ToughMet

ToughMet®
Медь-Никель-Олово
Длительный срок службы
Низкие эксплуатационные расходы
Отличная зашита
© 2005 Brush Wellman Inc.
Что такое ToughMet?
Медноникелеоловянный сплав с
• Высокой прочностью и твердостью (как титан),
• Низкий коэффициент трения (как свинцовиста
бронза),
• Высокая износостойкость (как сталь),
• Не схватывается (как медно-бериллиевый
сплав),
• Высокое сопротивление коррозии (в отличие от
стали или бронзы),
• Отличная обрабатываемость (>3 раз быстрее
инструментальной стали)
• Не содержит свинца (Pb).
© 2005 Brush Wellman Inc.
Кто использует ToughMet®?
•
•
•
•
•
Caterpillar
John Deere
Joy Mining
Euclid Hitachi
Robbins Tunnel
Boring
• Smith Mining
• Parker Hannifin
•
•
•
•
•
•
•
© 2005 Brush Wellman Inc.
Boeing
Airbus
Embraer
Schlumberger
Kvaerner
Halliburton
Weatherford
Гле применяется ToughMet®?
Некоторые примеры
• Втулочные
подшипники:
• Упорные подшипники:
– Рычажные передачи
крана/погрузчика
– Авиационное шасси
– Haulage truck steering
– Рулевое управление
грузового автомобиля
– Гоночные двигатели (F1,
NASCAR, drag)
• Компоненты
скольжения
– Роторы и ползуны насоса
– Направляющие пресса
– Поршневые кольца
молота
– Передачи и приводы
внедорожника
– Плиты основания
гидронасосов
– Буры колонковые и для
горной породы
• Другие применения
– Детали бурильной
колонны для нефтедобычи
– Направляющие ролики
печи
– Точные валы двигателя
– Направляющие клапана
морского двигателя
© 2005 Brush Wellman Inc.
Как производится
ToughMet®?
• Запатентованный процесс
EquaCast™
– Технология непрерывного
мелкозернистого литья
– Широкое разнообразие
конфигураций и размеров
• Составляющая собственность
спиноидальная закалка
– Значительное увеличение
прочности и твердости
– Микроскопическая фазовая
модуляция создает:
• Низкий коэффициент трения
• Устойчивость к схватываниюи
износу
© 2005
Wellman Inc.
• Brush
Высокая
обрабатываемость
Почему ToughMet® бывает
разным?
микроструктура –
это смесь альфа (fcc)
и гамма-фазы (DO3)
1400
1200
1000
Temperature °C
•
Cu-Ni-Sn at 15% Ni
ToughMet
a
800
g
600
a+g
400
200
0
0
5
10
15
20
Wt % Sn
© 2005 Brush Wellman Inc.
25
30
35
40
ToughMet® 3 AT
© 2005 Brush Wellman Inc.
TEM Микрофотография спиноидальной
структуры
300.000 x
© 2005 Brush Wellman Inc.
Механические свойства
Alloy
UTS (ksi)
YS (ksi)
Elong (%)
Hardness
ToughMet 3
105 – 140
90 – 130
15 - 4
HRC 27 – 36
65 – 85
45 – 60
37 – 19
HRB 65 – 90
30 - 35
14 - 20
20 – 10
< HRB 65
100 - 118
50 - 75
20 - 15
HRB 96 - 98
90
36
14
HRB 87
130
120
10
HRC 30
75
30
40
HRB 95
CuNi15Sn8
C67300
CuZnMn3SiPb
C93200
CuSn6Pb6Zn
C63000
CuAl10Ni5MnFe
C95400
CuAl10Fe4Mn
Ti-6Al-4V
Grade V
S31600
X5CrNiMo17-12-2
© 2005 Brush Wellman Inc.
Коэффициент трения как у
свинцовистой бронзы
высокий P, низкий V
© 2005 Brush Wellman Inc.
Самый высокий модуль ударной
вязкости среди металлов с низким
трением
Модуль ударной вязкости это энергия в
обьеме едениц может быть абсорбирована
материалом без постоянной деформации.
UR = ½ (sy2/E)
Material
Yield
Strength
(ksi)
Young's
Modulus
(106 psi)
Modulus
of Resilience
Spring steel
Rubber
ToughMet 3 CX105
CuAl10Ni5FeMn
8620 steel
5052 aluminum
C93200 Pb Sn bronze
140
0,3
105
70
91
26
18
30
0,00015
19
17
30
10
15
327
300
298
144
138
33
11
Resilience = Elastizität
© 2005 Brush Wellman Inc.
Малое трение при высокой
скорости
v
p
PV Limit Comparisons
• предел PV самый
высокий, чем в
свойствах
подшипников из
стали.
•ToughMet имеет более
высокийпредел PV
чем подшибники из
бронзы.
•ToughMet в случае
отсутствия смазки в
сухом виде располагает
фактором безопасности.
Material
Max .PV
(Lubricated)
(psi-sfpm)
ToughMet ® 3
Manganese Bronze
Aluminum Bronze
Cast C93200
SAE 841 Bronze PM
SAE 863 Fe PM
60 Cu 40 Fe PM
SAE 850 Fe
High Tin Babbitt (89%)
Low Tin Babbitt (10%)
ToughMet ® 3 Unlubricated
Graphite/Metallized Brgs
Carbon
Low Tin Low Pb (6%) Babbitt
275,000
150,000
125,000
75,000
50,000
35,000
35,000
30,000
30,000
18,000
17,000
15,000
15,000
12,000
Comparison data from Bunting Bearing Corp.
© 2005 Brush Wellman Inc.
Износостойкость подобно стали
EH5000: high P, low V
© 2005 Brush Wellman Inc.
0,050
0,040
0,030
Hardened Steel
Aluminum Bronze
ToughMet 3
0,020
• Сталь треться по
стали метал
изнашивается.
0,010
0
12
0
14
0
16
0
18
0
20
0
10
80
60
40
20
0,000
0
Clearance Increase Due to Wear (inch)
ToughMet® служит дольше чем сталь и
алюминиевая бронза при испытании маятниковых
подшипников в больших горнодобывающих
грузовиках
Колеблющее движение более 45 deg.
Теоретически напряжение подшибников 2000 psi.
(в действительности выше.)
Cycles (000’s)
© 2005 Brush Wellman Inc.
• Al Bronze изнашивается HRC60 pin.
• ToughMet работают в
2 раза дольше чем
бронза .
Износостойкость подобно стали
подшипники дизельных и гоночных моторов
• Подшипники
пальца
крейцкопфа
• Шатунные или
кривопошипны
е подшипники
• Направляющие
и седла
клапана
• Упорные
шайбы
© 2005 Brush Wellman Inc.
Сравнение материала подшипников пальца
крейцкопфа.
Connecting Rod Bearing Material Comparison.
Материал
коленчатого
вала TUD литая сталь с
Crankshaft Material TUD Cast Steel with surface roughness 0.494 um.
шероховатостью поверхности 0.5   .
250
10
200
150
Crankshaft Weight Loss (mg)
200
100
Bearing Weight Loss (mg)
50
Major Automotive OEM
© 2005 Brush Wellman Inc.
0
6,2
1,2
подобно медно-бериллиевому
сплаву
Joy
continuous
miners
• Не схватываются: динамические втулки на 16
позициях с высоким напряжением во всех горных
комбайнах для поточной работы.
• Сопротивление коррозии: все горные комбайны для
добычи соли и поташа указаны
со 100% втулками из
© 2005 Brush Wellman Inc.
ToughMet®
ToughMet® не схватывается
• Схватываемость = сварка двух поверхностей
в контакте под высоким давлением. Может
иметь результатом налипание или удаление
металла. Особенно плохо при холодных
пусках.
• ToughMet не схватывается со сталью,
титаном и сам с собою при нагрузках до 75%
предела теучести.
• При испытании пальца или диска
повреждение было в форме царапин, не
налипания.
© 2005 Brush Wellman Inc.
Шкворень из наулероженной стали для гусениц гусеничного
трактора
Нарушение смазки в верхней части пальца
Левая сторона после 500 часов
работы машины с втулкой из
ToughMet® 3 CX105.
Правая сторона после 500 часов
работы машины с втулкой из
закаленной стали (HRC 50).
Pin hardness = HRC60.
© 2005 Brush Wellman Inc.
More Up-time
Мнение инженера по ремонту и техническому
обслуживанию крупнейшего угольного
производителя:
«На наших бурильных машинах фирмы
Joy, работающих 20 часов в день,
нам нужно смазывать стальные
втулки ежедневно. Втулки из
материала ToughMet® нужно
смазывать только один раз в
неделю.»
© 2005 Brush Wellman Inc.
Теплопроводность и
смазываемость
Theoretical Calculation
Assuming Boundary Lubrication Conditions
• При использовании ToughMet для втулочных
подшипников можно:
– Уменьшить подъем температуры установки….
• на 90% по сравнению со сталью в конструкции из
стали…
• на 40% по сравнению со сталью в конструкции из NiAl
bronze
• by 25% по сравнению со сталью в конструкции из
CuBe Alloy 25.
• Почему?
– Более низкий средний коэффициент трения, чем у
стали, NiAl бронза и CuBe Alloy 25.
– Лучшая теплопроводность, чем у стали или NiAl
бронза.
© 2005 Brush Wellman Inc.
Высокое сопротивление коррозии в
отличие от стали или бронзы
• ToughMet® не корродируется быстро в:
– Морской воде
– хлоридах
– Сульфидах и бромидах (в отличие от стали или
бронзы!)
• ToughMet® не показывает коррозионного
растрескивания под напряжением в:
– Морской воде (в отличие от стали или
Инконеля)
– Хлоридах (в отличие от стали)
– Сульфидах
© 2005 Brush Wellman Inc.
Воздействие в руднике
одинаковое время в одинаковых
соединениях
1045 Carbon Steel Pin
8620 закаленная стационарная втулка
ToughMet® 3 CX105
динамичная втулка
© 2005 Brush Wellman Inc.
Испытание упорной шайбы
Сопротивление коррозии и
износу
• Washer materials running against case hardened
steel
• Lithium grease lubrication
• "Low lube" simulates some decomposition of grease
• P = 1,000 psi, V= 400 sfpm (surface feet/minute)
• ToughMet samples were visibly less oxidized
Alloy
C93200 Pb Sn bronze
C93700 Pb Sn bronze
ToughMet 3 AT90
ToughMet 3 CX105
Wear Rate (mg/hr)
Normal lube
Low lube
1.6
4.2
1.1
1.2
1.0
0.9
0.1
0.3
© 2005 Brush Wellman Inc.
Окисление упорной шайбы в испытание
на износ при малой смазке
C93200 Pb Sn bronze
ToughMet® 3 CX105
Oxides = brittle thermal
barriers.
Less oxidation = less wear
© 2005 Brush Wellman Inc.
NACE условия испытания на
коррозию
MR0175 Solutions
Level I
RT, Deaerated 5% NaCl – 0.5% Acetic Acid, H2 S
Saturated, pH 2.8
Level IV
90 oC, Deareated 15% NaCl, 0.431psi H2 S, 101psi CO2
Level V
150 oC, Deareated 15% NaCl, 101psi H2 S, 203psi CO2,
Procedures and specimens in accordance with NACE TM0177
All tests conducted at 90% of 0.2% YS
Test Time – 720 hours
© 2005 Brush Wellman Inc.
Степень коррозии сплава
ToughMet в среде NACE
NACE Level I
< 0.001" per yr.
NACE Level IV
~ 0.001" per yr.
NACE Level V
~ 0.003" per yr.
У всех других медных сплавов
происходит моментальное
уменшение веса в этих средах
© 2005 Brush Wellman Inc.
Износ
• Износ зависит от системы (а не только от
одного материала)
• Механизмы износа
– Адгезивный износ (схватывание+заедание от
касательного напряжения)
– Абразивный износ (образование царапин от
разной твердости)
– Шероховатость поверхности (трещины и
рванины, вызванные ростом усталости,
частицы удаляются механически)
– Трибохимические реакции (вид хрупких
окислов, удаляются автоматически)
© 2005 Brush Wellman Inc.
ToughMet® является лучшим материалом
для подшипников в любом сложном
профиле, где …
•
•
•
•
•
•
Палец или сопрягающая деталь из стали
Твердость пальца > HRC 40
Давление на подшипник > 2,000 psi
Нагрузка неперпендикулярна к оси втулки
Реверсивное движение
Повторное смазываение производить трудно
или невозможно
• Возможно загрязнение или коррозия
Пример: футеровочные плиты
© 2005 Brush Wellman Inc.
Сертификации и
спецификации
• UNS обозначения
– C96900 = ToughMet® 3 CX; C72900 = ToughMet® 3 AT
– C96970 = ToughMet® 2 CX; C72700 = ToughMet® 2 AT
• ASTM
– B505 (ToughMet® 3 CX105, CX90)
– B505 (ToughMet® 2 CX90)
– ToughMet® 3 AT90 & AT110 в применении
• AMS 4596 (ToughMet® 3 AT110)
• NACE MRO 175 (ToughMet® 3 AT110
• ISO 9001: 2000 (заводы г. Лорен и Элмор)
© 2005 Brush Wellman Inc.
ToughMet® Номенклатура
• Сплавы
– ToughMet® 3 = Cu, 15% Ni, 8% Sn (главным
образом пруток, труба и профили)
– ToughMet® 2 = Cu, 9% Ni, 6% Sn (главным
образом лист, small Ø пруток)
• Марки листа
– CX = литой и спиноидально закаленный
– AT = деформируемый и спиноидально
закаленный
– TS = холоднотянутый и спиноидально
закаленный
– Номер после отпуска стали = минимальный
предел текучести 1000 фунт/дюйм кв.
Пример: ToughMet® 3 CX105
© 2005 Brush Wellman Inc.
ToughMet® способности
Обзор
• Димаметр прутка
– T3: CX до 5", AT до 9"
– T2 CX до 12"
• Трубы
– T3 AT до 6.5" наружный диаметр (ограничения для
стенки)
– T3 AT катаные трубы от 17" – 60" наружный
диаметр
– T3 CX до 17" наружный диаметр (см изображение)
• Лист
– T2 CX до 12" толщина x 20" ширина
– T3 CX до 4" толщина x 20" ширина
– 3" толщина x 32" возможна ширина
© 2005 Brush Wellman Inc.