Effetti dell'alluminio e dello stagno sugli ingranaggi in bronzo
Gli ingranaggi in lega di rame (bronzo) hanno proprietà uniche che aiutano a ridurre al minimo l'usura nel contatto bronzo-acciaio. Gli ingranaggi in bronzo sono utilizzati nei riduttori e sono accoppiati a ingranaggi a vite senza fine in acciaio. Gli ingranaggi cilindrici in bronzo vengono utilizzati in altre apparecchiature che richiedono l'accoppiamento con ingranaggi cilindrici in acciaio.
In tutti i casi, la superficie dell'acciaio è più dura della superficie del bronzo. La scelta delle combinazioni bronzo su acciaio si basa sugli stessi principi dei cuscinetti a manicotto in bronzo accoppiati ad alberi in acciaio più duro.
L'usura del bronzo su acciaio comporta un'usura sacrificale del bronzo con un'usura minima o nulla dell'acciaio.
L'attrito bronzo su acciaio è molto inferiore all'attrito acciaio su acciaio.
A velocità superficiali relative più elevate, la lubrificazione a film completo o idrodinamica separerà la coppia acciaio su acciaio, ma a velocità inferiori, le asperità (rugosità superficiale) dei componenti accoppiati entreranno in contatto tra loro. Ciò si traduce in una grave usura dei due componenti in acciaio. Per le coppie bronzo su acciaio, le asperità dell'acciaio più forti tagliano le asperità del bronzo più deboli.
Sulla base di queste considerazioni, gli ingegneri metallurgici e meccanici hanno sviluppato una famiglia di leghe di bronzo che riducono al minimo l'usura del bronzo fornendo allo stesso tempo tutti i vantaggi delle coppie bronzo su acciaio.
Il bronzo desiderato avrà le seguenti proprietà:
Forza per sostenere i carichi richiesti.
Basso coefficiente di attrito con l'acciaio.
Minima usura del bronzo.
Molti bronzi per cuscinetti contengono piombo per ridurre il coefficiente di attrito, tuttavia, il piombo si separa dalla fusione congelata ed è presente tra i cristalli della lega di rame. Ciò indebolisce il materiale e, sebbene sia utile per i cuscinetti a manicotto, il piombo deve essere ridotto al minimo per fondere bronzi per ingranaggi resistenti. Alcuni bronzi per ingranaggi contengono piccole quantità di questo piombo intergranulare per migliorare la lavorabilità.
La migliore combinazione di proprietà antiusura si trova in due gruppi di leghe di rame:
I bronzi all'alluminio e al manganese sono resistenti e sacrificabili all'usura delle parti accoppiate in acciaio. Queste leghe hanno una matrice forte in cui è incorporata una fase molto dura. La parte di accoppiamento in acciaio deve essere molto dura ed entrambe le parti devono avere una finitura superficiale molto fine. Questi bronzi non formeranno uno strato di bronzo a basso attrito sull'acciaio.
I bronzi allo stagno sono rinforzati da una soluzione solida di stagno in rame, fino a circa il 10% di stagno. Lo stagno aggiuntivo dà come risultato una fase intergranulare forte e dura, ricca di stagno. Gli atomi di stagno deformano la matrice di rame abbastanza da aiutare a inibire lo scivolamento degli strati cristallini e la fase intergranulare aiuta ad aumentare la durezza. Il bronzo allo stagno forma un deposito di bronzo a basso attrito sul componente in acciaio accoppiato. Per questo motivo, il bronzo allo stagno è la lega preferita per gli ingranaggi non ferrosi.
Le asperità dell'alluminio e del bronzo al manganese depositati sull'acciaio non sono così vantaggiose come quelle del bronzo allo stagno. Le asperità del bronzo-alluminio alla fine producono un contenuto di ossido di alluminio, che è molto abrasivo. Il bronzo al manganese contiene alluminio e (grandi quantità di) zinco. L'ossido di zinco è abrasivo e lo zinco nella matrice di rame favorisce l'usura durante l'accoppiamento con l'acciaio. Lo stagno ha un'affinità molto inferiore per l'ossigeno rispetto all'alluminio o allo zinco.
L'"usura" e le condizioni al contorno risultanti sono ciò che rende il bronzo allo stagno così ideale nell'accoppiamento con l'acciaio. Quando nella superficie sono incorporate quantità sufficienti di asperità di bronzo, l'usura e l'attrito si riducono.
La lega base rame-stagno per ingranaggi si è evoluta in una serie di cinque popolari bronzi per ingranaggi. Queste leghe sono specificate nella specifica ASTM B 427-93A. C'è poca variazione. La lega di stagno al 12% ha fasi più dure. La lega di rame C92900 è la più diversificata, poiché ha un contenuto di piombo del 2,5%. Ciò consente una buona lavorabilità e le particelle di piombo si incorporeranno in qualsiasi mezzo abrasivo durante l'usura. Il contenuto di nichel (3,5%) in questa lega è molto vantaggioso. Aumenta la resistenza alla corrosione e favorisce dimensioni dei cristalli più piccole nelle fusioni. Più piccoli sono i cristalli, minore è la segregazione chimica e maggiore è la qualità fisica.
Questi bronzi per ingranaggi non possono essere prodotti mediante processi di forgiatura come estrusione, trafilatura, laminazione o forgiatura. Devono essere usati come getti. Un elevato contenuto di stagno può causare la rottura delle billette estruse. Quelli con l'8% di stagno possono essere colati in continuo e trafilati a piccoli diametri. I contenuti inferiori di stagno possono essere estrusi e trafilati a piccoli diametri. La trafilatura (a freddo) aumenta le proprietà fisiche al di sopra di quelle del materiale colato. Non vi è alcun miglioramento nelle proprietà di attrito.
I veri bronzi per ingranaggi possono essere fusi solo con determinati metodi. Sia la fusione in sabbia che quella a freddo consentono cavità da ritiro e inclusioni non metalliche (abrasive). La colata continua elimina questi problemi. La barra o il tubo colato in continuo viene estratto da uno stampo collegato ad un forno riempito di metallo liquido. L'ingresso dello stampo è immerso in profondità sotto la superficie superiore del metallo liquido. Nessuna scoria può raggiungere questa zona ed il metallo liquido funge da serbatoio per alimentare il getto, evitando così eventuali cavità da ritiro.
Dall'inizio degli anni '50, la colata continua del bronzo per ingranaggi si è evoluta includendo molti miglioramenti. I progressi nella tecnologia della colata continua hanno portato alla realizzazione di prodotti in barre e tubi fusi con cristalli di dimensioni piccole e uniformi. Ciò produce un materiale colato in continuo più uniforme e più resistente. Il bronzo per ingranaggi prodotto con questo metodo è superiore al bronzo per ingranaggi prodotto con qualsiasi altro metodo. La resistenza allo snervamento, la resistenza agli urti e la durezza sono notevolmente migliorate. Anche la resistenza all'usura è migliorata.
