Coixinets de metall antifricció

Habitualment, l'estructura del coixinet està construïda en acer, fosa o bronze, i la part on hi ha fricció per lliscament es recobreix amb el metall antifricció més apropiat per a cada aplicació, d'acord amb el metall base del coixinet. L'element rotatori està separat del coixinet per una pel·lícula d'oli, que el manté surant en ell, impedint el contacte metall-metall. El metall blanc té elevada resistència a la fricció amb l'oli a pressió, i en cas que, degut a una mala manipulació de la màquina, es trenqui la pel·lícula i l'eix 'caigui' sobre el metall antifricció, l'eix no es fa malbé i la capa de metall blanc és fàcil de reparar mitjançant les tècniques que s'expliquen en aquest article.

Podem afirmar que un coixinet d'aquest tipus aporta un entorn sense fricció per suportar i guiar un eix rotatori. Aquesta tècnica de fabricació ens permet treballar amb coixinets sense elements de rodament, i sense els problemes que aquests poden comportar, al mateix temps que ens permet disposar de coixinets per a eixos de diàmetres elevats, sense dependre dels ja esmentats elements de rodament. La maquinària industrial amb elevada potència i elevades càrregues, com turbines de vapor, compressors centrífugs, bombes o grans motors elèctrics utilitzen coixinets antifricció. Amb una bona instal lació i manteniment, els coixinets antifricció poden tenir una vida infinita.

En general, el criteri per a la utilització d'un coixinet antifricció és aconseguir la mínima fricció entre els dos components, combinat amb l'absència de problemes per gripat, per fallada mecànica o per distorsió i / o fatiga. Segons la geometria del sistema, les condicions de càrrega i velocitat, i l'atmosfera de treball de l'equip, haurem escollir el tipus de metall blanc i la lubricació més adequats.

Els aliatges de metall Babbitt

Un aliatge de metall blanc ha d'assegurar una baixa fricció i capacitat per suportar la càrrega sense grip, distorsionar, fallar mecànicament o patir corrosió. Les propietats requerides són les següents:

• L'aliatge de metall antifricció ha de tenir baix punt de fusió i bones propietats de fusió i colada, perquè la seva composició romangui sense modificacions després de variacions de temperatura, i no es rovelli tèrmicament. També ha adherir fàcilment al seu suport de metall, i no ha d'haver una contracció destacable durant el refredament, ni modificar les seves propietats o dimensions per envelliment.

• El metall ha de presentar una estructura de dues fases, que consisteix en partícules dures en una matriu dúctil. Les partícules dures, evidentment, donen duresa a l'aliatge, suportant la càrrega, mentre que la base dúctil aporta bones propietats de conformabilitat. A més, la matriu es desgasta de forma homogènia fins a un nivell lleugerament inferior a la fase més dura, permetent la formació de petits canals d'irrigació per a la lubricació.

• Les variacions de temperatura durant el servei no han de produir desviaments significatius en la duresa del material o en la resistència a la fatiga, ni en qualsevol de les seves altres propietats mecàniques.

• L'aliatge de presentar bona resistència al desgast en les condicions de treball imposades al coixinet. Cal destacar que la resistència al desgast no és una propietat determinada per un sol metall o diversos metalls, sinó pel conjunt de l'aliatge i per altres factors com la temperatura, el tipus de lubricant, la presència d'impureses abrasives en aquest, i la forma geomètrica de la superfície.

• El metall blanc ha de tenir resistència a la corrosió que pugui provocar el lubricant, ja que aquesta faria que la superfície del coixinet adquirís massa rugositat. Si una sola de les fases de l'aliatge és atacada per la corrosió, hi haurà una debilitació de l'estructura, que pot comportar efectes desastrosos. Els agents corrosius més habituals són els productes àcids que poden aparèixer per l'oxidació dels olis empleats, o fins i tot l'aigua marina.

Podem afirmar que un aliatge per coixinets ha de tenir un límit elàstic suficient per evitar una deformació general, però prou baix per permetre deformacions locals, combinat amb propietats de resistència a la fatiga tan elevades com sigui possible.

Els aliatges Babbitt poden ser base estany o base plom. Les primeres dissipen millor la calor, i les segones tenen millor resistència a la corrosió per àcids, solucions amoniacals i altres productes químics, encara que a causa de la seva composició cada vegada són menys utilitzades. A més, ambdues contenen antimoni i coure, que donen duresa a l'aliatge. La resta d'elements d'aliatge pot variar segons el material utilitzat, provocant variacions en les seves propietats, però tots els aliatges antifricció conserven les propietats comuns d'elevada ductilitat, colabilitat i resistència a la corrosió. Les composicions químiques per a aquestes aliatges es regeixen per la norma ASTM B23.

La lubricació d'un coixinet es produeix per la formació d'una capa de lubricant entre la superfície del coixinet i l'eix. La pressió que es desenvolupa en aquesta capa, ha de fer surar l'eix sobre el coixinet. Si el coixinet s'ha fabricat correctament, i si funciona en condicions ideals, la pel·lícula contínua d'oli separa sempre les dues superfícies metàl·liques, evitant el contacte.

Quan el coixinet no treballa en les condicions òptimes, la pel lícula d'oli lubricant es trenca localment o completament, i dóna com a resultat zones de fricció metall-metall, afectant a les superfícies dels dos components en contacte i provocant gripatge. Si les condicions de càrrega, velocitat i lubricació són normals, la decisió de la pel lícula pot venir per un reglatge incorrecte de l'alineació, que indueix a pressions excessives en determinats punts, o per la presència de partícules abrasives en l'agent lubricant.

Tot i que el conjunt es mantingui ben alineat, i amb la lubricació correcta amb un oli net d'impureses, en qualsevol arrencada o aturada de l'equip la pel lícula d'oli es trenca, ja que la velocitat de rotació de l'eix és massa baixa i no pot garantir una pressió hidrodinàmica suficient. La utilització d'una capa de metall blanc com recobriment interior d'un coixinet, atenua l'efecte de les condicions desfavorables: l'efecte d'una mala alineació es redueix per la deformabilitat plàstica del metall, i les impureses poden incrustar-se en la capa.

Si el coixinet treballa en règim hidrodinàmic amb lubricació perfecta, la fricció augmenta lleugerament en augmentar la velocitat de rotació del conjunt, quan el coixinet arrenca o per a, és inevitable trobar-se amb situacions en què hi ha fricció metall-metall o en un estat de funcionament en el qual el règim hidrodinàmic no és l'adequat. No obstant això, aquesta fricció es pot reduir al mínim gràcies a la baixa duresa dels aliatges emprades, ja que l'avaria es limita a la superfície més tova. A més, aquests aliatges tenen baix punt de fusió, així que podem evitar la combustió del lubricant en zones de forta pressió instantània, en què la temperatura pot pujar sobtadament i provocar fusions de material blanc localitzades. Per l'alta conductivitat tèrmica, dissipen les altes temperatures i permeten que el lubricant conservi la seva viscositat.

En resum, la conformabilitat dels aliatges Babbitt permet a la càrrega repartir de manera uniforme en tota la superfície del coixinet, i així establir amb més rapidesa el règim hidrodinàmic necessari, ja que tenen capacitat per adaptar-se amb gran exactitud a la superfície més dura amb la que estan en contacte.

El bon funcionament d'un coixinet antifricció, segons el descrit anteriorment, depèn en gran part de les propietats mecàniques dels aliatges que el formen, i d'un bon funcionament basat en una bona lubricació, però també cal considerar el seu procés de fabricació. El primer objectiu en el moment de decidir el material i de fer el càlcul de dimensions, és el d'aconseguir que el coixinet permeti un establiment fàcil del règim hidrodinàmic, i que per tant funcioni a la temperatura el més baixa possible (segons la viscositat necessària per al lubricant), i on les superfícies enfrontades tinguin un mínim nombre de tensions provocades per la fricció. S'han de tenir en compte els següents factors:

• La relació entre la longitud i el diàmetre.
• El joc de l'eix dins del coixinet.
• Les ranures de greixatge mai han d'estar a prop de les zones de màxima pressió.
• L'estructura exterior del coixinet (el suport del metall blanc), ha de ser l'adequada per a la capa de metall antifricció, evitant la flexió en les càrregues oscil·lants i suportant els possibles esforços laterals a què poden estar sotmesos els coixinets.

Per aquestes raons, el suport ha de ser suficientment rígid i l'adherència del metall blanc ha de ser perfecta. La interconnexió entre els dos metalls ha de suportar també aquests efectes, assegurant el bon funcionament del coixinet i la seva conductivitat tèrmica, evitant així qualsevol avaria, la mala adherència és una de les causes més freqüents de la fallada d'un coixinet, juntament amb les avaries per mala lubricació del conjunt. La qualitat en el mètode d'antifricció (o patentat) és determinant per assegurar un bon funcionament del coixinet, però també la seva geometria i disseny.

Si el suport és més gruixut en determinats llocs, el refredament en aquestes zones serà més lent, i pot donar defectes al llarg de la interconnexió i del metall blanc, com a conseqüència de les diferents velocitats de refredament. Pel que fa al recobriment antifricció, també cal considerar el seu gruix, ja que les propietats poden variar si hi ha diferències considerables en la capa de metall blanc.

Les tècniques de patentat de coixinets són les següents, de major a menor qualitat d'antifricció:

• Centrifugat amb refrigeració controlada.
• Soldadura manual.
• Projecció tèrmica.
• Colada estàtica.

Segons la geometria del suport del coixinet, es considerarà quina és la tècnica més adequada. Per exemple, en casos en què el suport no té una forma adequada per poder instal·lar-se a la màquina centrifugadora (per exemple en coixinets axials), el coixinet es fabricarà per soldadura manual, mentre que per coixinets amb un suport molt prim, on no es podrà escalfar excessivament el material per evitar deformacions, l'ús de tècniques 'fredes', com és la Projecció Tèrmica, serà aconsellable. Totes les tècniques nomenades asseguren una excel lent qualitat per a la capa, sempre que la seva aplicació sigui efectuada seguint els paràmetres de qualitat adequats.

Les aplicacions actuals en què es requereix l'ús de coixinets antifricció són molt diverses, i s'ha demostrat el bon funcionament de la tecnologia implicada i de les tècniques de fabricació d'aquest tipus de components. La funcionalitat dels coixinets antifricció és amplíssima, existint nombroses aplicacions, materials i geometries. Els coixinets de metall Babbitt són adequats per a càrregues grans amb velocitats petites, per a càrregues petites a grans velocitats, per diàmetres d'eix elevats però de longitud petita i viceversa, per a diferents gruixos de paret i diferents requeriments mecànics, i tot amb una gran varietat de materials per aplicar segons sigui convenient en cada cas.

Tot i que la fabricació de coixinets antifricció és una tècnica antiga, poques empreses han desenvolupat mètodes actuals per obtenir aquest producte. El procés exigeix ser rigorós i estricte per escollir els materials més adequats, els processos de fabricació idonis i la tècnica, entenent per endavant els conceptes utilitzats i les necessitats del client usuari del coixinet. A més, cal una investigació constant, que permeti estar a l'avantguarda tecnològica, i així oferir el millor servei, ja que cada vegada les aplicacions dels coixinets antifricció exigeixen més solicitacions i major compromís tècnic i de rendiment.