MATERIAL COMPUESTO EN CAPAS, FABRICACION Y USO.

Material compuesto en capas, especialmente para cojinetes de deslizamiento o casquillos,

con una capa de soporte, una capa de metal del cojinete (3) de una aleación de cobre o una aleación de aluminio, una capa intermedia de níquel (2) y una capa de deslizamiento (1), caracterizado porque la capa de deslizamiento (1) está compuesta por aproximadamente el 0 - 20% en peso de cobre y/o plata y el resto estaño y el espesor de capa de la capa de níquel asciende a más de 4 µm

Material compuesto en capas, fabricación y uso.

La invención se refiere a un material compuesto en capas, especialmente para cojinetes de deslizamiento o casquillos, con una capa de soporte, una capa de metal del cojinete de una aleación de cobre o de una aleación de aluminio, una capa intermedia de níquel y una capa de deslizamiento. Además, la invención se refiere a usos del material compuesto en capas.

Los materiales compuestos en capas clásicos con la estructura reversos de acero como capa de soporte, bronce al plomo como capa de metal del cojinete y capa de deslizamiento de plomo-estaño-cobre, como se describe, por ejemplo, en Glyco-Ingenieurberichte 1/91, han dado buenos resultados debido a su alta fiabilidad y capacidad de carga mecánica. En este caso, la capa de deslizamiento se deposita galvánicamente. En su caso se trata de una capa multifuncional en la que pueden incorporarse partículas extrañas que sirve de protección contra la corrosión, muestra las propiedades de funcionamiento en caso de emergencia y es especialmente adecuada para el rodaje o la adaptación de los componentes de deslizamiento.

La capa de metal del cojinete también presenta numerosas propiedades de funcionamiento en caso de emergencia para el caso en que la capa de deslizamiento se lime completamente al menos por zonas localizadas.

Los materiales compuestos en capas clásicos presentan una capa de deslizamiento basada en plomo. Una aleación corriente es, por ejemplo, PbSn10Cu2. Las capas de deslizamiento de este tipo presentan bajas durezas de 12 - 15 HV (dureza de Vicker). Por tanto, poseen buena capacidad de incorporación y son insensibles al agarrotamiento. No obstante, se desea sustituir el metal pesado plomo por otros materiales adecuados debido a motivos de protección laboral y medioambientales.

Un planteamiento consiste en utilizar capas duras como capas de deslizamiento en cojinetes altamente cargados. Por ejemplo, mediante el procedimiento de PVD (deposición física de vapor) se depositan capas de aluminio-estaño con durezas de 80 HV. Éstas están libres de plomo, no obstante son de fabricación muy cara. Los cojinetes de este tipo son muy resistentes al desgaste. Pero apenas poseen capacidad de incorporación y por tanto la mayoría de las veces se combinan con capas blandas que contienen plomo como contracapa. No obstante, en el caso de las contracapas también se desea sustituir el plomo por otros materiales.

Se ha intentado usar estaño puro como superficie de deslizamiento. No obstante, con una dureza de aproximadamente 10 HV, todavía es más blando que las aleaciones de plomo convencionales y por tanto no puede absorber las cargas que se producen, por ejemplo, en cojinetes principales del cigüeñal y de biela.

En el documento DE 197 28 777 A1 se describe un material compuesto en capas para elementos de deslizamiento cuya capa de deslizamiento está constituida por una aleación libre de plomo que presenta estaño y cobre ascendiendo la proporción de cobre al 3 - 20% en peso y la proporción de estaño al 70 - 97% en peso. Mediante la adición de cobre aumenta la dureza de la capa de deslizamiento en comparación con el estaño puro. Esta capa de deslizamiento se deposita galvánicamente con ayuda de un electrolito de ácido metilsulfónico con aditivos de afino de grano. La capa de deslizamiento así producida posee la propiedad de capas de deslizamiento ternarias basadas en plomo. En el documento DE 197 28 777 A1 se propone además prever en el baño de electrolito partículas de material duro dispersas que se incorporan en la capa para mejorar adicionalmente la resistencia al desgaste. Pero esto está unido a gastos y costes adicionales. Entre el metal del cojinete y la capa de deslizamiento puede preverse una capa de níquel de 1 - 3 µm de espesor junto con una capa de níquel-estaño de 2 - 10 µm de espesor como capa de barrera a la difusión.

En el documento DE 197 54 221 A1 se da a conocer un material compuesto en capas con una capa de deslizamiento con el 3 - 30% en peso de cobre, el 60 - 97% en peso de estaño y el 0,5 - 10% en peso de cobalto. De esta manera se consigue un aumento adicional de la capacidad de carga mecánica y se evita una fragilización de la capa de unión entre la capa de deslizamiento y la capa de barrera a la difusión de níquel. Debido al cobalto se reduce la tendencia a la difusión del estaño hacia el níquel. No obstante, debido a la adición de cobalto a la aleación, el proceso de deposición galvánico es más complejo, lo que reduce la seguridad del proceso. Por lo demás, como en el documento DE 197 28 777 A1, la capa de níquel de 1 - 3 µm de espesor puede combinarse con una capa de níquel-estaño de 2 - 10 µm de espesor como barrera a la difusión.

En el documento EP 1 113 180 A2 se describe un material compuesto en capas para cojinetes de deslizamiento cuya capa de deslizamiento posee una matriz de estaño en la que están incluidas partículas de estaño-cobre que están constituidas por el 39 - 55% en peso de cobre y el resto estaño. Característico del material compuesto en capas es además que no sólo está prevista una capa intermedia de níquel de un espesor de 1 - 4 mm, sino que entre la capa intermedia de níquel y la capa de deslizamiento está dispuesta una segunda capa intermedia de un espesor de 2 - 7 µm de estaño y níquel. La primera capa intermedia de níquel se aplica sobre la capa de metal del cojinete a partir de un electrolito de níquel de Watt. Sobre esta primera capa intermedia se galvaniza una segunda capa intermedia constituida por níquel y estaño. Para esto se usa un electrolito de cloruro/fluoruro modificado. Mediante las capas intermedias de níquel y estaño-níquel se produce un sistema adaptado por sí mismo a la carga en el que, dependiendo de las condiciones térmicas, la capacidad de carga aumenta debido a un crecimiento de la capa de estaño-níquel.

El objetivo de la presente invención es vencer las desventajas del estado de la técnica.

La invención se alcanza mediante un material compuesto en capas según la reivindicación 1. Además, el objetivo se alcanza mediante los usos según las reivindicaciones 9 y 10.

Se ha mostrado de manera sorprendente que sin la presencia inicial de una capa de estaño-níquel también se forma lentamente una de este tipo. Durante el calentamiento del material compuesto en capas, como se produce, por ejemplo, en la fase de rodaje en los casquillos y cojinetes fabricados a partir del material compuesto en capas según la invención, el níquel difunde a la capa de deslizamiento constituida esencialmente por estaño. Mediante esto se forma lentamente una superficie de mayor resistencia debido al aumento de la concentración de una segunda fase dura de cobre-estaño y/o plata-estaño contenida en la matriz de estaño. La resistencia a la fatiga aumenta debido a la reducción del espesor de la capa de soporte.

A diferencia del estado de la técnica, según el cual se aplicaban capas de níquel delgadas de 1 - 3 µm que sirvieron de barrera a la difusión, la capa de níquel según la invención forma una fuente de níquel para la formación de la capa de estaño-níquel inicialmente ausente. La capa de níquel debe ser más gruesa de 4 µm, ya que de lo contrario la capa de níquel puede consumirse completamente debido a la difusión del níquel a la capa de estaño. Esto conduciría a la disolución de las capas superficiales constituidas ahora por estaño-níquel y la aleación de la capa de deslizamiento de estaño. Hasta la fecha se evitaron en la medida de lo posible capas de níquel más gruesas ya que no poseen buenas propiedades de deslizamiento y en caso de necesidad deben permitir rápidamente el desgaste en el metal del cojinete que se encuentra debajo.

Los metales cobre y plata pueden presentarse por separado o en combinación en la matriz de estaño. Su proporción total deberá ascender a entre aproximadamente el 0,5 y el 20% en peso. De manera ventajosa, el contenido total de cobre y/o plata deberá ascender a entre aproximadamente el 2 y el 8% en peso.

La capa de deslizamiento deberá presentar de manera ventajosa un espesor de capa de aproximadamente 5 - 25 µm. Se prefieren espesores de capa de aproximadamente 4 - 8 µm para la capa intermedia de níquel y de aproximadamente 6 -14 µm para la capa de deslizamiento. A espesores de capa en estos órdenes de magnitud se garantiza que ni la capa de níquel ni la capa de deslizamiento basada en estaño se convierte completamente debido a la difusión. Esto conduciría a problemas de adherencia o interacciones no deseadas como la formación de fases frágiles entre...

1. Material compuesto en capas, especialmente para cojinetes de deslizamiento o casquillos, con una capa de soporte, una capa de metal del cojinete (3) de una aleación de cobre o una aleación de aluminio, una capa intermedia de níquel (2) y una capa de deslizamiento (1), caracterizado porque la capa de deslizamiento (1) está compuesta por aproximadamente el 0 - 20% en peso de cobre y/o plata y el resto estaño y el espesor de capa de la capa de níquel asciende a más de 4 µm.

2. Material compuesto en capas según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa de deslizamiento (1) presenta al menos aproximadamente el 0,5 - 20% en peso de cobre y/o plata.

3. Material compuesto en capas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la capa de deslizamiento (1) está constituida por aproximadamente el 2 - 8% en peso de cobre y/o plata y el resto estaño.

4. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el espesor de capa de la capa de deslizamiento (1) asciende aproximadamente a 5 - 25 µm.

5. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el espesor de capa de la capa de deslizamiento (1) asciende aproximadamente a 6 - 14 µm.

6. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el espesor de capa de la capa de níquel (2) asciende aproximadamente a 4 - 6 µm.

7. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la capa de metal del cojinete (3) está compuesta por una aleación de cobre-aluminio, cobre-estaño, cobre-estaño-plomo, cobre-cinc, cobre-cinc-silicio, cobre-cinc-aluminio, aluminio-cinc o cobre-aluminio-hierro.

8. Material compuesto en capas según una de las reivindicaciones 1 a 7 que se sometió a un proceso de envejecimiento y entre la capa intermedia de níquel (2) y la capa de deslizamiento (1') presenta una capa de interdifusión (4) de esencialmente estaño y níquel.

9. Uso del material compuesto en capas según la reivindicación 1 a 8 como cojinete principal del cigüeñal.

10. Uso del material compuesto en capas según la reivindicación 1 a 8 como cojinete de biela, especialmente en el ojo grande de la biela.