Вплив алюмінію та олова на бронзові шестерні
Шестерні з мідного сплаву (бронзи) мають унікальні властивості, які допомагають мінімізувати знос при контакті бронзи зі сталлю. Бронзові шестерні використовуються в зубчастих редукторах і сполучаються зі сталевими черв'ячними передачами. Бронзові прямозубі шестерні використовуються в іншому обладнанні, яке вимагає сполучення зі сталевими прямозубими шестернями.
У всіх випадках поверхня сталі твердіша за поверхню бронзи. Вибір комбінацій «бронза-сталь» базується на тих же принципах, що й бронзові підшипники ковзання, поєднані з більш твердими сталевими валами.
Знос бронзи на сталі призводить до жертовного зносу бронзи з невеликим зносом сталі або без нього.
Тертя бронзи по сталі набагато менше, ніж тертя сталі по сталі.
При вищих відносних швидкостях поверхні повна плівка або гідродинамічне змащення роз’єднає пару сталь-сталь, але при нижчих швидкостях нерівності (шорсткість поверхні) сполучених компонентів будуть контактувати один з одним. Це призводить до сильного зносу двох сталевих компонентів. Для пар «бронза на сталі» сильніші сталеві нерівності зрізають слабші бронзові нерівності.
Зважаючи на ці міркування, інженери-металурги та інженери-механіки розробили сімейство бронзових сплавів, які мінімізують знос бронзи, забезпечуючи всі переваги пар бронза-сталь.
Бажана бронза матиме такі властивості:
Міцність для перенесення необхідних навантажень.
Низький коефіцієнт тертя зі сталлю.
Мінімальний знос бронзи.
Багато підшипникових бронз містять свинець для зменшення коефіцієнта тертя, однак свинець відокремлюється від замерзлої виливки та знаходиться між кристалами мідного сплаву. Це послаблює матеріал, і хоча це корисно для підшипників втулки, свинець повинен бути зведений до мінімуму для лиття міцної бронзи зубчастих передач. Деякі зубчасті бронзи містять невеликі кількості цього міжкристалічного свинцю для покращення оброблюваності.
Найкраще поєднання зносостійкості має дві групи мідних сплавів:
Алюмінієва та марганцева бронзи є міцними та жертовними до зносу сталевих сполучних деталей. Ці сплави мають міцну матрицю, в яку вбудована дуже тверда фаза. Сталева сполучна частина має бути дуже твердою, і обидві частини мають мати дуже тонку поверхню. Ці бронзи не утворять на сталі бронзовий шар із низьким коефіцієнтом тертя.
Олов'яні бронзи зміцнюються твердим розчином олова в міді приблизно до 10% олова. Додаткове олово призводить до міцної, твердої міжзеренної фази, яка багата оловом. Атоми олова деформують мідну матрицю настільки, що запобігає ковзанню кристалічних шарів, а міжзернова фаза сприяє підвищенню твердості. Олов’яна бронза дійсно утворює бронзовий відкладення з низьким коефіцієнтом тертя на сполучній сталевій деталі. З цієї причини олов’яна бронза є сплавом вибору для кольорових шестерень.
Нерівності алюмінієвої та марганцевої бронзи, нанесені на сталь, не такі корисні, як нерівності олов’яної бронзи. Нерівності алюмінієвої бронзи згодом утворюють оксид алюмінію, який є дуже абразивним. Марганцева бронза містить алюміній і (у великій кількості) цинк. Оксид цинку є абразивом, а цинк у мідній матриці сприяє зношуванню під час сполучення зі сталлю. Олово має набагато меншу спорідненість до кисню, ніж алюміній або цинк.
«Зношування» та результуючі граничні умови роблять олов’яну бронзу такою ідеальною для сполучення зі сталлю. Коли достатня кількість бронзових нерівностей вбудовується в поверхню, знос зменшується, а тертя зменшується.
Основний мідно-олов’яний сплав для зубчастих коліс перетворився на серію з п’яти популярних зубчастих бронз. Ці сплави вказані в специфікації ASTM B 427-93A. Варіацій мало. Сплав 12% олова має більш тверді фази. Мідний сплав С92900 найбільш різноманітний, так як має вміст свинцю 2,5%. Це забезпечує хорошу механічну обробку, а частинки свинцю потрапляють у будь-яке абразивне середовище під час зносу. Вміст нікелю (3,5%) в цьому сплаві дуже вигідний. Це підвищує стійкість до корозії та сприяє меншим розмірам кристалів у виливках. Чим менші кристали, тим менша хімічна сегрегація і вища фізична якість.
Ці бронзові зубчасті колеса не можуть бути виготовлені такими процесами кування, як екструзія, витягування, прокатка чи кування. Їх необхідно використовувати як відливки. Високий вміст олова може призвести до руйнування екструдованих заготовок. Ті, що містять 8% олова, можна безперервно відливати та витягувати до малих діаметрів. З меншим вмістом олова можна екструдувати та витягувати до малих діаметрів. (Холодне) витягування збільшує фізичні властивості порівняно з властивостями литого матеріалу. Немає покращення фрикційних властивостей.
Справжню бронзу можна відлити лише певними методами. І піщане, і холодне лиття допускають усадочні порожнини та неметалеві (абразивні) включення. Безперервне лиття усуває ці проблеми. Безперервнолитий пруток або трубу витягують із форми, підключеної до печі, заповненої рідким металом. Вхідний отвір форми занурений глибоко під верхню поверхню рідкого металу. Жоден шлак не може досягти цієї зони, а рідкий метал діє як резервуар для живлення лиття, таким чином уникаючи будь-яких усадочних порожнин.
З початку 1950-х років безперервне лиття зубчастої бронзи розвинулося, включивши багато вдосконалень. Удосконалення технології безперервного лиття призвело до створення литих прутів і труб із невеликими однорідними розмірами кристалів. Це створює більш однорідний, міцніший безперервнолитий матеріал. Зубчаста бронза, виготовлена цим методом, перевершує зубчасту бронзу, виготовлену будь-яким іншим способом. Межа текучості, ударна міцність і твердість значно покращені. Також підвищується зносостійкість.
