Rolamentos deslizantes de alumínio e bronze: guia de propriedades, design e seleção

Uma siderúrgica contatou a Jiashan Tocree Machinery sobre um rolamento que falhava continuamente em um braço de transferência de tarugos. A bucha original era de bronze-estanho com chumbo, untada uma vez na montagem e depois deixada exposta à carepa de laminação, água de resfriamento e calor. Desgastou-se além da folga utilizável em cerca de seis semanas. A substituição foi uma bucha de bronze de alumínio fundido com uma ranhura de graxa redesenhada, e a primeira inspeção após seis meses mostrou apenas um desgaste leve e uniforme. Esse resultado não é sorte; é o que acontece quando a liga do rolamento é escolhida em função da função real e não de um catálogo.

Os rolamentos deslizantes de bronze e alumínio são a especificação correta quando um rolamento liso deve suportar cargas pesadas, absorver choques ou oscilações contínuas, tolerar poeira e água e sobreviver com lubrificação limitada. Eles são mais fortes do que a maioria das outras ligas de cobre, resistem à água do mar e à corrosão industrial e funcionam em aço endurecido sem escoriações. A compensação é o custo: o bronze de alumínio é mais caro do que o bronze padrão com chumbo ou estanho. Os engenheiros devem, portanto, usá-lo onde as condições justificarem o prêmio e então projetar o rolamento corretamente assim que o material for selecionado.

O que torna o bronze de alumínio um material forte para rolamentos deslizantes

O bronze de alumínio é uma família de ligas de cobre em que o alumínio é o principal elemento de liga, geralmente entre 8% e 14%, com adição de ferro, níquel ou manganês para refinar a estrutura. As classes comuns de rolamentos deslizantes incluem CuAl9Fe4 e CuAl10Fe5Ni4. Os componentes são fundidos primeiro e depois usinados em buchas, arruelas de encosto, placas deslizantes, coxins de desgaste e outras formas de rolamento.

Quatro propriedades explicam seu desempenho em rolamentos deslizantes:

• Alta resistência. Os bronzes de alumínio fundido geralmente atingem resistência à tração de 450–700MPa, próxima ao aço de médio carbono. Um rolamento pode suportar maior pressão superficial antes que o material ceda, o que prolonga diretamente a vida útil em juntas fortemente carregadas.
• Resistência ao desgaste. Durante o deslizamento, a superfície endurece ligeiramente e uma película de óxido de alumínio se forma na área friccionada. Esse filme evita a soldagem metal com metal, a principal causa de escoriações e gripagem entre ligas de cobre e aço.
• Resistência à corrosão. A mesma camada de óxido protege a liga na água do mar, em atmosferas industriais e em muitos ambientes de processo, de modo que o rolamento não depende de uma película de graxa para permanecer resistente à corrosão.
• Tolerância ao impacto. O bronze de alumínio absorve choques e pequenas quantidades de desalinhamento sem rachar, o que o torna tolerante em escavadeiras, prensas e equipamentos de transferência.

Para rolamentos deslizantes, a combinação de capacidade de carga e resistência ao desgaste é o que separa o bronze de alumínio do resto da família de ligas de cobre.

Bronze de alumínio versus bronze de estanho: como escolher

Comece com a conclusão. Escolha bronze de alumínio quando a carga for pesada, o ambiente for corrosivo ou sujo ou a lubrificação for incerta. Escolha bronze de estanho quando o rolamento estiver levemente carregado, continuamente lubrificado com óleo e protegido contra contaminação.

O bronze de estanho é mais macio e deforma-se mais facilmente, o que o ajuda a se adaptar ao desalinhamento do eixo e a incorporar pequenas partículas abrasivas em um sistema de óleo limpo. O bronze de alumínio mantém sua forma e resiste ao desgaste abrasivo, o que é importante quando a película de óleo é fina, o rolamento está exposto a incrustações ou poeira ou a carga é alta o suficiente para extrair o lubrificante. Para rolamentos de movimento lento e muito carregados, o bronze de alumínio é a escolha mais segura.

Para uma comparação mais detalhada de famílias de ligas e limites práticos, consulte nosso guia completo para buchas e rolamentos de bronze de alumínio .

Folga, dureza de acoplamento e projeto de lubrificação

A seleção de materiais é apenas metade do trabalho de engenharia. Um rolamento deslizante de alumínio e bronze ainda depende da correção de três números: folga de funcionamento, dureza da superfície de contato e geometria de lubrificação.

O bronze de alumínio funciona melhor contra uma superfície de aço tratada termicamente na faixa de 40–55 HRC, com acabamento de aproximadamente 0,4–0,8 µm Ra. Um eixo macio se desgastará mais rápido que o rolamento, e substituir um eixo longo é muito mais caro do que substituir uma bucha. Se a peça correspondente não puder ser temperada, espere uma vida útil mais curta e planeje um intervalo de inspeção de desgaste de acordo.

A folga de funcionamento para uma bucha de bronze de alumínio é geralmente definida um pouco maior do que para um bronze de estanho mais macio, porque a liga mais dura é menos tolerante à expansão térmica e à distorção de ajuste por pressão. Como ponto de partida para um eixo de aço retificado, use aproximadamente 0,1% do diâmetro do eixo para rotação contínua e, em seguida, adicione uma margem para temperatura operacional e cargas cíclicas. Um ajuste muito apertado é uma causa de falha muito mais comum do que uma folga um pouco generosa demais.

As ranhuras de óleo distribuem o lubrificante uniformemente pela zona carregada. As ranhuras axiais retas são adequadas para movimentos oscilantes, as ranhuras circunferenciais são adequadas para rotação contínua e os padrões cruzados ou espirais são adequados para cargas reversas. As bordas das ranhuras devem ser lisas e rebarbadas; uma borda afiada raspa a película lubrificante e retém os resíduos de desgaste. Quando a direção da carga não é constante, a solução mais simples e confiável geralmente é uma bucha com uma ranhura de lubrificação usinada, em vez de uma ranhura cortada no local, porque a geometria do corte manual varia em largura e profundidade.

Bucha cilíndrica de bronze de alumínio com ranhura de graxa usinada Esta luva reta combina bronze de alumínio ZCuAl10Fe3 com uma ranhura de graxa usinada com precisão, oferecendo alta resistência, condutividade térmica e resistência ao impacto para aplicações de carga pesada, oscilantes ou reversas. Ver Produto →

Um cálculo rápido de triagem é o valor PV: pressão multiplicada pela velocidade de deslizamento. O bronze de alumínio tolera alta pressão em baixa velocidade, mas a pressão permitida cai rapidamente à medida que a velocidade de deslizamento aumenta. Um rolamento oscilante movendo-se apenas alguns graus por curso pode funcionar com uma pressão superficial muito mais alta do que um munhão em rotação contínua. Use os limites de PV fornecidos pelo fabricante para o grau específico em vez de tabelas impressas genéricas e confirme-os com um teste de bancada se a aplicação for crítica.

Onde os rolamentos deslizantes de alumínio e bronze comprovam seu valor

Observe as condições reais de operação e as aplicações seguem diretamente:

• Máquinas metalúrgicas. Mesas rolantes, tesouras, braços de transferência e guias de rodízios ficam quentes, empoeirados e muitas vezes lavados com água. Nosso visão geral das aplicações de máquinas metalúrgicas lista peças típicas e condições de trabalho.
• Máquinas marítimas. A corrosão da água do mar, além de cargas pesadas no leme, no estabilizador, no guincho e nas engrenagens do convés, tornam o bronze-alumínio um material padrão para rolamentos imersos e em zonas de respingos.
• Equipamentos pesados ​​para construção e mineração. Os pontos de articulação em escavadeiras, britadores e transportadores enfrentam cargas de choque e poeira abrasiva que desgastam rapidamente ligas mais macias.
• Máquinas de fundição sob pressão. O calor, a força de fixação e o acesso limitado à lubrificação levam os mancais de deslizamento ao seu limite; o bronze de alumínio retém melhor a resistência em temperaturas elevadas do que o bronze de estanho.
• Equipamento de petróleo. Bombas, válvulas e componentes da plataforma geralmente operam longe das equipes de manutenção e com lubrificantes contaminados, portanto o rolamento deve tolerar longos intervalos entre os eventos de serviço.

As aplicações deslizantes planas usam o mesmo material de bronze-alumínio na forma de almofadas de rolamento e placas deslizantes, em vez de buchas redondas. Quando o projeto exige geometria plana, como guias, pastilhas de suporte ou faces de encosto, uma pastilha de cobre usinada oferece o mesmo desempenho da liga em forma de placa.

Almofada de rolamento de cobre e bronze estanho para superfícies deslizantes planas Uma almofada de rolamento plana de cobre fabricada com precisão em bronze-estanho CuSn12, proporcionando resistência ao desgaste e à corrosão para guias, almofadas de suporte e faces de impulso em equipamentos industriais exigentes. Ver Produto →

A qualidade da fundição e da usinagem decide a vida útil real

Um rolamento de bronze-alumínio feito da liga correta ainda falha precocemente se a peça fundida apresentar encolhimento ou porosidade, ou se a usinagem deixar uma superfície rasgada. Como esse material é escolhido para trabalhos severos, a qualidade de fabricação geralmente determina a diferença entre um rolamento de seis semanas e um rolamento de doze meses.

Um fabricante que produz suas próprias ligas de cobre controla a química desde o início. Jiashan Tocree opera seu próprio forno de fusão e máquinas de fundição centrífuga, produzindo cerca de 2.300 toneladas de liga de cobre por ano. A fundição e a usinagem de precisão sob o mesmo teto eliminam o risco de certificados de materiais incompatíveis, reduzem o tempo de entrega para formas fora do padrão e permitem que a mesma equipe de engenharia seja responsável pela estrutura bruta e pela tolerância final.

A empresa usina buchas com diâmetros de até 1,5 a 2 metros e placas deslizantes de até 4 metros de comprimento, 400 milímetros de largura e 100 milímetros de espessura. Para peças grandes, uma oficina com temperatura controlada e um planejamento cuidadoso do percurso da ferramenta são necessários para manter tolerâncias geométricas que de outra forma seriam impossíveis de garantir.

Mesmo para diâmetros comuns, a disciplina de usinagem é a mesma. Uma bucha de bronze padrão é um bom ponto de partida para avaliar tolerâncias de furo, circularidade e acabamento superficial antes de se comprometer com uma peça totalmente personalizada.

Bucha de bronze de estanho fundida centrifugamente com ranhuras de óleo personalizadas Esta bucha de bronze é produzida por fundição centrífuga com ranhuras de óleo internas e externas opcionais, proporcionando alta resistência à tração, dureza e resistência à corrosão para desempenho durável do rolamento. Ver Produto →

Variantes autolubrificantes para posições inacessíveis

Algumas posições de rolamento simplesmente não podem ser relubrificadas: pinos de articulação vedados, acessórios marítimos submersos, mecanismos de indexação e equipamentos dentro de proteções ou salas limpas. Nesses casos, vale a pena avaliar uma variante sólida autolubrificante com pastilhas de grafite ou PTFE. O material de base e a rota de fundição são os mesmos do bronze de alumínio simples, mas os pellets de lubrificante sólido são pressionados na parede e liberam uma película durante o deslizamento.

Não espere que os limites fotovoltaicos de funcionamento a seco correspondam a um rolamento de bronze de alumínio alimentado com graxa; os números são mais baixos e a escolha deve ser validada em relação ao imposto real. Onde a relubrificação for impossível, a combinação de um revestimento de liga de cobre forte e lubrificante sólido incorporado é uma alternativa prática.

A especificação prática para um rolamento deslizante de alumínio e bronze não é um único número de catálogo. É um caso de carga, uma classe de liga, um plano de lubrificação e um fabricante que pode executar tanto a fundição quanto a usinagem com a tolerância exigida. Use bronze de alumínio onde o bronze de estanho se mostrar muito macio, onde houver presença de água ou corrosão ou onde a relubrificação não for confiável. Projete a ranhura de óleo, endureça a superfície de contato e confirme os números PV com a fundição antes de fazer o pedido. Feito corretamente, o rolamento se torna a última parte da máquina com a qual você precisa se preocupar.