Cojinetes deslizantes de bronce y aluminio: propiedades, diseño y guía de selección

Una acería se puso en contacto con Jiashan Tocree Machinery por un rodamiento que seguía fallando en un brazo de transferencia de palanquilla. El casquillo original era de bronce y estaño con plomo, engrasado una vez durante el montaje y luego dejado expuesto a las incrustaciones del molino, al agua de refrigeración y al calor. Se gastó más allá del espacio utilizable en unas seis semanas. El reemplazo fue un buje de bronce de aluminio fundido con una ranura de grasa rediseñada, y la primera inspección después de seis meses mostró solo un desgaste ligero y uniforme. Ese resultado no es suerte; es lo que sucede cuando la aleación del rodamiento se elige según el servicio real y no según un catálogo.

Los cojinetes deslizantes de bronce de aluminio son la especificación adecuada cuando un cojinete liso debe transportar cargas pesadas, absorber impactos u oscilaciones continuas, tolerar el polvo y el agua y sobrevivir con una lubricación limitada. Son más fuertes que la mayoría de las otras aleaciones de cobre, resisten el agua de mar y la corrosión industrial y funcionan contra el acero endurecido sin irritarse. La compensación es el costo: el bronce de aluminio es más caro que un bronce con plomo o estaño estándar. Por lo tanto, los ingenieros deben usarlo cuando las condiciones justifiquen la prima y luego diseñar el rodamiento correctamente una vez seleccionado el material.

¿Qué hace que el bronce de aluminio sea un material resistente para cojinetes deslizantes?

El bronce de aluminio es una familia de aleaciones de cobre en las que el aluminio es el principal elemento de aleación, generalmente entre el 8% y el 14%, y se agrega hierro, níquel o manganeso para refinar la estructura. Los grados comunes de rodamientos deslizantes incluyen CuAl9Fe4 y CuAl10Fe5Ni4. Primero se funden los componentes y luego se mecanizan para formar casquillos, arandelas de empuje, placas deslizantes, pastillas de desgaste y otras formas de cojinetes.

Cuatro propiedades explican su desempeño en cojinetes deslizantes:

• Alta resistencia. Los bronces de aluminio fundido suelen alcanzar resistencias a la tracción de 450 a 700 MPa, cercanas a las del acero de medio carbono. Un rodamiento puede soportar una mayor presión superficial antes de que el material ceda, lo que prolonga directamente la vida útil en juntas muy cargadas.
• Resistencia irritante. Durante el deslizamiento, la superficie se endurece ligeramente y se forma una película de óxido de aluminio en la zona frotada. Esa película evita la soldadura de metal con metal, la principal causa de irritación y agarrotamiento entre las aleaciones de cobre y el acero.
• Resistencia a la corrosión. La misma capa de óxido protege la aleación en agua de mar, atmósferas industriales y muchos entornos de proceso, por lo que el rodamiento no depende de una película de grasa para seguir siendo resistente a la corrosión.
• Tolerancia al impacto. El bronce de aluminio absorbe los golpes y pequeñas desalineaciones sin agrietarse, lo que lo hace tolerante en excavadoras, prensas y equipos de transferencia.

Para los cojinetes deslizantes, la combinación de capacidad de carga y resistencia al desgaste es lo que separa al bronce de aluminio del resto de la familia de aleaciones de cobre.

Bronce de aluminio versus bronce de estaño: cómo elegir

Comience con la conclusión. Elija bronce de aluminio cuando la carga sea pesada, el ambiente sea corrosivo o sucio o la lubricación sea incierta. Elija bronce de estaño cuando el rodamiento tenga una carga ligera, esté continuamente lubricado con aceite y esté protegido de la contaminación.

El bronce de estaño es más blando y se deforma más fácilmente, lo que le ayuda a adaptarse a la desalineación del eje e incrustar pequeñas partículas abrasivas en un sistema de aceite limpio. El bronce de aluminio mantiene su forma y resiste el desgaste abrasivo, lo cual es importante cuando la película de aceite es delgada, el rodamiento está expuesto a incrustaciones o polvo, o la carga es lo suficientemente alta como para exprimir el lubricante. Para rodamientos de movimiento lento y con cargas pesadas, el bronce de aluminio es la opción más segura.

Para obtener una comparación más detallada de familias de aleaciones y límites prácticos, consulte nuestra guía completa de bujes y rodamientos de bronce de aluminio .

Juego, dureza de acoplamiento y diseño de lubricación.

La selección de materiales es sólo la mitad del trabajo de ingeniería. Un cojinete deslizante de bronce y aluminio todavía depende de que tres números sean correctos: juego de funcionamiento, dureza de la superficie de contacto y geometría de lubricación.

El bronce de aluminio funciona mejor contra una superficie de acero tratada térmicamente en el rango de 40 a 55 HRC, con un acabado de aproximadamente 0,4 a 0,8 µm Ra. Un eje blando se desgastará más rápido que el rodamiento y reemplazar un eje largo es mucho más costoso que reemplazar un buje. Si la pieza coincidente no se puede endurecer, espere una vida útil más corta y planifique un intervalo de inspección de desgaste en consecuencia.

La holgura de funcionamiento para un buje de bronce de aluminio generalmente se establece ligeramente mayor que para un bronce de estaño más blando, porque la aleación más dura tolera menos la expansión térmica y la distorsión del ajuste a presión. Como punto de partida para un eje de acero rectificado, utilice aproximadamente el 0,1 % del diámetro del eje para rotación continua, luego agregue un margen para la temperatura de funcionamiento y las cargas cíclicas. Un ajuste demasiado apretado es una causa mucho más común de falla que un espacio libre marginalmente demasiado generoso.

Las ranuras de aceite distribuyen el lubricante uniformemente por toda la zona cargada. Las ranuras axiales rectas se adaptan al movimiento oscilante, las ranuras circunferenciales se adaptan a la rotación continua y los patrones en cruz o en espiral se adaptan a las cargas inversas. Los bordes de las ranuras deben ser lisos y sin rebabas; un borde afilado raspa la película lubricante y atrapa los restos de desgaste. Cuando la dirección de la carga no es constante, la solución confiable más simple suele ser un buje con una ranura de grasa mecanizada en lugar de una ranura cortada en el campo, porque la geometría cortada a mano varía en ancho y profundidad.

Buje cilíndrico de bronce de aluminio con ranura de grasa mecanizada Este manguito recto combina bronce de aluminio ZCuAl10Fe3 con una ranura de grasa mecanizada con precisión, lo que ofrece alta resistencia, conductividad térmica y resistencia al impacto para aplicaciones de carga pesada, oscilantes o reversibles. Ver producto →

Un cálculo rápido de detección es el valor PV: presión multiplicada por la velocidad de deslizamiento. El bronce de aluminio tolera alta presión a baja velocidad, pero la presión permitida cae rápidamente a medida que aumenta la velocidad de deslizamiento. Un rodamiento oscilante que se mueve sólo unos pocos grados por carrera puede funcionar con una presión superficial mucho mayor que un muñón que gira continuamente. Utilice los límites de PV proporcionados por el fabricante para el grado específico en lugar de tablas impresas genéricas y confírmelos con una prueba de banco si la aplicación es crítica.

Donde los cojinetes deslizantes de bronce de aluminio demuestran su eficacia

Mire las condiciones de funcionamiento reales y las aplicaciones siguen directamente:

• Maquinaria metalúrgica. Las mesas de rodillos, las cizallas, los brazos de transferencia y las guías de ruedas funcionan calientes, llenas de polvo y, a menudo, lavadas con agua. Nuestro Descripción general de aplicaciones de maquinaria metalúrgica. enumera las piezas típicas y las condiciones de trabajo.
• Maquinaria marina. La corrosión del agua de mar, además de las pesadas cargas del timón, el estabilizador, el cabrestante y los engranajes de la cubierta, hacen del bronce de aluminio un material estándar para cojinetes sumergidos y de zona de salpicadura.
• Equipos pesados ​​de construcción y minería. Los puntos de pivote de excavadoras, trituradoras y transportadores enfrentan cargas de impacto y polvo abrasivo que desgastan rápidamente las aleaciones más blandas.
• Máquinas de fundición a presión. El calor, la fuerza de sujeción y el acceso limitado a la lubricación llevan a los cojinetes lisos al límite; El bronce de aluminio conserva la resistencia a temperaturas elevadas mejor que el bronce de estaño.
• Equipos petroleros. Las bombas, válvulas y componentes de la plataforma a menudo funcionan lejos de los equipos de mantenimiento y con lubricantes contaminados, por lo que el rodamiento debe tolerar largos intervalos entre eventos de servicio.

Las aplicaciones de deslizamiento plano utilizan el mismo material de bronce de aluminio en forma de cojinetes y placas deslizantes en lugar de casquillos redondos. Cuando el diseño requiere una geometría plana, como guías deslizantes, almohadillas de soporte o caras de empuje, una almohadilla de cojinete de cobre maquinada ofrece el mismo rendimiento de aleación en forma de placa.

Almohadilla de rodamiento de cobre, bronce y estaño para superficies deslizantes planas Una almohadilla de cojinete plana de cobre fabricada con precisión a partir de bronce al estaño CuSn12, que proporciona resistencia al desgaste y a la corrosión para guías deslizantes, almohadillas de soporte y caras de empuje en equipos industriales exigentes. Ver producto →

La calidad de la fundición y el mecanizado deciden la vida útil real

Un cojinete de bronce de aluminio fabricado con la aleación correcta aún falla prematuramente si la pieza fundida contiene contracción o porosidad, o si el mecanizado deja una superficie rota. Debido a que este material se elige para trabajos severos, la calidad de fabricación generalmente determina la diferencia entre un rodamiento de seis semanas y uno de doce meses.

Un fabricante que vierte sus propias aleaciones de cobre controla la química desde el principio. Jiashan Tocree opera su propio horno de fusión y máquinas de fundición centrífugas, y produce aproximadamente 2.300 toneladas de aleación de cobre al año. La fundición y el mecanizado de precisión bajo un mismo techo eliminan el riesgo de que los certificados de materiales no coincidan, reduce el tiempo de entrega para formas no estándar y permite que el mismo equipo de ingeniería sea responsable tanto de la estructura en bruto como de la tolerancia final.

La empresa mecaniza casquillos con diámetros de hasta 1,5 a 2 metros y placas deslizantes de hasta 4 metros de largo, 400 milímetros de ancho y 100 milímetros de espesor. Para piezas grandes, se necesita un taller con temperatura controlada y una cuidadosa planificación de la trayectoria de la herramienta para mantener tolerancias geométricas que de otro modo serían imposibles de garantizar.

Incluso para diámetros comunes, la disciplina de mecanizado es la misma. Un buje de bronce estándar es un buen punto de partida para evaluar las tolerancias del orificio, la redondez y el acabado de la superficie antes de comprometerse con una pieza completamente personalizada.

Buje de bronce de estaño fundido centrífugamente con ranuras de aceite personalizadas Este buje de bronce se produce mediante fundición centrífuga con ranuras de aceite internas y externas opcionales, lo que brinda alta resistencia a la tracción, dureza y resistencia a la corrosión para un rendimiento duradero del rodamiento. Ver producto →

Variantes autolubricantes para posiciones inaccesibles

Algunas posiciones de los cojinetes simplemente no se pueden volver a lubricar: pasadores de pivote sellados, accesorios marinos sumergidos, mecanismos de indexación y equipos dentro de guardas o salas limpias. En esos casos, vale la pena evaluar una variante sólida autolubricante con inserciones de grafito o PTFE. El material base y la ruta de fundición son los mismos que para el bronce de aluminio simple, pero las bolitas de lubricante sólido se presionan contra la pared y liberan una película durante el deslizamiento.

No espere que los límites de PV de funcionamiento en seco coincidan con los de un cojinete de bronce de aluminio alimentado con grasa; las cifras son más bajas y la elección debe validarse con el deber real. Cuando la relubricación es imposible, la combinación de una carcasa de aleación de cobre resistente y un lubricante sólido incorporado es un recurso práctico.

La especificación práctica para un cojinete deslizante de bronce y aluminio no es un único número de catálogo. Se trata de un caso de carga, un grado de aleación, un plan de lubricación y un fabricante que puede ejecutar tanto la fundición como el mecanizado con la tolerancia requerida. Utilice bronce de aluminio cuando el bronce de estaño haya demostrado ser demasiado blando, donde haya agua o corrosión, o donde la relubricación no sea confiable. Diseñe la ranura de aceite, endurezca la superficie de contacto y confirme los números de PV con la fundición antes de realizar el pedido. Si se hace correctamente, el rodamiento se convierte en la última parte de la máquina de la que debe preocuparse.