Učinci aluminija i kositra na brončane zupčanike
Zupčanici od legure bakra (bronca) imaju jedinstvena svojstva koja pomažu smanjiti trošenje u kontaktu bronca na čelik. Brončani zupčanici koriste se u reduktorima i spajaju se s čeličnim pužnim zupčanicima. Brončani cilindrični zupčanici koriste se u drugoj opremi koja zahtijeva spajanje s čeličnim cilindričnim zupčanicima.
U svim je slučajevima površina čelika tvrđa od površine bronce. Odabir kombinacija bronca na čeliku temelji se na istim principima kao i brončani klizni ležajevi spojeni s tvrđim čeličnim vratilima.
Trošenje bronce na čeliku rezultira žrtvovanim trošenjem bronce s malim ili nikakvim trošenjem čelika.
Trenje bronce o čelik mnogo je manje od trenja čelika o čelik.
Pri većim relativnim površinskim brzinama, puni film ili hidrodinamičko podmazivanje će razdvojiti par čelik na čelik, ali pri nižim brzinama, neravnine (hrapavost površine) spojenih komponenti će doći u međusobni kontakt. To dovodi do ozbiljnog trošenja dviju čeličnih komponenti. Za parove bronca na čeliku, jače čelične neravnine lome slabije brončane neravnine.
Zbog ovih razmatranja, metalurški i strojarski inženjeri razvili su obitelj brončanih legura koje minimaliziraju trošenje bronce, a istovremeno pružaju sve prednosti parova bronca na čeliku.
Željena bronca će imati sljedeća svojstva:
Snaga za nošenje potrebnih opterećenja.
Nizak koeficijent trenja s čelikom.
Minimalno trošenje bronce.
Mnoge bronce za ležajeve sadrže olovo kako bi se smanjio koeficijent trenja, međutim, olovo se odvaja od smrznutog odljevka i nalazi se između kristala bakrene legure. Ovo slabi materijal, a iako je korisno za klizne ležajeve, olovo se mora svesti na minimum za lijevanu jaku broncu zupčanika. Neke bronce za zupčanike sadrže male količine ovog intergranularnog olova radi poboljšanja obradivosti.
Najbolja kombinacija svojstava trošenja nalazi se u dvije skupine bakrenih legura:
Aluminijske i manganske bronce su jake i otporne na trošenje čeličnih spojnih dijelova. Ove legure imaju jaku matricu u koju je ugrađena vrlo tvrda faza. Čelični spojni dio mora biti vrlo tvrd, a oba dijela moraju imati vrlo finu završnu obradu. Ove bronce neće stvoriti brončani sloj niskog trenja na čeliku.
Kositrene bronce se ojačavaju čvrstom otopinom kositra u bakru, do oko 10% kositra. Dodatni kositar rezultira snažnom, tvrdom intergranularnom fazom koja je bogata kositrom. Atomi kositra deformiraju bakrenu matricu dovoljno da spreče klizanje kristalnih slojeva, a intergranularna faza pomaže u povećanju tvrdoće. Kositrena bronca stvara brončane naslage s niskim trenjem na spojnoj čeličnoj komponenti. Iz tog razloga, kositrena bronca je legura izbora za zupčanike od obojenih metala.
Neravnine aluminijske i manganske bronce nanesene na čelik nisu tako korisne kao one od kositrene bronce. Neravnine aluminijske bronce na kraju proizvode sadržaj aluminijeva oksida, koji je vrlo abrazivan. Manganska bronca sadrži aluminij i (velike količine) cinka. Cinkov oksid je abrazivan, a cink u bakrenoj matrici potiče trošenje pri spajanju s čelikom. Kositar ima puno manji afinitet prema kisiku od aluminija ili cinka.
"Habanje" i rezultirajući granični uvjeti ono su što kositrenu broncu čini tako idealnom za spajanje s čelikom. Kada je dovoljna količina brončanih neravnina ugrađena u površinu, trošenje se smanjuje i trenje.
Osnovna legura bakra i kositra za zupčanike razvila se u niz od pet popularnih brončanih zupčanika. Ove legure navedene su u specifikaciji ASTM B 427-93A. Malo je varijacija. Legura 12% kositra ima više tvrdih faza. Bakrena legura C92900 je najraznovrsnija, jer ima sadržaj olova od 2,5%. To omogućuje dobru obradivost, a čestice olova će se ugraditi u bilo koji abrazivni medij tijekom trošenja. Sadržaj nikla (3,5%) u ovoj leguri vrlo je koristan. Povećava otpornost na koroziju i potiče manje veličine kristala u odljevcima. Što su kristali manji, to je manje kemijske segregacije i veća je fizička kvaliteta.
Ovi brončani zupčanici ne mogu se proizvesti postupcima kovanja kao što su ekstruzija, izvlačenje, valjanje ili kovanje. Moraju se koristiti kao odljevci. Visok sadržaj kositra može uzrokovati lomljenje ekstrudiranih trupaca. Oni s 8% kositra mogu se kontinuirano lijevati i izvlačiti na male promjere. Niži sadržaj kositra može se ekstrudirati i izvlačiti na male promjere. (Hladno) izvlačenje povećava fizikalna svojstva iznad onih lijevanog materijala. Nema poboljšanja u svojstvima trenja.
Pravi brončani zupčanici mogu se lijevati samo određenim metodama. I lijevanje u pijesak i hladno lijevanje dopuštaju šupljine skupljanja i nemetalne (abrazivne) inkluzije. Kontinuirano lijevanje eliminira te probleme. Kontinuirano lijevana šipka ili cijev izvlači se iz kalupa spojenog na peć napunjenu tekućim metalom. Ulazni otvor kalupa je uronjen duboko ispod gornje površine tekućeg metala. Nikakva troska ne može doprijeti do ovog područja, a tekući metal djeluje kao spremnik za napajanje odljevka, čime se izbjegavaju šupljine skupljanja.
Od ranih 1950-ih kontinuirano lijevanje brončanih zupčanika razvilo se kako bi uključilo mnoga poboljšanja. Napredak u tehnologiji kontinuiranog lijevanja rezultirao je proizvodima od lijevanih šipki i cijevi s malim, ujednačenim veličinama kristala. Ovo proizvodi ujednačeniji, jači kontinuirano lijevani materijal. Bronca zupčanika proizvedena ovom metodom bolja je od bronce zupčanika proizvedene bilo kojom drugom metodom. Granica razvlačenja, udarna čvrstoća i tvrdoća znatno su poboljšani. Također je povećana otpornost na habanje.
