ملاحظات در انتخاب آلیاژ بابیت یاتاقان

What's the Babbitt?

Babbitt, also called Babbitt metal or bearing metal, is any of several alloys used for the bearing surface in a plain bearing. The original Babbitt alloy was invented in 1839 by Isaac Babbitt in Taunton, Massachusetts, United States. He disclosed one of his alloy recipes but kept others as trade secrets.

بابیت چیست؟

 بابیت که به عنوان بابیت فلزی و یا فلز حامل نیز شناخته شده است  یکی از چندین آلیاژی است که برای سطح بلبرینگ استفاده می شود. آلیاژ بابیت اصلی در سال 1839 توسط ایساک بابیت در ماساچوست، ایالات متحده اختراع شد. او یکی از دستورالعمل های آلیاژ خود را افشا کرد اما سایر دستورالعمل هایش را به عنوان اسرار تجاری نگه داشت.

Properties of the Alloys:

Tin base babbitts commonly contain copper and antimony following the pattern, though not necessarily the proportions, of Isaac Babbitt’s original alloy. They have good hardness which gives them excellent load-carrying characteristics. They show low friction resistance, low wear, good run-in properties and good emergency behavior in the absence of adequate lubrication. Resist corrosion, are easily cast and bonded and retain good mechanical properties at elevated temperatures.

خواص آلیاژهای بابیت

بابیت پایه قلع معمولا شامل مس و آنتیموان است که ترکیب آن ، هر چند نه لزوما نسبت دقیق آن، مشابه آلیاژ اصلی اسحاق بابیت است.

Conventional lead base babbitts contain antimony and tin, which greatly increase the strength and hardness of lead. Properties of the lead-base alloys improve with the addition of antimony up to a maximum of 18% above which the alloy becomes excessively brittle. The addition of tin to the lead and antimony improves mechanical and casting properties.

At 10% tin, room-temperature strength and hardness reach a maximum.

The lead-antimony-tin alloys are not the equal of tin-base alloys but are fully adequate for lower loads and moderate temperatures. Though alloys with lower tin content are easier to handle in the kettle, they are more difficult to bond. The very good frictional properties, reasonably good corrosion resistance and low cost of the lead-antimony-tin alloys makes them ideal for a wide range of applications.

The lead-antimony-arsenic alloys are the equal of tin-base alloys in their ability to retain hardness and strength at elevated temperatures. In this respect they are superior to conventional lead-base alloys

Bearing Operating Conditions:

The method or efficiency of lubrication is one of the factors affecting the choice of an alloy.

Under poor lubricating conditions, an alloy of good conformity and run-in behavior is required.

Temperature, rotating speed, pressure per unit area and even the procedure for fabricating the bearing have an influence on alloy selection;

شرایط تحمل بار:

روش یا کارایی روانکاری یکی از عوامل موثر بر انتخاب آلیاژ است. در شرایط روانکاری ضعیف، وجود آلیاژی  سازگار که دارای رفتاری کاربری مناسب ضروری است. دما، سرعت چرخش، فشار در واحد سطح و حتی روش برای ساخت بلبرینگ بر روی انتخاب آلیاژ تاثیر می گذارد.

The design of the bearing and its bonding are also significant. For example, a thick lining, mechanically anchored, requires a babbitt of good ductility at room temperature that will seat itself in the anchors under load.

 طراحی بلبرینگ و اتصال آن نیز حایز اهمیت است. به عنوان مثال، یک پوشش ضخیم، که به لحاظ مکانیکی محکم شده است، نیاز به یک بابیت خوب هادی در دمای اتاق است که تحت بار لنگر گیری خوبی از خود نشان دهد.

The tin-base alloys, which have good plasticity at room temperature, adjust well to these conditions under moderate to severe loads. For bearings which are difficult to seal and align, and where line contact occurs in the early moments of operation before full lubrication is established,

آلیاژهای پایه قلع، که در دمای اتاق انعطاف پذیری خوبی دارند، به خوبی تحت شرایط تحت بارهای متوسط ​​تا شدید سازگاری خوبی از خود نشان میدهند. برای یاتاقانهایی که برای مهر و موم کردن و هماهنگی دشوار است و جایی که تماس خط در لحظات اولیه عملیات قبل از پر شدن رخ می دهد روانکاری تاسیس شده است.

،he conventional lead-base alloys have the required ductility and conformability. Their use is limited, however, to moderate speeds and loads. Where thin linings and precision castings are used, certain lead base alloys containing only a nominal 1% tin should be considered;

in properly designed and properly cast bearings they perform as well as tin-base babbitts and are much less expensive. They have excellent fatigue resistance, which is important to bearings of this type. Naturally, they do not have the ductility of lead-base antimony-tin bearings but this is a minor factor with thin liners.

Proper type selection of Babbitt:

In selecting the proper type of Babbitt for a particular job there are a number of factors to take into consideration, the most important of which are as follows:

1. Surface speed of the SHAFT

2. Load bearing is required to carry

Secondly, but no less important, the following points must also be taken into account:

A. Continuity of service 

B. Bonding possibilities

C. Cooling facilities

D. Lubrication

 E. Cleanliness

F. Attention given to the bearings in question

انتخاب نوع مناسب بابیت: در انتخاب نوع مناسب بابیت برای یک هدف خاص تعدادی از عوامل را باید در نظر گرفت. مهمترین این عوامل  به شرح زیر است:

1.      سرعت سطح شفت

2.      توان تحمل بار لازم

ثانیا، اما نه کم اهمیت، باید نکات زیر نیز مورد توجه قرار گیرد

A. کارکرد مستمر

B. توان اتصال

C. تجهیزات خنک کننده

D. روانکاری

E. پاکیزگی

 F. توجه به بلبرینگ مورد نظر

There is no doubt that if a bearing be highly loaded in relation to its size, a high tin alloy is desirable; whereas for much  slower speed work and less heavily loaded bearings, a lead-base one may be employed, and is far more economical.

A .Surface speed of the shaft: (The number of feet traveled per minute by the shaft circumferentially.)  

بی شک  اگر بار زیادی نسبت به ابعاد تحمیل شده باشد، یک آلیاژ قلع بالا مطلوب است در حالی که برای سرعتهای کمتر و باربری کمتر، یک آلیاژبرپایه سرب بهتر و مقرون به صرفه تر خواهد بود.

سرعت سطح شفت: (تعداد فوت در دقیقه توسط محور به دور از دور حرکت می کند .

2. Load Bearing is required to carry: (The weight which is being exerted through the combined weights of the shaft and any other direct weights on the shaft and measured in pounds per square inch.)  

The effect of elemental percentage on alloy properties:

 By increasing the copper content in babbitts, the hardness can be increased to 27 HV. The sliding layer thus has a higher load capacity. However, copper cementation already occurs at this copper content. In contrast, with a bath composition of 69.73% lead, 26.9% tin, 2.36% copper and 1.01% antimony a composition of the electro-facing layer of 90.14% Lead, 4.24% tin, 3.69% copper and 1.93% antimony and a hardness of 41 HV. 

تاثیر عناصر مختلف روی ویژگی های آلیاژ:

با افزایش محتوای مس در بابیت، سختی را می توان به 27 HV ​​افزایش داد بنابراین لایه کششی دارای ظرفیت بار بیشتری خواهد بود. با این حال، با وجود این درصد بالای مس سیمان سازی مس رخ می دهد.

در مقابل، با تغییر ترکیبات حمام از 69.73٪ سرب، 26.9٪ قلع، 2.36٪ مس و 1.01٪ آنتیمس ، به  ترکیب لایه الکترونی به 90.14٪ سرب، 4.24٪ قلع، 3.69٪ مس و 1.93٪ آنتیموان می توان به سختی  41 HV  دست یافت.

This increase in hardness is due to the favorable influence of the deposition of copper and tin (copper is present at a higher concentration than in the bath, tin deposited in a lower concentration) caused by the antimony, which in the sliding layer due to its affinity to the other components, the hardness and fatigue strength the sliding layer influenced. At the same time occurs at this low copper levels in the bath no copper cementation. 

این افزایش سختی ناشی از نفوذ مطلوب رسوب مس و قلع است (مس در غلظت بالاتری نسبت به حمام وجود دارد، و قلع در یک غلظت پایین ذخیره می شود) که ناشی از آنتیموان است که در لایه کششی به علت وابستگی اش به اجزای دیگر، سختی و مقاومت خستگی، لایه کشویی را تحت تاثیر قرار داده است.  در همان زمان در این سطح پایین مس در حمام سیمان سازی مس رخ نخواهد داد.

Equilibrium behavior of Sn,Sb and Cu by phase diagram :

In below you can see the phase diagram of Sn, Sb and Cu.

The isothermal section of the Sn–Sb–Cu ternary system at 260 °C has been determined in this study by experimental examination. Experimental results show no existence of ternary compounds in the Sn–Sb–Cu system. An extensive region of mutual solubility existing between the two binary iso- morphous phases, Cu3Sn and Cu4Sb, was determined and labeled as δ.

Intermetallic compounds (IMCs) Cu2Sb, SbSn, and Cu6Sn5 are in equilibrium with the δ solid solution. Up to about 6.5 at.%Sb can dissolve in the Cu6Sn5 phase, and the solubility of Sn in the Cu2Sb is approximately 6.2 at.%. Each of the Sb and SbSn phases has a limited solubility of Cu. Only one stoichiometric compound, Sb2Sn3, exists. Besides phase equilibria determination, the interfacial reactions between the Sn–Sb alloys and Cu substrates were investigated at 260 °C. Sb was observed to be present in the Cu6Sn5 and δ phases, and Sb did not form Sn–Sb IMCs in the interfacial reactions.

 Moreover, the addition of up to 7 wt% of Sb into Sn does not significantly affect the total thickness of IMC layers. It was found that the phase formations in the Sn–Sb/Cu couples are very similar to those in the Sn/Cu couples

تحلیل رفتار تعادلی سه فلز آنتیموان-قلع و مس توسط دیاگرام فازی سه جزیی

در شکل زیر دیاگرام فازی سه جزیی قلع، آنتیموان و مس نشان داده شده است.

در این بخش  با استفاده از آزمایش تجربی، رفتار سیستم سه بعدی Sn-Sb-Cu در دمای 260 درجه سانتیگراد تعیین شده است.

ترکیبات Cu₂Sb، SbSn و Cu₆Sn₅ در تعادل با محلول جامد δ تا حدود  در.٪ Sb 6.5در فاز Cu6Sn5 حل می شود و محلول بودن Sn در Cu2Sb تقریبا 6.2 در٪ هر یک از فازهای Sb و SbSn دارای حلالیت محدود Cu است

علاوه بر تعیین تعادل فاز، واکنشهای بین فاز بین آلیاژهای Sn-Sb و Cu در دمای 260 درجه سانتیگراد بررسی شد. مشاهده شد که Sb در فازهای Cu6Sn5 و δ وجود دارد و Sb IMCs Sn-Sb را در واکنش های بین فازی ایجاد نمی کند

افزون بر این، اضافه کردن تا 7 درصد وزنی Sb به Sn به طور قابل توجهی بر ضخامت کل لایه های IMC تاثیر نمی گذارد. نتیجه این که  تشکیل فاز در زوج Sn-Sb / Cu بسیار شبیه به زوج Sn / Cu است

Babbitt plating

high-tin Babbitt used extensively in the manufacture of heavily-loaded friction pairs, in particular, slide bearings of steam turbines [1]. The formation of an antifriction layer from the given alloy is conventionally affected by the method of stationary and centrifugal casting.

A babbitt layer obtained by casting is often characterized by instability of its chemical composition, a high degree of liquation, and lamination of the alloy in the process of crystallization. Higher properties of the babbitt antifriction layer are achieved by depositing it on the base during repair of a slide bearing by gas-flame or plasma deposition. However, gas-flame deposition does not enable avoidance of the formation of porosity in the bulk of the babbitt layer.

A promising approach for obtaining an effective antifriction layer on the surface of bushes of slide bearings is  electrodeposition of a ternary alloy close in composition to high-tin babbitt. Electrodeposition has several advantages in comparison with other methods, one of which is the fact that using it does not destroy the structure and properties of the substrates. Another important advantage of the method is the possibility of obtaining a fine-grained structure and controlling the process of structure formation.

شکل گیری یک لایه ضد سایشی از آلیاژ داده شده به طور معمول توسط روش ریخته گری ثابت و گریز از مرکز تحت تاثیر قرار می گیرد

یک لایه بابیت به دست آمده توسط ریخته گری اغلب توسط ناپایداری ترکیب شیمیایی آن، درجه ی بالای گداختگی، و ورقه شدن  آلیاژ ها در فرایند کریستالیزاسیون شناسایی می شود.

خصوصیات لایه ضد سایش بابیت با قرار دادن آن بر روی پایه در حین تعمیر یک سیلندر توسط شعله گاز یا رسوب پلاسما به دست می آید.

References:

1.     Lubricants 2015, 3, 91-112; doi:10.3390/lubricants3020091

2.     Russian Engineering Research, 2016, Vol. 36, No. 1, pp. 46 52. © Allerton Press, Inc., 2016.

3.     Materials 2017, 10, 1128; doi:10.3390/ma10101128

تهیه شده در واحد پژوهش و گسترش جلاپردازان پرشیا

Prepared by research and development unit of Jalapardazan Persia

اسفند 96