粉末冶金自潤滑軸承材料標準

 　 軸承是機電工業的一類重要通用基礎件,據我國機電日報2000年1月19日第6版報道,2000年中國滾動軸承的總生產能力為23億套,當中中小尺寸普通級滾動軸承可達21億套。但非常少有人注意到,據初步預估,中國微小型粉末冶金自潤滑軸承,即含油軸承,1999年銷售量已超過20億只,且大部分銷往國外。全世界微小型含油軸承年產量已近百億只。為適應中國粉末冶金含油軸承生產發展需要,特向有關生產廠家跟用戶推薦美國MPIF標準35《粉末冶金自潤滑軸承材料標準》1998年版。這是國內外最新的《粉末冶金自潤滑軸承材料標準》,值得研究跟借鑒。

軸承可定義為一種在當中有別的一種元件(諸如軸頸或桿)旋轉或滑動的機械零件。依據軸承工作時摩擦的型式,它們又分為滾動軸承跟滑動軸承?；瑒虞S承之中自身擁有自潤滑性的軸承叫做含油軸承或自潤滑軸承。用粉末冶金{TodayHot}法制造的金屬基含油軸承通稱為粉末冶金自潤滑軸承或燒結金屬含油軸承。

粉末冶金自潤滑軸承是音像設備、微特小型馬達、辦公機械、電動工具、洗衣機、電風扇、縫紉機、復印機等中不得缺乏的一類軸承。據筆者預估,1999年中國微特小型粉末冶金自潤滑軸承的年產量已達到25億只左右。雖然中國早在1953年就已開始生產粉末冶金自潤滑軸承,也制訂過相應的國家標準[1],諸如GB2685-81《粉末冶金筒形軸承型式、尺寸跟公差》、GB2686-81《粉末冶金帶擋邊筒形軸承型式、尺寸跟公差》、GB2687-81《粉末冶金球形軸承型式、尺寸跟公差》及GB2688-81《滑動軸承粉末冶金軸承技術條件》,可是,這些標準自發表之日起,就從沒有進行過修訂,已不能適應目前科技發展跟生產的需要。

國際標準化組織(ISO)1996年對ISO5755《燒結金屬材料 規范》進行了修訂[2]。但當中關于粉末冶金自潤滑軸承材料的牌號較少,也沒有關于軸承設計跟應用的介紹。

美國金屬粉末工業聯合會(MPIF),自1965年發表《粉末冶金自潤滑軸承》材料標準以來,先后于1974、1976、1986、1990及1998進行了修訂。1998年版[3]比1990年版[4]增加了4個材料牌號,在工程知識角度也增加了一些新內容。

美國金屬粉末工業聯合會(MPIF)1998年修訂的《粉末冶金自潤滑軸承》材料標準[3]是目前關于《粉末冶金自潤滑軸承》最新的一份材料標準。這份標準對于中國粉末冶金自潤滑軸承的生產廠跟用戶都擁有重要的參考價值{HotTag}。特全文說明如下。

1　注釋跟推薦的做法

1.1　最小值概念對于粉末冶金材料,MPIF采納了最小性能值概念。在設計粉末冶金軸承時,可能會采納諸如含油量跟徑向壓潰力這些值?；瘜W組成、密度,跟在一些場合,徑向壓潰力也都列出了最大值。利用不一樣的化學組成、顆粒形狀、密度跟或工藝技術可達到同樣的性能,這是粉末冶金的一大優點。

最小值是由產需雙方肯定的在一個生產批量中所有軸承在統計上都要超過的值。產需雙方應商定取樣方法。

需方應選擇跟詳細介紹對于具體應用最合適的粉末冶金材料跟性能系統。給予的數據規定了列舉的材料的值跟給出了最低性能。利用較復雜的工藝經歷還可改進運用性能。為了選擇一種在性能跟價格上都可行的最佳材料,跟粉末冶金生產廠家討論軸承的用途是很重要的。

利用MPIF標準35擬訂粉末冶金軸承的技術條件,意味著除非產需雙方另有協議外,材料性能至少擁有標準中規定的最小值。

1.2　牌號選擇

在選擇一種特定的材料牌號之前,需要對包括尺寸公差在內的軸承設計跟其最終用途進行細致分析。此外,還應考慮成品軸承的最終性能要求,例如密度、孔隙度、抗壓強度、耐蝕性、耐磨性、含油量、油的種類、表面粗糙度及跟應用相關的任何別的要求。建議在最終選定材料牌號之前,產需雙方間就上述各個角度進行討論。

除了本標準中已標準化的軸承材料之外,還有可使用于特別用途的具有專利的別的材料。(關于設計的建議跟跟正確運用粉末冶金自潤滑軸承有關的別的知識見MPIF出版的粉末冶金設計手冊。)

1.3　名　稱

在前綴字符代號之后的4位數字指的是材料組成。

在有色金屬材料中,4位數字系列的前2位數字表態主要合金化組份的百分含量。4位數字系列的后2位數字表態次要合金化組分的百分含量。代號中雖未包括別的次要元素,但在每一種標準材料的“化學組成”中都已給出。粉末冶金有色金屬材料牌號代號舉例如下:

在鐵基材料中,主要合金化元素(除化合碳外)都包括在前綴字符代號中,代號中雖不包括別的元素,但在每一種標準材料“化學組成”中都已將它們列出。4位數字代號前2位數字表態主要合金化組元的百分含量。K代表徑向壓潰強度,以103psi表態。

在4位數字系列中,最后2位數字表態鐵基材料的化合碳含量。在代號系統中,冶金化合碳的范圍表態如下:

后綴2位數字表態系數K的最小值,K是以103psi表態的。需方可根據粉末冶金材料的化學成分預計K值。字符K表態軸承材料牌號。

1.4　化學組成

每種材料的化學組成都列出了主要元素質量百分含量的最小跟最大值。別的元素包括用差減法求出的所有別的元素。這些元素可能包括為特別目標添加的別的次要元素跟各個組份中含有的常量無關元素。

粉末冶金自潤滑材料的化學組成規范表述的是燒結態材料。諸如精整、切削加工、滾磨或浸油之類后續作業都可能改變化學分析的結果。只要取樣(鉆取切屑)時未受到油或氧化物之類感染,就不會阻礙檢驗燒結態零件的化學組成。在某些場合,不管是為了精整還是為了潤滑含浸的潤滑劑,用Soxh let萃取法(ASTMB328)都能夠部分地除去。

經過精整、滾磨、切削加工或含浸處理的零件都會被含碳材料感染,所以,在定碳之前必須將含碳材料除去。還無法將某些這類感染材料完全除去;所以,也就無法測定出精確的含碳量。鐵中的化合碳含量可用全相預估珠光體的面積百分率來測定:100%珠光體約等于0 8%碳。

1.5　顯微組織可將粉末冶金軸承顯微組織的檢驗作為一種診斷手段,用來揭示燒結程度跟對粉末冶金制造經歷至關重要的別的冶金信息。茲就對大多數燒結材料通用的幾項檢查敘述如下。

在選擇顯微組織分析用粉末冶金零件磨片時,對于鑲樣跟研磨建議采納平行于壓制方向的內平面。應將粗跟精拋光向來不斷到預估所有孔隙都已被顯露出來?？紫兜拿娣e百分率表態零件的密度。例如,80%致密的軸承,其孔隙占有的面積應約為20%。

在制備顯微組織檢驗用的試樣時,像為自潤滑設計的這些低密度材料,必須浸以鑲樣樹脂。這將有助于阻止切削加工或拋光時孔隙發生畸變。燒結軸承往往首先在未腐蝕狀態下進行檢驗。在正常的燒結件中,于200×下將極少或不會看的出原始顆粒界。必須用Soxhlet萃取法除去軸承中含有的油,從而,它不會干擾顯微鏡檢驗。對未腐蝕的內徑表面的檢驗應顯示出表面的孔隙度。

在90 10銅 錫青銅軸承中,組織應為α青銅跟最少量淡紅色富銅區,跟沒有灰色的銅 錫化合物。在鐵 銅軸承中,銅應熔化跟流到周圍的小孔隙中。含銅量為5%到10%時,將能夠看的出銅的熔化區域。含銅量為2%或更少時,一般不會有游離銅存在。軸承組織中顯示的原始顆粒界應最少。“低”青銅的顯微組織兼有鐵跟青銅組織的外觀。

依據制造工藝經歷,鐵 石墨材料的顯微組織中或者含有游離石墨或者含有游離石墨/化合碳的混合物。為了在金相檢驗時能持續住石墨,在粒度為400跟600的SiC砂紙上進行粗磨,然后于中等壓力下,在250r/min的拋光盤上的短絨毛布上,用粒度1μm的金剛石拋光2～6min。

2　定義跟公式

2.1　含浸油低密度粉末冶金零件或軸承中的可控、連通孔隙結構使著其可含浸以潤滑油。從而,就賦予它們以自潤滑性能。當零件摩擦發熱時,油膨脹跟流至軸承表面。在運轉中,當軸旋轉時,油就從軸承中被“抽出”。冷卻時,油又借助毛細作用被吸入金屬的孔隙中。粉末冶金軸承按容積一般可吸收10%～30%的油。含浸油是用真空技術或用在加熱的油中浸泡零件來完成的。(見本文“8”關于這角度的進一步的工程知識)。

2.2　孔隙度孔隙度是軸承中孔隙容積所占的百分率。它是密度的余數。理論密度為85%的軸承,其孔隙度為15%。軸承中的孔隙如同海綿一模一樣,呈伸展到表面的互通孔隙網絡狀。連通孔隙度對于自潤滑軸承的運用性能很重要,是這類材料技術條件中的一項性能?？紫抖鹊挠嬎闳缦?

別的:

(1)所有稱量都要用分析天平精密到0 1%。

(2)蒸餾水中應添加0 1%～0 2%(質量分數)潤濕劑,以將稱量試樣時水的表面張力的影響減小到最小限度。

(3)試樣的質量最少為2g。

(4)用來在水中懸掛試樣的細絲的直徑應為0 12～0 25mm。沉入水中時,試樣或絲上都不可附著有空氣泡。

(5)水的密度根據表2肯定。

2.關于詳細的狀況見MPIF標準42。

2.3　接收狀態軸承的容積含油率含油率(P1)表態接收狀態軸承孔隙中充填的油的容積百分率。容積含油率可計算如下:

別的:

(1)所有稱量都用分析天平精密到0 1%。

(2)蒸餾水中應添加0 1%～0 2%(質量分數)潤濕劑,以將稱量試樣時水的表面張力的影響減小到最低限度。

(3)試樣的質量至少應為2g。

(4)用來在水中懸掛試樣的細絲的直徑應為0 12～0 25mm。當沉入水中時,試樣或絲上都不可附著有空氣泡。

(5)水的密度根據表2肯定。關于更詳細的狀況見MPIF標準42。

2.4　密度

“干密度”是不含油的粉末冶金軸承單位容積的質量。“濕密度”是含浸以油或別的非金屬材料的粉末冶金軸承單位容積的質量。通常,結構零件的密度報告的是未含浸油的“干密度”,跟軸承的密度報告的是充足含浸油的“濕密度”。(關于更詳細的狀況見MPIF標準42)。一種常用的計算密度的方法如下:

別的:

(1)所有稱量都用分析天平精密到0 1%。

(2)當購進的軸承是浸過油的,它們應以接收狀態進行測量,以肯定質量B跟C。對于測定不含油的質量A,試樣一般要用Soxhlet萃取法將油除去。這種干質量稍高于原先未浸油的質量。

(3)蒸餾水中應添加0 1%～0 2%(質量分數)潤濕劑,以將稱量試樣時水的表面張力的影響減小到最低限度。

(4)試樣的質量應很多于2g。

(5)用來懸掛水中試樣的細絲的直徑應為0 12～0 25mm。沉入水中時,試樣或絲上不可附著有空氣泡。

(6)水的密度是由表2肯定的。關于更詳細的狀況見MPIF標準42。

2.5　徑向壓潰力軸承的理論徑向壓潰力是強度系數“K”跟軸承尺寸的函數。在粉末冶金軸承中,徑向壓潰力應計算如下:

別的:

(1)當軸承的壁厚大于其外徑的30%時,該公式不適用。

(2)關于強度系數“K”值見本文“7”粉末冶金軸承材料性能。

實際的徑向壓潰力是用在二平面間壓縮試驗的軸承肯定的;載荷的方向要垂直于軸承長軸。(關于更詳細的狀況見MPIF標準55)。將軸承開始開裂時載荷減低的點肯定為壓潰力。試驗適使用于圓筒形軸承。帶法蘭的軸承應將法蘭盤切掉后,用分別壓縮兩部分進行試驗。

球形軸承應切削加工成圓筒狀。每一部分都要符合該標準(粉末冶金軸承材料性能)規定的最小強度要求。這是將測定的壓潰力跟用在相應最小性能表中給出的常數“K”計算值進行相比來證明的。有時,球形軸承是根據產需雙方商定的相比試驗法或經驗公式,在不切削加工的生產狀態下檢驗球形軸承的徑向壓潰力。

3　保管

為阻止軸承中含浸的油損失,含油軸承要存放在非吸收性容器中。它們還應這個防塵跟防感染。產需雙方應就制作成品表面的狀態進行商量。不推薦在浸油之前用氯化溶劑來除去油或清洗軸承表面。由于殘留的溶劑趨向于形成弱酸,有可能使軸磨損。

4　表面粗糙度

在表面粗糙度影響軸承功能的地方,其表面最好是很平滑的;但是,因為粉末冶金零件擁有多孔性,用測頭類儀器一般進行的錐形探針測量,測量不出表面的真實粗糙度。這是由于相互連通的表面孔隙比金屬中的表面凹凸不平深。

產需雙方應商定表面粗糙度的規范跟測量方法,但不要忽視了配合軸的表面粗糙度的影響。

5　SI單位

數據都是用英制單位測定的,跟根據ASTM標準作法E380轉換成了SI單位。

6　可相比的標準

ASTM跟ISO都發表有粉末冶金自潤滑軸承標準。ASTM標準采納的化學組成跟密度范圍跟該MPIF標準一模一樣。ISO標準僅只給予了有限數量的合金系統(鐵、鐵 銅及青銅)的資料。

ASTMB438　燒結青銅軸承標準規范。

ASTMB439　鐵基燒結軸承標準規范。

ASTMB612　鐵青銅燒結軸承標準規范。

ASTMB782　鐵石墨燒結軸承標準規范。

ISO5755　燒結金屬材料-規范表1含浸以液體潤滑劑的軸承材料。

7　粉末冶金軸承材料性能

7.1　青銅軸承青銅軸承的材料牌號、化學組成跟性能示于表3。

低石墨青銅軸承含錫量10%跟石墨含量不大于0 3%。這種青銅擁有耐蝕性。在密度6 4g/cm3下,這種材料可保證一定的韌性,并可承受振動負載。這種材料能夠打樁。這種材料的軸承可使用于分馬力馬達、農具、設備、機床等。密度較高(6 8g/cm3)時,它擁有更高的韌性,并可支承較高的負載。密度較高時,軸承的含油量較少,所以,這種材料可使用于速度較低的工況。鑒于它們的強度,這種材料往往使用于結構零件跟軸承的復合件。

中等石墨含量的軸承材料,其石墨含量為0 5%～0 8%,這種材料的軸承使用于重負載跟高速跟普通磨蝕條件下。

石墨含量大于3%的軸承運轉十分平靜。它們趨向于需要較少的現場加油跟在稍高溫度下運用。它們常常使用于擺動或間歇轉動的工況。

7.2　鐵跟鐵

碳軸承鐵跟鐵碳軸承的材料牌號、化學組成跟性能示于表4。

密度為5 6～6 0g/cm3的普通鐵可用作中等負載的軸承材料。一般這種材料比90 10青銅 的硬度跟強度高一些?；咸几F形成鋼軸承,其強度比純鐵高,同時徑向壓潰力較大,耐磨性跟抗壓強度較高?；咸己看笥? 3%的軸承可進行熱處理,以全面改善其力學性能。

7.3　鐵 銅軸承鐵 銅軸承的材料牌號、化學組成跟性能列于表5。為了改進燒結件的強度跟硬度,可在鐵中添加銅:一般銅的添加量按質量為2%、10%或20%。添加20%(質量分數)銅時,軸承材料的硬度跟強度都比90 10青銅高,別的還擁有好的振動荷載能力。這類材料往往使用于需要極好地兼具好的結構性能跟軸承特性的用途。

7.4　鐵 銅 碳軸承鐵 銅 碳軸承的材料牌號、化學組成跟性能列于表6。

在鐵 銅材料中添加0 3%～0 9%(質量分數)碳可大大強化材料。別的,這些材料還可用熱處理硬化。這類材料擁有高的耐磨性跟高的抗壓強度。

7.5　低青銅軸承低青銅軸承的材料牌號、化學組成跟性能列于表7。為減輕材料費用,青銅可用40%～60%(質量分數)鐵稀釋。為了自潤滑,這些軸承通常都含有0 5%～1 3%(質量分數)石墨。軸承要燒結到化合碳含量擁有最小值。這類軸承使用于輕 中等荷載跟中等 高速度條件下。往往用它們取代分馬力馬達跟器具中的青銅軸承?；咸己砍^最大值時,可能會形成噪聲的跟硬的軸承。“總碳”的定義是冶金化合碳(見“1 4”化學組成)跟游離石墨之跟。

7.6　鐵 石墨軸承鐵 石墨軸承的材料牌號、化學組成跟性能列于表8。

鐵中添加以石墨跟燒結到含有化合碳,從而,大部分石墨可使用于進行輔助潤滑。這些材料擁有優異的阻尼特性,所以,可制作成運轉平靜的軸承。為了潤滑,所有材料都可含浸以油?；咸己砍^最大值時,可能形成有噪聲的跟硬的軸承。“總碳”的定義是冶金化合碳跟游離石墨之跟。

8　粉末冶金自潤滑軸承設計須知

已證明下述設計資料有助于軸承跟襯套系統的設計。這些值一般都是有效的,但具體應用時也可能有例外。告誡運用者,利用這些資料(表9)時要跟軸承制造廠家磋商。

軸承荷載(P)是用力(N)除以軸承投影面積(mm2)算出的。速度(V)是軸的速度(m/min)。PV極限值高的含油軸承比PV極限值低者可承受較高的荷載或在較高的旋轉速度下運用。軸承的PV極限值是軸承自身跟其環境二者的函數。環境可在以下4個角度減低容許的PV極限值:

(1)阻礙軸跟軸承之間形成油膜者。諸如轉速低、停止/起動作業、軸表面過于平滑或過于粗糙、振動、軸失圓、間隙過大、潤滑油不充足或精整作業差。

(2)阻礙摩擦熱散失者。諸如軸承座導熱性小、附近缺乏散熱裝置或環境溫度高。

(3)軸承中產生的摩擦能量損失趨向大于常規值者。這角度的一個例子是運用的潤滑劑黏度高。

(4)軸上荷載分布不均勻者。諸如不一樣軸性、軸撓曲或運用長徑比大的軸承。

在要求軸承運用壽命較長的場合,PV極限值應設計的小一些。

鋼軸承,即含冶金化合碳的鐵基軸承可進行熱處理,以增高強度;但需方必須清楚,在這種場合,關于壓配合跟公差的數據可能就都不再適用了。

在粉末冶金軸承在固定軸上旋轉的場合,慣性力可能使油從外露的軸承部分漏失。有時,可用甩油環補充吸油的方法,使油返回到多孔性蓄油體內。

8.1　壓配合

圓筒狀軸頸軸承一般都是用一裝配心軸將軸承壓裝于軸承座中。對于剛性足以承受壓配合而不會產生顯著變形的軸承座,跟對于壁厚約為軸承外徑1/8或更大的軸承,推薦采納表10示之壓配合。例如,對于向來徑12 5mm的軸承,可采納的軸承座孔直徑為12 43～12 47mm。

推薦用心軸支撐著內徑將軸承壓入軸承座孔中。例如,對于一內徑為19mm的軸承,心軸直徑應比所要求的最終尺寸大0 008mm左右。最好采納心軸安裝而不要用鉸刀最終鉸孔,由于鉸削可能會封閉表面孔隙。

8.2　運轉間隙軸承的合適運轉間隙基本上取決于其具體用途。表11中只列出了對使用于磨削加工的鋼軸的含油軸承推薦的最小間隙值。例如,對于向來徑12 5mm的軸,至少應采納內徑為12 51mm的青銅軸承。

8.3　套筒狀軸承的尺寸公差對于最大長度對內徑之比為4/1跟最大長度對壁厚之比為24/1的青銅基軸承,跟對于最大長度對內徑之比為3/1跟最大長度對壁厚之比為20/1的鐵基軸承,可采納表12、13中的數據。而比率大于這些值的軸承不宜采納這些數據。(美國MPIF標準35“粉末冶金自潤滑軸承材料標準”1998年修訂簡介)