Alumiinin ja tinan vaikutukset pronssivaihteisiin
Kupariseoksella (pronssi) varustetuilla hammaspyörillä on ainutlaatuiset ominaisuudet, jotka auttavat minimoimaan kulumista pronssi-teräskontaktissa. Pronssivaihteita käytetään vaihteistoissa, ja ne on yhdistetty teräskierukkavaihteisiin. Pronssisia hammaspyöriä käytetään muissa laitteissa, jotka vaativat yhdistämisen teräshammaspyörien kanssa.
Kaikissa tapauksissa teräspinta on kovempi kuin pronssipinta. Pronssi-teräs-yhdistelmien valinta perustuu samoihin periaatteisiin kuin pronssiset holkkilaakerit, jotka on liitetty kovempiin teräsakseleihin.
Teräksellä olevan pronssin kuluminen johtaa pronssin uhrautuvaan kulumiseen, mutta teräksen kuluminen on vähäistä tai ei ollenkaan.
Pronssi-teräskitka on paljon pienempi kuin teräs-teräskitka.
Suuremmilla suhteellisilla pintanopeuksilla täyskalvo- tai hydrodynaaminen voitelu erottaa teräs-teräs-parin, mutta pienemmillä nopeuksilla yhteenliittyvien komponenttien epätasaisuudet (pinnan karheus) koskettavat toisiaan. Tämä johtaa kahden teräsosan voimakkaaseen kulumiseen. Pronssi-teräs-parien kohdalla vahvemmat teräspinnat leikkaavat heikompia pronssia.
Näiden näkökohtien vuoksi metallurgiset ja mekaaniset insinöörit ovat kehittäneet pronssiseosperheen, joka minimoi pronssin kulumisen ja tarjoaa kaikki pronssi-teräkselle -parien edut.
Halutulla pronssilla on seuraavat ominaisuudet:
Voimaa kantaa vaaditut kuormat.
Matala kitkakerroin teräksen kanssa.
Pronssin minimaalista kulumista.
Monet laakeripronssit sisältävät lyijyä kitkakertoimen alentamiseksi, mutta lyijy erottuu jäätyneestä valukappaleesta ja on kupariseoskiteiden välissä. Tämä heikentää materiaalia, ja vaikka lyijyä on hyötyä holkkilaakereille, se on pidettävä mahdollisimman vähäisenä vahvan hammaspyöräpronssin valumiseksi. Jotkut hammaspyöräpronssit sisältävät pieniä määriä tätä rakeiden välistä lyijyä koneistettavuuden parantamiseksi.
Paras kulutusominaisuuksien yhdistelmä löytyy kahdesta kupariseosryhmästä:
Alumiini- ja mangaanipronssit ovat vahvoja ja uhrautuvat teräsliitososien kulumiselle. Näillä seoksilla on vahva matriisi, johon on upotettu erittäin kova faasi. Teräsliitososan tulee olla erittäin kova ja molempien osien pinnan tulee olla erittäin hieno. Nämä pronssit eivät muodosta matalakitkaista pronssikerrosta teräkseen.
Tinapronssit vahvistetaan kiinteällä tinaliuoksella kuparissa, enintään noin 10 % tinaa. Lisätina saa aikaan vahvan, kovan rakeidenvälisen faasin, jossa on runsaasti tinaa. Tinaatomit muokkaavat kuparimatriisia riittävästi estämään kidekerrosten liukumista, ja rakeiden välinen faasi auttaa lisäämään kovuutta. Tinapronssi muodostaa matalakitkaisen pronssikerrostuman yhteensopivaan teräskomponenttiin. Tästä syystä tinapronssi on ei-rautapitoisten hammaspyörien suosituin seos.
Teräkselle kerrostetun alumiinin ja mangaanipronssin epäpuhtaudet eivät ole yhtä hyödyllisiä kuin tinapronssin. Alumiinipronssin epäpuhtaudet tuottavat lopulta alumiinioksidipitoisuuden, joka on erittäin hankaavaa. Mangaanipronssi sisältää alumiinia ja (suuria määriä) sinkkiä. Sinkkioksidi on hankaavaa, ja kuparimatriisissa oleva sinkki edistää kulumista teräksen kanssa liitettäessä. Tinalla on paljon pienempi affiniteetti happea kohtaan kuin alumiinilla tai sinkillä.
"Kuluminen" ja siitä johtuvat rajaolosuhteet tekevät tinapronssista niin ihanteellisen teräksen kanssa. Kun pintaan on upotettu riittävästi pronssisia epäpuhtauksia, kuluminen vähenee ja kitka vähenee.
Vaihteiston peruskupari-tinaseos on kehittynyt viiden suositun vaihteistopronssin sarjaksi. Nämä seokset on määritelty spesifikaatiossa ASTM B 427-93A. Vaihtelua on vähän. 12 % tinaseoksessa on enemmän kovia faaseja. Kupariseos C92900 on monipuolisin, sillä sen lyijypitoisuus on 2,5 %. Tämä mahdollistaa hyvän työstettävyyden, ja lyijyhiukkaset uppoavat kaikkiin hankaaviin aineisiin kulumisen aikana. Tämän lejeeringin nikkelipitoisuus (3,5 %) on erittäin hyödyllinen. Se lisää korroosionkestävyyttä ja edistää pienempiä kidekokoja valuissa. Mitä pienemmät kiteet, sitä vähemmän kemiallista segregaatiota ja korkeampi fyysinen laatu.
Näitä hammaspyörien pronssia ei voida valmistaa takomalla, kuten suulakepuristamalla, vetämällä, valssaamalla tai takomalla. Niitä tulee käyttää valukappaleina. Suuri tinapitoisuus voi aiheuttaa suulakepuristettujen aihioiden rikkoutumisen. Ne, joissa on 8 % tinaa, voidaan jatkuvasti valaa ja vetää pieniin halkaisijoihin. Alempi tinasisältö voidaan puristaa ja vetää halkaisijaltaan pieniksi. (Kylmä)veto lisää fysikaalisia ominaisuuksia valumateriaalin ominaisuuksien yläpuolelle. Kitkaominaisuuksissa ei ole parannusta.
Varsinaisia varustepronssia voidaan valaa vain tietyillä menetelmillä. Sekä hiekkavalu että kylmävalu mahdollistavat kutistuvia onteloita ja ei-metallisia (hankaavia) sulkeumia. Jatkuva valu poistaa nämä ongelmat. Jatkuvasti valettu tanko tai putki poistetaan muotista, joka on yhdistetty nestemäisellä metallilla täytettyyn uuniin. Muotin sisääntulo on upotettu syvälle nestemäisen metallin yläpinnan alle. Tälle alueelle ei pääse kuonaa, ja nestemäinen metalli toimii säiliönä valun syöttämiseksi, mikä välttää kutistumisonteloita.
1950-luvun alusta lähtien jatkuva pronssin valu on kehittynyt sisältämään monia parannuksia. Jatkuvavalutekniikan edistyminen on johtanut valettuihin sauva- ja putkituotteisiin, joissa on pieni, tasainen kidekoko. Tämä tuottaa tasaisemman, vahvemman jatkuvasti valetun materiaalin. Tällä menetelmällä valmistettu hammaspyöräpronssi on parempi kuin millä tahansa muulla menetelmällä valmistettu hammaspyöräpronssi. Myötölujuus, iskulujuus ja kovuus paranevat huomattavasti. Myös kulutuskestävyys paranee.
