粉末冶金 自润滑轴承材料标准

HEATS

　　1.5显微组织可将粉末冶金轴承显微组织的检验作为一种诊断手段，用来揭示烧结程度和对粉末冶金制造过程至关重要的其他冶金信息。兹就对大多数烧结材料通用的几项检查叙述如下。

　　在选择显微组织分析用粉末冶金零件磨片时，对于镶样与研磨建议采用平行于压制方向的内平面。应将粗与精抛光一直继续到估计所有孔隙都已被显露出来。孔隙的面积百分率表示零件的密度。例如，80%致密的轴承，其孔隙占有的面积应约为20%。

　　在制备显微组织检验用的试样时，像为自润滑设计的这些低密度材料，必须浸以镶样树脂。这将有助于防止切削加工或抛光时孔隙发生畸变。烧结轴承往往首先在未腐蚀状态下进行检验。在正常的烧结件中，于200×下将极少或不会看出原始颗粒界。必须用Soxhlet萃取法除去轴承中含有的油，从而，它不会干扰显微镜检验。对未腐蚀的内径表面的检验应显示出表面的孔隙度。

5 u- L$ G5 m* S+ i. x

　　在90 10铜锡青铜轴承中，组织应为α青铜与最少量淡红色富铜区，和没有灰色的铜锡化合物。在铁铜轴承中，铜应熔化和流到周围的小孔隙中。含铜量为5%到10%时，将可以看出铜的熔化区域。含铜量为2%或更少时，一般不会有游离铜存在。轴承组织中显示的原始颗粒界应最少。“低”青铜的显微组织兼有铁与青铜组织的外观。

　　依据制造工艺过程，铁石墨材料的显微组织中或者含有游离石墨或者含有游离石墨/化合碳的混合物。为了在金相检验时能保持住石墨，在粒度为400与600的SiC砂纸上进行粗磨，然后于中等压力下，在250r/min的抛光盘上的短绒毛布上，用粒度1μm的金刚石抛光2~6min。

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　　2定义与公式

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　　2.1含浸油低密度粉末冶金零件或轴承中的可控、连通孔隙结构使着其可含浸以润滑油。从而，就赋予它们以自润滑性能。当零件摩擦发热时，油膨胀与流至轴承表面。在运转中，当轴旋转时，油就从轴承中被“抽出”。冷却时，油又借助毛细作用被吸入金属的孔隙中。粉末冶金轴承按容积一般可吸收10%~30%的油。含浸油是用真空技术或用在加热的油中浸泡零件来实现的。(见本文“8”关于这方面的进一步的工程知识)。

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　　2.2孔隙度孔隙度是轴承中孔隙容积所占的百分率。它是密度的余数。理论密度为85%的轴承，其孔隙度为15%。轴承中的孔隙如同海绵一样，呈伸展到表面的互通孔隙网络状。连通孔隙度对于自润滑轴承的使用性能很重要，是这类材料技术条件中的一项性能。孔隙度的计算如下:

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　　另外:

U" j3 Q) J9 R7 j) {& W" Z/ M/ X* f

　　(1)所有称量都要用分析天平精密到0 1%。

　　(2)蒸馏水中应添加0 1%~0 2%(质量分数)润湿剂，以将称量试样时水的表面张力的影响减小到最小限度。

　　(3)试样的质量最少为2g。

4 l/ f, e1 G: _: H6 H! h

　　(4)用来在水中悬挂试样的细丝的直径应为0 12~0 25mm。沉入水中时，试样或丝上都不得附着有空气泡。

1 F7 l& b7 w1 L1 L1 S7 ? W

　　(5)水的密度根据表2确定。

　　注:1.表中值取自“MetrologicalHandbook145，QualityAssuranceforMeasurement，”1990，NIST，p9、10，和表示的是在空气中于1大气压下的值;

　　2.关于详细的情况见MPIF标准42。

　　2.3接收状态轴承的容积含油率含油率(P1)表示接收状态轴承孔隙中充填的油的容积百分率。容积含油率可计算如下:

6 K& S8 y! T! {) n. s

　　另外:

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　　(1)所有称量都用分析天平精密到0 1%。

2 B/ u4 l# T+ Q& c1 ~$ ] - e8 f* p& G) @# }/ Z

　　(2)蒸馏水中应添加0 1%~0 2%(质量分数)润湿剂，以将称量试样时水的表面张力的影响减小到最低限度。

3 ^& C/ N- E0 G0 ]5 r @5 y+ ]' D9 @0 r7 r

　　(3)试样的质量至少应为2g。

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　　(4)用来在水中悬挂试样的细丝的直径应为0 12~0 25mm。当沉入水中时，试样或丝上都不得附着有空气泡。

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　　(5)水的密度根据表2确定。关于更详细的情况见MPIF标准42。

) b& ]7 I# O0 `/ _& X

　　2.4密度

3 J% e3 t0 r9 N' c' K

　　“干密度”是不含油的粉末冶金轴承单位容积的质量。“湿密度”是含浸以油或其他非金属材料的粉末冶金轴承单位容积的质量。通常，结构零件的密度报告的是未含浸油的“干密度”，和轴承的密度报告的是充分含浸油的“湿密度”。(关于更详细的情况见MPIF标准42)。一种常用的计算密度的方法如下:

5 U9 p( K' X9 o

　　另外:

4 }* ]) i8 i6 I# [# F; S

　　(1)所有称量都用分析天平精密到0 1%。

% Z. M# n1 ~& C- n! R

　　(2)当购进的自润滑轴承是浸过油的，它们应以接收状态进行测量，以确定质量B与C。对于测定不含油的质量A，试样一般要用Soxhlet萃取法将油除去。这种干质量稍高于原先未浸油的质量。

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　　(3)蒸馏水中应添加0 1%~0 2%(质量分数)润湿剂，以将称量试样时水的表面张力的影响减小到最低限度。

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　　(4)试样的质量应不少于2g。

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　　(5)用来悬挂水中试样的细丝的直径应为0 12~0 25mm。沉入水中时，试样或丝上不得附着有空气泡。

9 R' H% m/ }; u# O0 a2 J" q/ h

　　(6)水的密度是由表2确定的。关于更详细的情况见MPIF标准42。

　　2.5径向压溃力轴承的理论径向压溃力是强度系数“K”与轴承尺寸的函数。在粉末冶金轴承中，径向压溃力应计算如下:

" ^ s9 G* _- O

　　另外:

　　(1)当轴承的壁厚大于其外径的30%时，这个公式不适用。

$ N6 I# G* \1 ^) _0 Z 8 x; u S7 R9 E8 G% f) j% W

　　(2)关于强度系数“K”值见本文“7”粉末冶金轴承材料性能。

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　　实际的径向压溃力是用在二平面间压缩试验的轴承确定的;载荷的方向要垂直于轴承长轴。(关于更详细的情况见MPIF标准55)。将轴承开始开裂时载荷减低的点确定为压溃力。试验适用于圆筒形轴承。带法兰的轴承应将法兰盘切掉后，用分别压缩两部分进行试验。

* W. ]/ f: c& z) p; D0 Q, D, W

　　球形轴承应切削加工成圆筒状。每一部分都要符合这个标准(粉末冶金轴承材料性能)规定的最小强度要求。这是将测定的压溃力和用在相应最小性能表中给出的常数“K”计算值进行比较来证明的。有时，球形轴承是根据产需双方商定的比较试验法或经验公式，在不切削加工的生产状态下检验球形轴承的径向压溃力。

　　3保管

　　为防止轴承中含浸的油损失，含油轴承要存放在非吸收性容器中。它们还应该防尘和防污染。产需双方应就制成品表面的状态进行协商。不推荐在浸油之前用氯化溶剂来除去油或清洗轴承表面。因为残留的溶剂趋向于形成弱酸，有可能使轴磨损。

9 W, x$ b$ D- n. M' C# [

　　4表面粗糙度

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　　在表面粗糙度影响轴承功能的地方，其表面最好是很平滑的;可是，由于粉末冶金零件具有多孔性，用测头类仪器一般进行的锥形探针测量，测量不出表面的真实粗糙度。这是因为相互连通的表面孔隙比金属中的表面凹凸不平深。

　　产需双方应商定表面粗糙度的规范与测量方法，但不要忽视了配合轴的表面粗糙度的影响。

　　5 SI单位

3 ]/ R$ L) q% w8 [: G: R& F+ Q$ f

　　数据都是用英制单位测定的，和根据ASTM标准作法E380转换成了SI单位。

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　　6可比较的标准

　　ASTM与ISO都发布有粉末冶金自润滑轴承标准。ASTM标准采用的化学组成与密度范围和这个MPIF标准相同。ISO标准仅只提供了有限数量的合金系统(铁、铁铜及青铜)的资料。

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　　7粉末冶金轴承材料性能

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　　7.1青铜轴承青铜轴承的材料牌号、化学组成和性能示于表3。

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　　低石墨青铜轴承含锡量10%和石墨含量不大于0 3%。这种青铜具有耐蚀性。在密度6 4g/cm3下，这种材料可保证一定的韧性，并可承受振动负载。这种材料可以打桩。这种材料的轴承可用于分马力马达、农具、设备、机床等。密度较高(6 8g/cm3)时，它具有更高的韧性，并可支承较高的负载。密度较高时，轴承的含油量较少，因此，这种材料可用于速度较低的工况。鉴于它们的强度，这种材料往往用于结构零件与轴承的复合件。

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　　中等石墨含量的轴承材料，其石墨含量为0 5%~0 8%，这种材料的轴承用于重负载与高速和普通磨蚀条件下。

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　　石墨含量大于3%的轴承运转非常平静。它们趋向于需要较少的现场加油和在稍高温度下使用。它们常常用于摆动或间歇转动的工况。

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　　7.2铁与铁

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　　碳轴承铁与铁碳轴承的材料牌号、化学组成与性能示于表4。

　　密度为5 6~6 0g/cm3的普通铁可用作中等负载的轴承材料。一般这种材料比90 10青铜的硬度与强度高一些。化合碳与铁形成钢轴承，其强度比纯铁高，同时径向压溃力较大，耐磨性与抗压强度较高。化合碳含量大于0 3%的轴承可进行热处理，以全面改善其力学性能。

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　　7.3铁铜轴承铁铜轴承的材料牌号、化学组成与性能列于表5。为了改进烧结件的强度与硬度，可在铁中添加铜:一般铜的添加量按质量为2%、10%或20%。添加20%(质量分数)铜时，轴承材料的硬度与强度都比90 10青铜高，另外还具有好的振动荷载能力。这类材料往往用于需要极好地兼具好的结构性能与轴承特性的用途。

4 X6 W" L1 a& {- W2 ]& f, k/ N

　　7.4铁铜碳轴承铁铜碳轴承的材料牌号、化学组成和性能列于表6。

　　在铁铜材料中添加0 3%~0 9%(质量分数)碳可大大强化材料。另外，这些材料还可用热处理硬化。这类材料具有高的耐磨性与高的抗压强度。

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　　7.5低青铜轴承低青铜轴承的材料牌号、化学组成和性能列于表7。

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　　为减轻材料费用，青铜可用40%~60%(质量分数)铁稀释。为了自润滑，这些轴承通常都含有0 5%~1 3%(质量分数)石墨。轴承要烧结到化合碳含量具有最小值。这类轴承用于轻中等荷载与中等高速度条件下。往往用它们替代分马力马达与器具中的青铜轴承。化合碳含量超过最大值时，可能会形成噪声的与硬的轴承。“总碳”的定义是冶金化合碳(见“1 4”化学组成)与游离石墨之和。

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　　7.6铁石墨轴承铁石墨轴承的材料牌号、化学组成和性能列于表8。

　　铁中添加以石墨和烧结到含有化合碳，从而，大部分石墨可用于进行辅助润滑。这些材料具有优异的阻尼特性，因此，可制成运转平静的轴承。为了润滑，所有材料都可含浸以油。化合碳含量超过最大值时，可能形成有噪声的与硬的轴承。“总碳”的定义是冶金化合碳(见“1 4”化学组成)与游离石墨(脚注[C]与[D])之和。

. x) K1 G. A: W, F2 P & z7 O, v0 D4 | C7 U' y Y1 T

　　8粉末冶金自润滑轴承设计须知

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　　已证明下述设计资料有助于轴承与衬套系统的设计。这些值一般都是有效的，但具体应用时也可能有例外。告诫使用者，利用这些资料(表9)时要和轴承制造厂家磋商。

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　　轴承荷载(P)是用力(N)除以轴承投影面积(mm2)算出的。速度(V)是轴的速度(m/min)。PV极限值高的含油轴承比PV极限值低者可承受较高的荷载或在较高的旋转速度下使用。轴承的PV极限值是轴承自身与其环境二者的函数。环境可在以下4个方面减低容许的PV极限值:

# h" e: P+ N& W5 k9 M. S* W

　　(1)妨碍轴与轴承之间形成油膜者。诸如转速低、停止/起动作业、轴表面过于平滑或过于粗糙、振动、轴失圆、间隙过大、润滑油不充分或精整作业差。

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　　(2)妨碍摩擦热散失者。诸如轴承座导热性小、附近缺少散热装置或环境温度高。

) V4 Q+ c4 g, V- {+ g$ x% I

　　(3)轴承中产生的摩擦能量损失趋向大于常规值者。这方面的一个例子是使用的润滑剂黏度高。

　　(4)轴上荷载分布不均匀者。诸如不同轴性、轴挠曲或使用长径比大的轴承。

8 }; h* k( b8 b) g7 C# R+ Z

　　在要求轴承使用寿命较长的场合，PV极限值应设计的小一些。

1 d; @/ w0 t' _5 T : r2 N' @* \2 t) r, M7 ]

　　钢轴承，即含冶金化合碳的铁基轴承可进行热处理，以增高强度;但需方必须清楚，在这种场合，关于压配合与公差的数据可能就都不再适用了。

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　　在粉末冶金轴承在固定轴上旋转的场合，惯性力可能使油从外露的轴承部分漏失。有时，可用甩油环补充吸油的方法，使油返回到多孔性蓄油体内。

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　　8.1压配合

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　　圆筒状轴颈轴承一般都是用一装配心轴将轴承压装于轴承座中。对于刚性足以承受压配合而不会产生明显变形的轴承座，和对于壁厚约为轴承外径1/8或更大的轴承，推荐采用表10示之压配合。例如，对于一直径12 5mm的轴承，可采用的轴承座孔直径为12 43~12 47mm。

　　推荐用心轴支撑着内径将轴承压入轴承座孔中。例如，对于一内径为19mm的轴承，心轴直径应比所要求的最终尺寸大0 008mm左右。最好采用心轴安装而不要用铰刀最终铰孔，因为铰削可能会封闭表面孔隙。

4 S/ S$ Z( |! M6 v) q- Y; u3 d: T$ l

　　8.2运转间隙轴承的合适运转间隙基本上取决于其具体用途。表11中只列出了对用于磨削加工的钢轴的含油轴承推荐的最小间隙值。例如，对于一直径12 5mm的轴，至少应采用内径为12 51mm的青铜轴承。

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　　8.3套筒状轴承的尺寸公差对于最大长度对内径之比为4/1与最大长度对壁厚之比为24/1的青铜基轴承，和对于最大长度对内径之比为3/1与最大长度对壁厚之比为20/1的铁基轴承，可采用表12、13中的数据。而比率大于这些值的轴承不宜采用这些数据。(美国MPIF标准35“粉末冶金自润滑轴承材料标准”1998年修订简介）

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