美國MPIF標準35“粉末冶金自潤滑軸承材料標準” 

      編者按:軸承是機電工業(yè)的一類重要通用基礎件,據(jù)中國機電日報2000年1月19日第6版報道,2000年我國滾動軸承的總生產(chǎn)能力為23億套,其中中小尺寸普通級滾動軸承可達21億套。但很少有人注意到,據(jù)初步估計,我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(chǎn)量已近百億只。為適應我國粉末冶金含油軸承生產(chǎn)發(fā)展需要,特向有關生產(chǎn)廠家與用戶推薦美國ＭＰＩＦ標準35《粉末冶金自潤滑軸承材料標準》1998年版。這是國內(nèi)外最新的《粉末冶金自潤滑軸承材料標準》,值得研究與借鑒。

軸承可定義為一種在其中有另外一種元件(諸如軸頸或桿)旋轉或滑動的機械零件。依據(jù)軸承工作時摩擦的型式,它們又分為滾動軸承與滑動軸承?；瑒虞S承之中自身具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、復印機等中不可缺少的一類軸承。據(jù)筆者估計,1999年我國微特小型粉末冶金自潤滑軸承的年產(chǎn)量已達到25億只左右。雖然我國早在1953年就已開始生產(chǎn)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、尺寸與公差》、ＧＢ2686-81《粉末冶金帶擋邊筒形軸承型式、尺寸與公差》、ＧＢ2687-81《粉末冶金球形軸承型式、尺寸與公差》及ＧＢ2688-81《滑動軸承粉末冶金軸承技術條件》,但是,這些標準自發(fā)布之日起,就從未進行過修訂,已不能適應當前科技發(fā)展與生產(chǎn)的需要。

國際標準化組織(ＩＳＯ)1996年對ＩＳＯ5755《燒結金屬材料 規(guī)范》進行了修訂[2]。但其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與應用的說明。

美國金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會(ＭＰＩＦ),自1965年發(fā)布《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,在工程知識方面也增加了一些新內(nèi)容。

美國金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會(ＭＰＩＦ)1998年修訂的《粉末冶金自潤滑軸承》材料標準[3]是當前關于《粉末冶金自潤滑軸承》最新的一份材料標準。這份標準對于我國粉末冶金自潤滑軸承的生產(chǎn)廠與用戶都具有重要的參考價值{HotTag}。特全文介紹如下。

1　注釋與推薦的做法

1.1　最小值概念對于粉末冶金材料,ＭＰＩＦ采用了最小性能值概念。在設計粉末冶金軸承時,可能會采用諸如含油量與徑向壓潰力這些值?；瘜W組成、密度,和在一些場合,徑向壓潰力也都列出了最大值。利用不同的化學組成、顆粒形狀、密度和或工藝技術可達到同樣的性能,這是粉末冶金的一大優(yōu)點。

最小值是由產(chǎn)需雙方確定的在一個生產(chǎn)批量中所有軸承在統(tǒng)計上都要超過的值。產(chǎn)需雙方應商定取樣方法。

需方應選擇和詳細說明對于具體應用最合適的粉末冶金材料與性能系統(tǒng)。提供的數(shù)據(jù)規(guī)定了列舉的材料的值與給出了最低性能。利用較復雜的工藝過程還可改進使用性能。為了選擇一種在性能與價格上都可行的最佳材料,和粉末冶金生產(chǎn)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(chǎn)需雙方另有協(xié)議外,材料性能至少具有標準中規(guī)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(nèi)的軸承設計與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、表面粗糙度及和應用相關的任何其他要求。建議在最終選定材料牌號之前,產(chǎn)需雙方間就上述各個方面進行討論。

除了本標準中已標準化的軸承材料之外,還有可用于特殊用途的擁有專利的其他材料。(關于設計的建議和與正確使用粉末冶金自潤滑軸承有關的其他知識見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(shù)字指的是材料組成。

在有色金屬材料中,4位數(shù)字系列的前2位數(shù)字表示主要合金化組份的百分含量。4位數(shù)字系列的后2位數(shù)字表示次要合金化組分的百分含量。代號中雖未包括其他次要元素,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,代號中雖不包括其他元素,但在每一種標準材料“化學組成”中都已將它們列出。4位數(shù)字代號前2位數(shù)字表示主要合金化組元的百分含量。Ｋ代表徑向壓潰強度,以103ｐｓｉ表示。

在4位數(shù)字系列中,最后2位數(shù)字表示鐵基材料的化合碳含量。在代號系統(tǒng)中,冶金化合碳的范圍表示如下:

后綴2位數(shù)字表示系數(shù)Ｋ的最小值,Ｋ是以103ｐｓｉ表示的。需方可根據(jù)粉末冶金材料的化學成分預計Ｋ值。字符Ｋ表示軸承材料牌號。

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與最大值。其他元素包括用差減法求出的所有其他元素。這些元素可能包括為特殊目的添加的其他次要元素與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(guī)范表述的是燒結態(tài)材料。諸如精整、切削加工、滾磨或浸油之類后續(xù)作業(yè)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污染,就不會妨礙檢驗燒結態(tài)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)都可以部分地除去。

經(jīng)過精整、滾磨、切削加工或含浸處理的零件都會被含碳材料污染,因此,在定碳之前必須將含碳材料除去。還無法將某些這類污染材料完全除去;因此,也就無法測定出1的含碳量。鐵中的化合碳含量可用全相估計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,用來揭示燒結程度和對粉末冶金制造過程至關重要的其他冶金信息。茲就對大多數(shù)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,對于鑲樣與研磨建議采用平行于壓制方向的內(nèi)平面。應將粗與精拋光一直繼續(xù)到估計所有孔隙都已被顯露出來?？紫兜拿娣e百分率表示零件的密度。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。這將有助于防止切削加工或拋光時孔隙發(fā)生畸變。燒結軸承往往首先在未腐蝕狀態(tài)下進行檢驗。在正常的燒結件中,于200×下將極少或不會看出原始顆粒界。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(nèi)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青銅與最少量淡紅色富銅區(qū),和沒有灰色的銅 錫化合物。在鐵 銅軸承中,銅應熔化和流到周圍的小孔隙中。含銅量為5%到10%時,將可以看出銅的熔化區(qū)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?！暗汀鼻嚆~的顯微組織兼有鐵與青銅組織的外觀。

依據(jù)制造工藝過程,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保持住石墨,在粒度為400與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　定義與公式

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(fā)熱時,油膨脹與流至軸承表面。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實現(xiàn)的。(見本文“8”關于這方面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(shù)。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樣,呈伸展到表面的互通孔隙網(wǎng)絡狀。連通孔隙度對于自潤滑軸承的使用性能很重要,是這類材料技術條件中的一項性能?？紫抖鹊挠嬎闳缦?

另外:

(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(shù))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,試樣或絲上都不得附著有空氣泡。

(5)水的密度根據(jù)表2確定。

注:1.表中值取自“ＭｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌＨａｎｄｂｏｏｋ145,ＱｕａｌｉｔｙＡｓｓｕｒａｎｃｅｆｏｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ,”1990,ＮＩＳＴ,ｐ9、10,和表示的是在空氣中于1大氣壓下的值;


2.關于詳細的情況見ＭＰＩＦ標準42。

2.3　接收狀態(tài)軸承的容積含油率含油率(Ｐ1)表示接收狀態(tài)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:

另外:

(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(shù))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,試樣或絲上都不得附著有空氣泡。

(5)水的密度根據(jù)表2確定。關于更詳細的情況見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?！皾衩芏取笔呛杂突蚱渌墙饘俨牧系姆勰┮苯疠S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”,和軸承的密度報告的是充分含浸油的“濕密度”。(關于更詳細的情況見ＭＰＩＦ標準42)。一種常用的計算密度的方法如下:

另外:

(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(tài)進行測量,以確定質量Ｂ與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(shù))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)試樣的質量應不少于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,試樣或絲上不得附著有空氣泡。

(6)水的密度是由表2確定的。關于更詳細的情況見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(shù)“Ｋ”與軸承尺寸的函數(shù)。在粉末冶金軸承中,徑向壓潰力應計算如下:
另外:

(1)當軸承的壁厚大于其外徑的30%時,這個公式不適用。

(2)關于強度系數(shù)“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確定的;載荷的方向要垂直于軸承長軸。(關于更詳細的情況見ＭＰＩＦ標準55)。將軸承開始開裂時載荷減低的點確定為壓潰力。試驗適用于圓筒形軸承。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。每一部分都要符合這個標準(粉末冶金軸承材料性能)規(guī)定的最小強度要求。這是將測定的壓潰力和用在相應最小性能表中給出的常數(shù)“Ｋ”計算值進行比較來證明的。有時,球形軸承是根據(jù)產(chǎn)需雙方商定的比較試驗法或經(jīng)驗公式,在不切削加工的生產(chǎn)狀態(tài)下檢驗球形軸承的徑向壓潰力。

3　保管

為防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。它們還應該防塵和防污染。產(chǎn)需雙方應就制成品表面的狀態(tài)進行協(xié)商。不推薦在浸油之前用氯化溶劑來除去油或清洗軸承表面。因為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;可是,由于粉末冶金零件具有多孔性,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。這是因為相互連通的表面孔隙比金屬中的表面凹凸不平深。

產(chǎn)需雙方應商定表面粗糙度的規(guī)范與測量方法,但不要忽視了配合軸的表面粗糙度的影響。

5?。樱蓡挝?BR>數(shù)據(jù)都是用英制單位測定的,和根據(jù)ＡＳＴＭ標準作法Ｅ380轉換成了ＳＩ單位。

6　可比較的標準

ＡＳＴＭ與ＩＳＯ都發(fā)布有粉末冶金自潤滑軸承標準。ＡＳＴＭ標準采用的化學組成與密度范圍和這個ＭＰＩＦ標準相同。ＩＳＯ標準僅只提供了有限數(shù)量的合金系統(tǒng)(鐵、鐵 銅及青銅)的資料。

ＡＳＴＭＢ438　燒結青銅軸承標準規(guī)范。
ＡＳＴＭＢ439　鐵基燒結軸承標準規(guī)范。
ＡＳＴＭＢ612　鐵青銅燒結軸承標準規(guī)范。
ＡＳＴＭＢ782　鐵石墨燒結軸承標準規(guī)范。
ＩＳＯ5755　燒結金屬材料-規(guī)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、化學組成和性能示于表3。

低石墨青銅軸承含錫量10%和石墨含量不大于0 3%。這種青銅具有耐蝕性。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。這種材料可以打樁。這種材料的軸承可用于分馬力馬達、農(nóng)具、設備、機床等。密度較高(6 8ｇ/ｃｍ3)時,它具有更高的韌性,并可支承較高的負載。密度較高時,軸承的含油量較少,因此,這種材料可用于速度較低的工況。鑒于它們的強度,這種材料往往用于結構零件與軸承的復合件。

中等石墨含量的軸承材料,其石墨含量為0 5%～0 8%,這種材料的軸承用于重負載與高速和普通磨蝕條件下。

石墨含量大于3%的軸承運轉非常平靜。它們趨向于需要較少的現(xiàn)場加油和在稍高溫度下使用。它們常常用于擺動或間歇轉動的工況。

7.2　鐵與鐵

碳軸承鐵與鐵碳軸承的材料牌號、化學組成與性能示于表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青銅的硬度與強度高一些?；咸寂c鐵形成鋼軸承,其強度比純鐵高,同時徑向壓潰力較大,耐磨性與抗壓強度較高?；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、化學組成與性能列于表5。為了改進燒結件的強度與硬度,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(shù))銅時,軸承材料的硬度與強度都比90 10青銅高,另外還具有好的振動荷載能力。這類材料往往用于需要極好地兼具好的結構性能與軸承特性的用途。

7.4　鐵 銅 碳軸承鐵 銅 碳軸承的材料牌號、化學組成和性能列于表6。

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

7.5　低青銅軸承低青銅軸承的材料牌號、化學組成和性能列于表7。為減輕材料費用,青銅可用40%～60%(質量分數(shù))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(shù))石墨。軸承要燒結到化合碳含量具有最小值。這類軸承用于輕 中等荷載與中等 高速度條件下。往往用它們替代分馬力馬達與器具中的青銅軸承?；咸己砍^最大值時,可能會形成噪聲的與硬的軸承。“總碳”的定義是冶金化合碳(見“1 4”化學組成)與游離石墨之和。

7.6　鐵 石墨軸承鐵 石墨軸承的材料牌號、化學組成和性能列于表8。

鐵中添加以石墨和燒結到含有化合碳,從而,大部分石墨可用于進行輔助潤滑。這些材料具有優(yōu)異的阻尼特性,因此,可制成運轉平靜的軸承。為了潤滑,所有材料都可含浸以油。化合碳含量超過最大值時,可能形成有噪聲的與硬的軸承?！翱偺肌钡亩x是冶金化合碳(見“1 4”化學組成)與游離石墨(腳注[Ｃ]與[Ｄ])之和。

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與襯套系統(tǒng)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。告誡使用者,利用這些資料(表9)時要和軸承制造廠家磋商。

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使用。軸承的ＰＶ極限值是軸承自身與其環(huán)境二者的函數(shù)。環(huán)境可在以下4個方面減低容許的ＰＶ極限值:

(1)妨礙軸與軸承之間形成油膜者。諸如轉速低、停止/起動作業(yè)、軸表面過于平滑或過于粗糙、振動、軸失圓、間隙過大、潤滑油不充分或精整作業(yè)差。

(2)妨礙摩擦熱散失者。諸如軸承座導熱性小、附近缺少散熱裝置或環(huán)境溫度高。

(3)軸承中產(chǎn)生的摩擦能量損失趨向大于常規(guī)值者。這方面的一個例子是使用的潤滑劑黏度高。

(4)軸上荷載分布不均勻者。諸如不同軸性、軸撓曲或使用長徑比大的軸承。

在要求軸承使用壽命較長的場合,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,關于壓配合與公差的數(shù)據(jù)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(huán)補充吸油的方法,使油返回到多孔性蓄油體內(nèi)。

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(chǎn)生明顯變形的軸承座,和對于壁厚約為軸承外徑1/8或更大的軸承,推薦采用表10示之壓配合。例如,對于一直徑12 5ｍｍ的軸承,可采用的軸承座孔直徑為12 43～12 47ｍｍ。

推薦用心軸支撐著內(nèi)徑將軸承壓入軸承座孔中。例如,對于一內(nèi)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。最好采用心軸安裝而不要用鉸刀最終鉸孔,因為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,對于一直徑12 5ｍｍ的軸,至少應采用內(nèi)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(nèi)徑之比為4/1與最大長度對壁厚之比為24/1的青銅基軸承,和對于最大長度對內(nèi)徑之比為3/1與最大長度對壁厚之比為20/1的鐵基軸承,可采用表12、13中的數(shù)據(jù)。而比率大于這些值的軸承不宜采用這些數(shù)據(jù)。（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）