Rolamento composto bimetálico HZ-800: propriedades, dados de carga e desgaste

O rolamento composto bimetálico HZ-800 é uma liga de bronze sinterizado com suporte, não uma bucha sólida fundida

O Rolamento composto bimetálico HZ-800 é um rolamento liso projetado com precisão, construído pela sinterização de um pó de liga de bronze específico diretamente em uma tira de suporte de aço de baixo carbono e, em seguida, laminando e usinando o compósito em um formato de rolamento acabado. O suporte de aço fornece resistência mecânica e estabilidade dimensional para manter um encaixe por pressão no furo da caixa, enquanto o camada de bronze sinterizado - normalmente uma liga CuSn10Pb10 com espessura nominal de 0,25 a 0,40 milímetros em uma parede HZ-800 padrão - serve como superfície de rolamento real . A porosidade da camada de bronze sinterizado, deliberadamente controlada em 15% a 25% em volume, atua como reservatório de lubrificante. Quando o rolamento é impregnado com óleo durante a fabricação, a rede de poros interconectados armazena lubrificante que é atraído para a superfície do rolamento por expansão térmica e ação capilar durante a operação, proporcionando um efeito autolubrificante que reduz ou elimina a necessidade de relubrificação externa em muitas aplicações. A própria designação HZ-800 refere-se à formulação específica da liga e aos parâmetros do processo de fabricação, com o suporte de aço contribuindo com aproximadamente 70% a 80% da espessura total da parede e a camada de bronze constituindo o restante. Essa construção é fundamentalmente diferente de uma bucha de bronze maciço, que possui o mesmo material em toda a parede e carece da rigidez estrutural do aço e do reservatório de lubrificante de porosidade controlada.

Composição do Material e Ligação Metalúrgica na Interface

O HZ-800 bearing achieves its performance through a specific material system. The steel backing is typically a aço de baixo carbono em conformidade com SAE 1010 ou equivalente, selecionado por sua conformabilidade e capacidade de formar uma ligação por difusão com o pó de bronze durante a sinterização . O pó da liga de bronze, um pó esférico ou irregular com uma distribuição de tamanho de partícula tipicamente variando de 45 a 150 mícrons, é espalhado sobre a tira de aço em uma camada controlada e passado através de um forno de sinterização a uma temperatura de aproximadamente 800 a 850 graus Celsius em uma atmosfera redutora. A esta temperatura, as partículas de cobre e estanho fundem-se parcialmente e fundem-se entre si e com o substrato de aço, criando uma ligação metalúrgica que resiste à delaminação mesmo sob as tensões de cisalhamento geradas quando o rolamento é pressionado em um alojamento ou sujeito a cargas flutuantes. A própria liga de bronze - normalmente contendo 10% de estanho e 10% de chumbo por peso —fornece uma combinação de resistência do soluto de estanho na matriz de cobre e capacidade de incorporação das partículas discretas de chumbo dispersas por toda a estrutura. A fase de avanço desempenha uma função crítica: fornece um constituinte macio e cisalhante que permite que partículas contaminantes duras se incorporem na superfície do rolamento em vez de arranhar o munhão do eixo. Essa capacidade de incorporação é um dos principais motivos pelos quais um rolamento bimetálico é especificado em um material mais duro, como um rolamento de elemento rolante, para aplicações que envolvem ambientes operacionais sujos ou contaminados.

O Sintering Atmosphere and Its Effect on Bond Integrity

O sintering process that bonds the bronze layer to the steel backing must be performed in a atmosfera redutora controlada, normalmente uma mistura de nitrogênio e hidrogênio ou uma atmosfera rachada de amônia com ponto de orvalho abaixo de -40 graus Celsius . O gás redutor evita a oxidação do pó de bronze durante a sinterização e reduz quaisquer películas de óxido existentes na superfície do aço que inibiriam a formação de uma ligação metalúrgica limpa. Se o ponto de orvalho da atmosfera ultrapassar a especificação durante a produção, a resistência da ligação na interface bimetálica degrada-se significativamente e o rolamento ficará suscetível à delaminação quando sujeito às tensões de interferência de uma instalação de encaixe por pressão. Um rolamento HZ-800 devidamente sinterizado deve apresentar uma resistência ao cisalhamento da ligação superior a 80 MPa quando testada de acordo com a ISO 4386-2 , e a superfície de fratura deve apresentar falha coesiva dentro da camada de bronze, em vez de falha adesiva na interface aço-bronze.

Capacidade de carga e limite fotovoltaico que define o envelope operacional

O performance envelope of an HZ-800 bimetal composite bearing is defined primarily by its PV limit—the product of the bearing pressure in MPa and the surface velocity in meters per second at which the bearing can operate continuously without exceeding its thermal and wear limits. Under condições de lubrificação limite, o rolamento HZ-800 normalmente exibe um limite de PV de 3,0 a 3,6 MPa·m/s . Sob condições hidrodinâmicas, onde uma película completa de óleo separa o rolamento do eixo, a capacidade fotovoltaica aumenta substancialmente porque a superfície de bronze não está em contato direto com o eixo. A capacidade de carga estática da camada de bronze depende da temperatura do rolamento: à temperatura ambiente, a liga CuSn10Pb10 pode suportar tensões de compressão de até 140MPa sem deformação plástica significativa, mas este valor diminui para aproximadamente 90 MPa a 150 graus Celsius devido ao amolecimento térmico da matriz de bronze. A capacidade de carga também é função da relação comprimento/diâmetro do rolamento; um rolamento com relação L/D abaixo de 0,5 exibe concentrações de tensão de carga nas bordas que reduzem a capacidade de carga efetiva em até 30% em comparação com um rolamento com L/D de 1,0 na mesma área projetada.

Impregnação de óleo e mecanismo autolubrificante

O HZ-800 bearing is typically supplied in an oil-impregnated condition. The oil impregnation process involves submergir o rolamento acabado em óleo mineral aquecido a aproximadamente 60 a 80 graus Celsius sob vácuo, o que evacua o ar da estrutura porosa de bronze e permite que o óleo preencha completamente a rede de poros interconectados . O teor de óleo por volume de um rolamento HZ-800 devidamente impregnado é de 12% a 18%. Durante a operação, o aquecimento por fricção faz com que o óleo nos poros se expanda, e o coeficiente de expansão térmica do óleo - aproximadamente 7 × 10⁻⁴ por grau Celsius - excede o da estrutura de bronze, forçando o óleo a exsudar das aberturas dos poros para a superfície do rolamento. Quando a operação é interrompida e o rolamento esfria, o óleo se contrai e é puxado de volta para os poros por ação capilar. Este mecanismo de bombeamento térmico fornece um fornecimento contínuo de lubrificante à interface do rolamento sem exigir alimentação externa de óleo. Para aplicações com altas temperaturas de operação, o óleo mineral padrão pode ser substituído por um óleo de éster sintético ou perfluoropoliéter com limite de estabilidade térmica mais alto , estendendo a capacidade autolubrificante do rolamento a temperaturas acima de 200 graus Celsius, onde o óleo mineral oxidaria e carbonizaria dentro da estrutura dos poros.

Tolerâncias de usinagem e dimensão final do furo após o ajuste por pressão

Um rolamento composto bimetálico HZ-800 é normalmente instalado com uma interferência de ajuste por pressão em um furo de alojamento preparado, e essa interferência faz com que o furo do rolamento se feche em uma quantidade previsível. O o fechamento do furo é de aproximadamente 80% a 90% da interferência diametral — o que significa que um rolamento pressionado em um alojamento com 0,050 milímetros de interferência sofrerá uma redução no diâmetro do furo de 0,040 a 0,045 milímetros. Esse fechamento deve ser considerado especificando um rolamento com um furo superdimensionado que feche até a folga de funcionamento desejada na instalação ou usinando o furo do rolamento após a instalação para atingir a folga de funcionamento final. A folga de funcionamento para um rolamento HZ-800 é normalmente 0,001 a 0,0025 vezes o diâmetro do eixo para aplicações de precisão e 0,002 a 0,004 vezes para uso industrial geral . Se o furo do rolamento for usinado após a instalação, a margem de usinagem – a espessura extra do bronze fornecida para remoção – é normalmente de 0,05 a 0,15 milímetros de diâmetro, dependendo do tamanho do rolamento. A usinagem deve ser realizada com ferramenta afiada de ponta única e raio de ponta de pelo menos 0,4 milímetros para evitar manchas na superfície do bronze e fechar os poros essenciais para a função autolubrificante. O alargamento é preferível ao mandrilamento para o dimensionamento final porque um alargador produz um acabamento superficial que preserva a abertura dos poros, enquanto uma ferramenta de mandrilamento desgastada ou romba pode manchar o bronze e selar as aberturas dos poros.

Requisitos de tolerância e circularidade do furo do alojamento

O housing bore into which the HZ-800 bearing is pressed must meet specific tolerance and roundness requirements to ensure uniform interference around the bearing circumference. The housing bore tolerance for a typical HZ-800 bearing installation is H7 conforme ISO 286, com desvio de circularidade não superior a 0,01 milímetros para rolamentos com diâmetro externo de até 50 milímetros . Um furo da caixa de mancal fora do círculo concentra a interferência do ajuste por pressão nos pontos altos da caixa, produzindo pontos altos correspondentes no furo do rolamento que reduzem a folga de funcionamento localmente e podem causar contato metal com metal entre o rolamento e o eixo durante a operação inicial. Este contato, mesmo que breve, pode manchar a superfície do rolamento e comprometer a capacidade de formação de película de óleo durante o restante da vida útil do rolamento. O acabamento superficial do furo da caixa deve ser de Ra 1,6 a 3,2 mícrons – suave o suficiente para fornecer suporte consistente, sem ser tão liso que o rolamento possa sair da caixa sob vibração.

Requisitos do eixo e emparelhamento do material da contraface

O shaft running in an HZ-800 bimetal composite bearing must meet specific hardness, surface finish, and material requirements to achieve the bearing's design life. The shaft journal should have a dureza superficial mínima de 55 HRC para aplicações com contaminação abrasiva e 45 HRC para condições de lubrificação limpa ; um eixo mais macio será marcado pela superfície do rolamento de chumbo-bronze, particularmente durante a operação start-stop, quando a película de óleo não está totalmente estabelecida. O acabamento superficial do eixo deve ser Ra 0,2 a 0,4 mícrons – mais fino que a própria superfície do rolamento – para evitar que as asperezas do eixo atuem como uma ferramenta de corte no bronze mais macio. O emparelhamento do material do eixo com o bronze CuSn10Pb10 é favorável para a maioria dos aços, incluindo 1045 endurecido por indução, 8620 endurecido e nitretado 4140. Eixos de aço inoxidável requerem cautela: a camada passiva de óxido de cromo no aço inoxidável fornece mau comportamento de lubrificação de limite contra o bronze, e um eixo inoxidável funcionando em um rolamento HZ-800 deve ser cromado duro ou receber um tratamento de superfície, como nitretação a plasma, para melhorar a compatibilidade tribológica. O chanfro de entrada do eixo também é crítico - um Chanfro de 15 a 20 graus com acabamento superficial polido evita que a borda afiada do eixo raspe o material de bronze do furo do rolamento durante a montagem, o que introduziria detritos metálicos diretamente na folga de funcionamento do rolamento.

Características de desgaste e as três fases da vida útil do rolamento

O wear behavior of an HZ-800 bearing follows a predictable three-stage pattern that can be monitored to schedule bearing replacement before catastrophic failure occurs. The fase inicial de rodagem ocorre nas primeiras horas de operação e envolve a remoção das maiores asperezas da superfície do rolamento e o estabelecimento de uma geometria de contato conforme com o eixo. Durante esta fase, uma profundidade de desgaste mensurável de 5 a 15 mícrons é normal e esperada, e a taxa de desgaste diminui rapidamente à medida que a área de contato aumenta. O estágio de desgaste em estado estacionário é caracterizado por uma taxa de desgaste baixa e constante — normalmente 0,1 a 0,5 mícron por 100 horas de operação sob condições bem lubrificadas dentro do limite PV — e representa a vida útil do rolamento. O estágio de desgaste acelerado começa quando a camada de suporte de bronze se desgasta até o suporte de aço ou quando o reservatório de óleo na estrutura porosa se esgota além de sua capacidade de fornecer lubrificante à superfície. Neste ponto, a taxa de desgaste aumenta por um fator de 10 ou mais, e o suporte de aço começa a desgastar diretamente o munhão do eixo. Em uma aplicação bem projetada e com lubrificação adequada, o rolamento HZ-800 deve atingir uma vida útil de 5.000 a 20.000 horas antes do início do desgaste acelerado, com a faixa determinada pela carga fotovoltaica, pela limpeza do ambiente operacional e pela eficácia do sistema de fornecimento de lubrificante.

Diagnóstico de falhas e distinção entre desgaste adesivo e abrasivo

Quando um rolamento HZ-800 é retirado de serviço para exame, o padrão de desgaste na superfície do rolamento fornece informações de diagnóstico sobre as condições operacionais que fizeram com que o rolamento chegasse ao fim de sua vida útil. Desgaste adesivo aparece como bronze manchado, transferência de material do rolamento para o eixo e uma superfície de rolamento áspera e rasgada. Isso indica que a película de óleo quebrou, permitindo o contato metal com metal, e a causa raiz normalmente é sobrecarga, folga insuficiente ou falta de lubrificante. Desgaste abrasivo aparece como marcas circunferenciais na superfície do rolamento com ranhuras de arestas vivas que correspondem à direção do acabamento da superfície do eixo. Indica contaminação por partículas duras no lubrificante ou na superfície do eixo. Desgaste por fadiga aparece como picadas, lascas ou rachaduras conectadas à superfície na camada de bronze e indica que a carga cíclica excedeu o limite de fadiga da liga de bronze. A fadiga costuma ser o modo de falha final para rolamentos que funcionaram corretamente durante sua vida útil projetada e estão atingindo o limite natural da integridade mecânica da camada de bronze. A distinção entre esses modos de desgaste durante o exame post-mortem é essencial para determinar se o rolamento de substituição pode ser instalado sem modificações no sistema ou se os parâmetros de aplicação do rolamento – carga, velocidade, folga ou lubrificação – devem ser alterados.

Distinguindo o HZ-800 de outras classes de rolamentos bimetálicos na mesma família de produtos

O HZ-800 bimetal composite bearing is one member of a broader family of bimetal bearings that are differentiated by their bronze alloy composition and their intended application range. A designation such as HZ-800 normalmente indica uma liga de cobre-estanho-chumbo com uma proporção específica de estanho para chumbo e uma faixa de dureza específica - geralmente 60 a 80 HB na escala Brinell para a camada de bronze. . Uma classe relacionada com uma designação diferente, como uma com maior teor de estanho e sem chumbo, apresentaria maior capacidade de carga e maior dureza, mas menor capacidade de incorporação, tornando-a adequada para condições de lubrificação limpa, mas inadequada para ambientes contaminados onde partículas abrasivas devem ser incorporadas. Uma classe com maior teor de chumbo apresentaria melhor capacidade de incorporação e conformabilidade, mas menor capacidade de carga e menor temperatura máxima de operação porque a fase de chumbo amolece em temperaturas acima de 150 graus Celsius. A liga específica HZ-800 é formulada para um equilíbrio de propriedades adequadas para aplicações industriais em geral: resistência suficiente para cargas moderadas a altas, teor de chumbo suficiente para incorporação em ambientes levemente contaminados e um processo de sinterização que produz a porosidade controlada necessária para a autolubrificação impregnada de óleo. Ao especificar um rolamento de substituição, a designação deve corresponder exatamente, porque um rolamento com as dimensões corretas, mas com uma designação de liga diferente, terá diferentes características de desgaste, carga e temperatura que podem não ser compatíveis com a aplicação.