Samomazná kluzná ložiska (pouzdra) a jejich použití

Obr. 1: Ložisko s pevným mazivem

Kluzná ložiska s integrovaným pevným mazivem (obr.1) jsou bezúdržbová a nevyžadují další provozní mazání. Jsou určena pro aplikace, kde nelze použít valivá ložiska kvůli vysokému statickému, dynamickému nebo rázovému zatížení. Používají se také v náročných podmínkách, které životnost valivých ložisek zkracují, jako např.:

• vysoké teploty

• prašné prostředí

• mořská voda

• chemikálie

• nízká kluzná rychlost

• v oblastech, kde je nutná úspora prostoru

V posledních letech vzrostla poptávka po robustních ložiskách použitelných při vyšších kluzných rychlostech nebo v náročných podmínkách (prašné prostředí, vysoké teploty,…..).

Obr. 2: Krystalická struktura grafitu

Pevné mazivo použité v ložiskách je grafit, který má krystalickou strukturu (šesterečná krystalová mřížka) s nízkou pevností ve smyku (Obr.2).

Grafit je chemicky stabilní a má vynikající tepelnou stabilitu. Může být použit při teplotách od 200°C do 400°C (bez dodatečného chlazení).

Při kluzném pohybu dochází k uvolňování grafitu z grafitových čoček na protikus a vytváří tím kluzný povrch s nízkou pevností ve smyku (Obr.3).

V některých případech jsou bezúdržbová ložiska kvůli dalšímu zlepšení kluzných vlastností (tření, opotřebení, zamezení zadření) používána s grafitem napuštěným olejem (pouze na vyžádání).

Obr. 3: Uvolnění a přenos grafitu

Obr. 4: Průběh opotřebení ložiska

Obecně platí, že kluzné materiály přechází z počáteční fáze záběhu (I) do ustáleného stavu s nízkým třením (II) (obr.4).
To znamená, že schopnost rychle dosáhnout ustáleného stavu a nižšího tření je pro vysoce výkonná ložiska klíčová.
Koeficient tření třecí vrstvy s pevným mazivem se vypočítá dle následujícího vzorce:

  μ = τ₀ / P_H    ①

τ₀ označuje pevnost ve smyku kluzného filmu a P_H značí tvrdost základního povrchu.

Na základě vzorce (1) jsme se zaměřili na vytvoření vysoce výkonných ložisek s vysokou odolností vůči opotřebení a nízkým koeficientem tření rozptýlením tvrdokovových částic do základní měděné slitiny. Tyto tvrdokovové částice vylešťují v záběhové fázi (I) ulpívající kovové částice a nerovnosti tělesa protikusu a vytváří tak hladký povrch.

V druhé fázi, tedy v ustáleném stavu s nízkým třením (II) dochází k uvolnění grafitu a vytvoření stabilní mazací vrstvy zajišťující nízké tření. V tomto okamžiku dochází zároveň ke snížení koeficientu tření, protože hodnota P_H ve vzorci (1) je vyšší než normální tvrdost slitiny, což brání materiálu k přechodu do fáze únavy (III).

Jak bylo právě popsáno, výborná odolnost vůči opotřebení a nízké tření jsou zajištěny rozptýlením tvrdokovových částic do základní měděné slitiny.

Abychom vyhověli požadavkům zákazníků, vyvinuli jsme vysoce výkonná ložiska (materiál SO#50SP8 a SO#50SP13) zvýšením tvrdosti měděných slitin používaných pro výrobu ložisek rozptýlením tvrdokovových částic (tabulka 1).

Obr. 5: Odolnost vůči opotřebení SO#50SP8

(1) Bezúdržbová ložiska s vynikající odolností vůči opotřebení pro aplikace s vysokým zatížením

Obr.5 ukazuje odolnost vůči opotřebení ložiska vyrobeného z vysokopevnostní mosazi s rozptýlenými tvrdokovovými částicemi (SO#50SP8) (výsledky na základě provedeného testu kluzných vlastností).

Při srovnání se standardním materiálem SO#50SP2 (ekvivalent k CAC304), který má vyšší odolnost vůči opotřebení než standardní ložiskové materiály, představuje míra opotřebení materiálu SO#50SP8 s rozptýlenými tvrdokovovými částicemi pouze 25 %.

Obr. 6: Tepelné vlastnosti materiálu SO#50SP13

Podmínky testu:

povrchový tlak: 50N/mm² kluzná rychlost: 1m/min

bez mazání materiál protikusu: C45 + povrchově kalený (≥ HRC50)

(2) Samomazná ložiska určená pro vysoké teploty

Olej ani tuk nemohou být použity pro mazání, protože se jejich vlastnosti při vysokých teplotách zhoršují.
Při teplotách vyšších než 200°C dochází zároveň ke značnému poklesu tvrdosti vysokopevnostní mosazi (SO#50SP2).

U materiálu SO#50SP13 (hliníková bronz s rozptýlenými tvrdokovovými částicemi) dochází v rozmezí teplot 200° až 300°C k minimálnímu poklesu tvrdosti. Proto je tento materiál vhodný do prostředí s vysokými teplotami (obr.6).

SO#50SP2 (ekvivalent k CAC304)
Tvrdost: ≥ HB 210

SO#50SP13
Tvrdost: > HB 280

Obr. 7: Stav pouzder pokrytých teplotně degradovanou vrstvou

(3) Samomazná ložiska s vysokou robustností

Hliníkový bronz se při vysokých teplotách vyznačuje výbornou odolností vůči korozi.
Používá se při sušení, spalování a následných procesech jako kluzný materiál u spalovacích roštů ve spalovnách odpadů.
Používá se také pro pouzdra tlačné páky u zařízení, které tlačí spálený popel z vody (oblast, kde mokrý spálený popel přichází do kontaktu s pouzdrem).

Obr.7 ukazuje rozdíl mezi materiálem SO#50SP2 (ekvivalent k CAC304) a SO#50SP13.
Oba tyto materiály byly použity pro pouzdra tlačné páky ve spalovně odpadů po dobu jednoho roku. U pouzdra z materiálu SO#50SP2 došlo k výraznému poklesu tvrdosti oproti stavu před zahájením provozu (HB 210 a více) a zároveň bylo pouzdro v okrajových částech poškozeno korozí.

Oproti tomu pouzdro z materiálu SO#50SP13 nevykazuje žádnou korozi ani pokles tvrdosti a povrch pouzdra je v dobrém stavu s minimálním opotřebením. Tvrdokovové částice s odpovídající tvrdostí udržují míru opotřebení protikusu na nízké úrovni a zajišťují tím výbornou odolnost vůči opotřebení.

Existují dva typy kluzných bezúdržbových ložisek s integrovaným pevným mazivem (grafit) nevyžadující další provozní mazání. První z nich je ložisko vyrobené z vysokopevnostní mosazi s vynikajícími záběhovými vlastnostmi a druhý typ ložiska je vyroben z hliníkového bronzu s vynikající robustností.

Ložiska z materiálu SO#50SP8 a SO#50SP13 (základní materiál s rozptýlenými tvrdokovovými částicemi) se vyznačují vynikající odolností vůči opotřebení a robustností při vysokých teplotách.

Mohou být použita v takových prostředích, kde je použití normálních ložisek vyloučeno. Díky synergii grafitu (pevného maziva) a vysoce výkonných základních kluzných materiálů jsou tato ložiska velmi přizpůsobivá mnoha aplikacím.