Az alumínium és az ón hatása a bronz fogaskerekekre
A rézötvözet (bronz) fogaskerekek egyedülálló tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek segítenek minimalizálni a kopást a bronz-acél érintkezés során. A bronz fogaskerekeket a fogaskerekes reduktorokban használják, és acél csigakerekekhez kapcsolják. A bronz homlokkerekes fogaskerekeket más berendezésekben használják, amelyekhez acél homlokkerekes fogaskerekekkel kell párosítani.
Az acél felület minden esetben keményebb, mint a bronz felület. A bronz-acél kombinációk kiválasztása ugyanazokon az elveken alapul, mint a keményebb acél tengelyekhez illesztett bronz hüvelyes csapágyak.
A bronz az acélra kopása a bronz feláldozott kopását eredményezi, az acél csekély vagy egyáltalán nem kopása mellett.
A bronz-acél súrlódás sokkal kisebb, mint az acél-acél súrlódás.
Nagyobb relatív felületi sebességeknél teljes filmes vagy hidrodinamikus kenés választja el az acél-acél párost, de kisebb sebességnél az illeszkedő alkatrészek asperitásai (felületi érdesség) érintkeznek egymással. Ez a két acél alkatrész súlyos kopását eredményezi. A bronz az acélon pároknál az erősebb acél asperitások nyírják a gyengébb bronz asperitásokat.
Ezen megfontolások miatt a kohászati és gépészmérnökök olyan bronzötvözetek családját fejlesztették ki, amelyek minimalizálják a bronzkopást, miközben biztosítják a bronz-acél párok minden előnyét.
A kívánt bronz a következő tulajdonságokkal rendelkezik:
Erő a szükséges terhek elviseléséhez.
Alacsony súrlódási együttható acéllal.
A bronz minimális kopása.
Sok csapágybronz ólmot tartalmaz a súrlódási tényező csökkentése érdekében, azonban az ólom elválik a fagyott öntvénytől, és a rézötvözet kristályai között van. Ez gyengíti az anyagot, és bár hasznos a karmantyús csapágyak esetében, az ólmot minimálisra kell csökkenteni, hogy erős hajtóműbronzokat öntsön. Egyes fogaskerék-bronzok kis mennyiségben tartalmazzák ezt az intergranuláris ólmot a megmunkálhatóság javítása érdekében.
A kopási tulajdonságok legjobb kombinációja két rézötvözet-csoportban található:
Az alumínium- és mangánbronzok erősek és károsak az acél illeszkedő alkatrészek kopására. Ezeknek az ötvözeteknek erős mátrixuk van, amelybe nagyon kemény fázis van beágyazva. Az acél illeszkedő résznek nagyon keménynek kell lennie, és mindkét alkatrésznek nagyon finom felületűnek kell lennie. Ezek a bronzok nem képeznek alacsony súrlódású bronzréteget az acélon.
Az ónbronzokat ón szilárd rézoldatával erősítik meg, körülbelül 10% ónig. A további ón erős, kemény intergranuláris fázist eredményez, amely ónban gazdag. Az ónatomok eléggé deformálják a rézmátrixot ahhoz, hogy megakadályozzák a kristályrétegek elcsúszását, a szemcsék közötti fázis pedig növeli a keménységet. Az ónbronz alacsony súrlódású bronzlerakódást képez az illeszkedő acélelemen. Emiatt az ónbronz a választott ötvözet a színesfém hajtóművekhez.
Az acélra lerakódott alumínium és mangánbronz aszpiritása nem olyan előnyös, mint az ónbronzé. Az alumíniumbronz asperitásai végül alumínium-oxid-tartalmat eredményeznek, ami nagyon koptató hatású. A mangánbronz alumíniumot és (nagy mennyiségben) cinket tartalmaz. A cink-oxid koptató hatású, és a rézmátrixban lévő cink elősegíti a kopást, amikor acéllal párosul. Az ónnak sokkal kisebb affinitása van az oxigénhez, mint az alumíniumnak vagy a cinknek.
A „kopás” és az ebből fakadó peremfeltételek teszik az ónbronzt olyan ideálissá az acéllal való párosításhoz. Ha elegendő mennyiségű bronz asperitás van beágyazva a felületbe, csökken a kopás és a súrlódás.
A fogaskerekek alapvető réz-ón ötvözete öt népszerű fogaskerék-bronzból álló sorozattá fejlődött. Ezeket az ötvözeteket az ASTM B 427-93A specifikáció határozza meg. Kevés a variáció. A 12%-os ónötvözetnek több kemény fázisa van. A C92900 rézötvözet a legváltozatosabb, ólomtartalma ugyanis 2,5%. Ez jó megmunkálhatóságot tesz lehetővé, és az ólomrészecskék a kopás során bármilyen csiszolóanyagba beágyazódnak. A nikkeltartalom (3,5%) ebben az ötvözetben nagyon előnyös. Növeli a korrózióállóságot és elősegíti a kisebb kristályméreteket az öntvényekben. Minél kisebbek a kristályok, annál kisebb a kémiai szegregáció és annál jobb a fizikai minőség.
Ezeket a hajtóműbronzokat nem lehet előállítani kovácsolási eljárásokkal, például extrudálással, húzással, hengerléssel vagy kovácsolással. Ezeket öntvényként kell használni. A magas óntartalom az extrudált tuskó eltörését okozhatja. A 8%-os óntartalmúak folyamatosan önthetők és kis átmérőre húzhatók. Az alacsonyabb óntartalom extrudálható és kis átmérőre húzható. A (hideg) húzás növeli a fizikai tulajdonságokat az öntött anyag tulajdonságainál. A súrlódási tulajdonságokban nincs javulás.
Az igazi fogaskerék-bronzokat csak bizonyos módszerekkel lehet önteni. A homoköntés és a hidegöntés egyaránt lehetővé teszi a zsugorodási üregeket és a nem fémes (koptató) zárványokat. A folyamatos öntés kiküszöböli ezeket a problémákat. A folyamatosan öntött rudat vagy csövet egy folyékony fémmel töltött kemencéhez csatlakoztatott formából vonják ki. A forma bemenete mélyen a folyékony fém felső felülete alá merül. A salak nem érheti el ezt a területet, és a folyékony fém tartályként működik az öntvény táplálására, így elkerülhető a zsugorodási üregek kialakulása.
Az 1950-es évek eleje óta a fogaskerék-bronz folyamatos öntése számos fejlesztést magában foglaló fejlődésen ment keresztül. A folyamatos öntéstechnológia fejlődése kis, egységes kristályméretű öntött rúd- és csőtermékeket eredményezett. Ez egyenletesebb, erősebb, folyamatosan öntött anyagot eredményez. Az ezzel a módszerrel előállított fogaskerék-bronz jobb, mint bármely más módszerrel előállított fogaskerék-bronz. A folyáshatár, az ütési szilárdság és a keménység jelentősen javul. A kopásállóság is megnövekedett.
