie 250 C dla PTFE), co w przypadku ich stosowania na panewki łożysk istotnie ogranicza maksymalne dopuszczalne prędkości ślizgania. BUDOWA ŁOŻYSK ŚLIZGOWYCH Z MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH Łożyska z materiałów polimerowych wykonane są zwykle w postaci jednolitych bądź warstwowych tulei. W ofertach producentów zawierają się również taśmy, podkładki oporowe oraz wyroby o innych kształtach, w których robocza warstwa ślizgowa wykonana jest z materiału polimerowego. Tuleje jednolite wykonywane są z różnych tworzyw. Typowymi materiałami stosowanymi do ich produkcji są poliamid (PA6, PA66, PA12), polietylen (PE-HD), polistyren (PS), kopolimer styren/akrylonitryl (SAN), polimetakrylan metylu (PMMA), poliacetal (POM). Charakteryzują się one maksymalnymi temperaturami pracy w granicach C. Wyjątkowymi cechami odznacza się politetrafluoroetylen (PTFE). Temperatura pracy tego materiału sięga 250 C, co w powiązaniu z niezwykle niskim współczynnikiem tarcia (0,06 0,1) i praktycznym brakiem nasiąkliwości wodą, uzasadnia częste stosowanie w różnorodnych typach łożysk ślizgowych. Iloczyn (pv) dop dla tych materiałów jest relatywnie mały i nie przekracza 0,1 MPa m/s. Poszukiwania rozwiązań prowadzących do podniesienia tego wskaźnika, doprowadziły do opracowania panewek wzmacnianych włóknem (np. szklanym lub węglowym) lub wypełniaczem proszkowym (metalicznym lub ceramicznym). Włókno wprowadzone do tworzywa często ma postać mat lub tkanin, rzadziej włókna ciętego (rys. 6). Wypełniacze proszkowe (głównie cząstki różnego rodzaju brązów) w tulejach jednolitych wprowadzone są do tworzywa na etapie ich formowania. Powoduje to stosunkowo jednorodną, z punktu widzenia strukturalnego, ich budowę. Panewki wykonane ze wzmacnianych polimerów charakteryzują się iloczynem (pv) dop sięgającym od 0,5 MPa m/s (dla pracy na sucho) do 1 MPa m/s (dla pracy ze smarowaniem). Wspomnieć należy również o istnieniu rozwiązań polegających na wprowadzeniu do formowanego wtryskowo materiału panewki cząstek grafitu, PTFE lub innych substancji charakteryzujących się niskim współczynnikiem tarcia suchego. Ich dodatek pozwala na osiąganie przez materiał tulei cech samosmarności oraz podnosi maksymalną prędkość liniową, jakiej może być poddawany materiał (rys. 7). Cechą charakterystyczną panewek tego typu jest w wielu przypadkach możliwość kształtowania długości (odbiegającej od typoszeregów oferowanych przez producentów) poprzez cięcie bezpośrednio u odbiorcy. Drugim typem łożysk ślizgowych wykorzystujących materiały polimerowe są tuleje warstwowe. W ich budowie wyróżnić można dwie warstwy ślizgową oraz porowatego stopu wysyconego materiałem polimerowym, osadzone na metalicznym podłożu (łu- NR 5/2007 INŻ YNIERIA MATERIAŁ OWA 843

5 Rys. 8. Typowe wielowarstwowe łożysko ślizgowe. Pory w warstwie brązu (uzyskanej poprzez kontrolowane spiekanie kulistych cząstek proszku) wypełnia PTFE. Pomiędzy porowatą warstwą brązu a podłożem stalowym znajduje się cienka międzywarstwa litego brązu Fig. 8. Typical multilayered bearing. Porous bronze (manufactured by controlled sintering of spherical powder particles) with pores filled with PTFE. Thin interlayer of solid bronze is observed between porous bronze and steel base Rys. 6. Panewki wykonane z materiału polimerowego (utwardzona żywica fenolowa) wzmacnianego tkaniną o różnym splocie i rodzaju włókna. Panewki mogą być dodatkowo impregnowane grafitem, siarczkiem molibdenu lub olejem. W zależności od rodzaju wzmocnienia, impregnacji oraz smarowania (pv) dop = 0,166 0,63 MPa m/s Fig. 6. Bearing bushes made of polymeric material (hardened phenol resin) and reinforced with fabric (with different weave and type of fibers). Bushes can be modified by graphite, MoS2 or oil additions. As a function of reinforcement, impregnation and greasing (pv) dop = MPa m/s w panewce, przenoszącej naciski powierzchniowe ku podłożu oraz zapewniającej dobrą przyczepność warstwy ślizgowej. Jest to o tyle istotne, że wiele z polimerów wykazuje relatywnie słabą adhezję do metalicznego podłoża. Zastosowanie porowatej warstwy przejściowej ułatwia trwałe związanie warstwy ślizgowej z podłożem. Podłożem tym zwykle jest taśma stalowa lub wykonana z brązu. Zastosowanie tulei warstwowych pozwala na poprawę zdolności do przenoszenia obciążeń oraz podwyższenie dopuszczalnych prędkości ślizgania. Charakteryzują się one iloczynem (pv) dop sięgającym od 1 MPa m/s dla pracy na sucho do ok. 10 MPa m/s dla pracy ze smarowaniem. W szczególnych przypadkach na powierzchni warstwy ślizgowej tworzy się kieszonki smarne (rys. 9). Wówczas grubość warstwy ślizgowej z tworzywa polimerowego jest wyraźnie większa i zależy od przyjętych rozwiązań konstrukcyjnych (rys. 10). Rys. 7. Panewka wykonana z poliamidu wzmacnianego ciętym włóknem szklanym z dodatkiem cząstek smaru stałego (grafit) Fig. 7. Bearing bush made of glass fibers reinforced polyamide with particles of solid lubricant (graphite) sce). Warstwą ślizgową najczęściej jest PTFE (lub PEEK polieteroeteroketon), często z różnymi wypełniaczami podnoszącymi zdolność do przenoszenia obciążeń. Mogą nimi być ołów i tlenek ołowiu (coraz rzadziej stosowane ze względu na dyrektywę Parlamentu Europejskiego dotyczącą usuwania odpadów samochodowych 2000/53/EG), brąz, srebro, korund oraz środki ułatwiające smarowanie, jak np. grafit. Warstwa ślizgowa jest stosunkowo cienka rzadko powyżej 50 μm. Związane jest to z dążeniem, by maksymalne wytężenie materiału panewki w czasie jej pracy lokowało się w obszarze warstwy porowatego stopu lub samej łuski. Jej struktura i właściwości zoptymalizowane są w celu ograniczania oporów tarcia oraz zapewnienia poprawnej pracy w warunkach braku lub ograniczonego smarowania. Poniżej występuje warstwa porowatego stopu (pory otwarte), zwykle wykonana ze spiekanego brązu cynowego. Wysycona jest ona polimerem, z którego wykonano warstwę ślizgową (rys. 8). Pełni rolę warstwy przejściowej Rys. 9. Panewka warstwowa wykonana z utwardzonej żywicy poliacetalowej na podłożu porowatego brązu spieczonego na taśmie stalowej (miedziowanej). Widoczne na powierzchni warstwy ślizgowej okrągłe kieszonki smarne Fig. 9. Stratified bearing bush manufactured from hardened polyacetal on porous bronze sintered on steel strap (copperized). The round lubricant pocket can be observed on the surface of the slide layer ZASTOSOWANIE ŁOŻYSK ŚLIZGOWYCH WYKONANYCH Z MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH Łożyska ślizgowe z materiałów polimerowych znajdują już szerokie zastosowanie w przemyśle maszynowym i motoryzacyjnym. Tuleje o budowie warstwowej są elementami podnośników, pomp 844 INŻ YNIERIA MATERIAŁ OWA ROK XXVIII

6 LITERATURA Rys. 10. Wielowarstwowe łożysko ślizgowe z warstwą ślizgową przygotowaną do wytworzenia w niej kieszonek smarnych. Pory otwarte w warstwie brązu wypełnia materiał warstwy ślizgowej (PTFE) Fig. 10. Multilayered bearing bush with slide layer prepared to create of grease pockets. Pores (open) in bronze filled with material of slide layer (PTFE) i silników hydraulicznych, osprzętu hydraulicznego i pneumatycznego, taśmociągów. Spotkać je można powszechnie w sprzęcie biurowym i medycznym. Łożyskują w samochodach kolumny McPhersona, amortyzatory, zawiasy, układy kierownicze, sprzęgła, ramiona wycieraczek, układy wspomagania kierownicy. Tuleje monolityczne wykorzystuje się przy produkcji rolet, okien dachowych, sprzętu medycznego (np. zawory, pompy), sprzętu biurowego, maszyn dziewiarskich, maszyn do pakowania i butelkowania. Materiały polimerowe wzmacniane włóknami spotkać można w maszynach ciężkich (koparki i spychacze), turbinach, przenośnikach oraz oczyszczalniach ścieków [13 15]. [1] Kozłowiecki H.: Łożyska tłokowych silników spalinowych. WKiŁ, Warszawa 1982 [2] Diagrammy sostojanij mietałliczeskich sistiem: Sn-Sb-Cu; Al.-Cu; Al.-Sn. Akadiemija Nauk SSSR/Rossijskaja Akadiemija Nauk, Moskwa 1972, 1984, 1986, 1987, 1988, 1989, 1990 [3] Norma PN-ISO 4381:1997 Odlewnicze stopy ołowiu i cyny na łożyska ślizgowe wielowarstwowe [4] Katalog łożysk ślizgowych; BIMET SA, Gdańsk-Oliwa 2001 [5] Norma PN-92/M-87030: Łożyska ślizgowe Taśmy dwuwarstwowe stal-brąz [6] Bearing materials, Miba Gleitlager AG., miba_lagerbauarten_englisch. pdf, 2000 [7] Muller M.: Moderne Motoren benötigen Gleitlager aus modernen Werkstoffen. Werkstoffe im Automobilbau 97/98, MTZ [8] Norma PN-ISO :2002: Łożyska ślizgowe Terminy, definicje i klasyfikacja Część 1: Konstrukcja, materiały łożyskowe i ich właściwości [9] Norma PN-ISO 12301:2001: Łożyska ślizgowe Techniki kontroli jakości oraz sprawdzanie cech geometrycznych i własności materiałowych [10] Dyrektywa 2000/53/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 18 września 2000 r. w sprawie pojazdów wycofanych z eksploatacji [11] Entscheidung des Rates vom 20. September 2005 zur Anderung des Anhangs II der Richtlinie 2000/53/EG des Europäischen Parlaments und des Rates uber Altfahrzeuge [12] Adam A., Staschko K.: Bleifreie Schichten für Lageranwendungen. Galvanotechnik 6/2005 [13] [14] [15] NR 5/2007 INŻ YNIERIA MATERIAŁ OWA 845