粉末冶金自潤滑軸承標(biāo)準(zhǔn) |
| 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)1996 年對 ISO5755《燒結(jié)金屬材料 規(guī)范》進(jìn)行了修訂[2]。但其中關(guān) 于粉末冶金自潤滑軸承材料的牌號較少，也沒有關(guān)于軸承設(shè)計與應(yīng)用的說明。 美國金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會(MPIF)， 1965 年發(fā)布 自 《粉末冶金自潤滑軸承》 材料標(biāo)準(zhǔn)以來， 先后于 1974、1976、1986、1990 及 1998 進(jìn)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。 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(shè)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(xué)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(xué)組成、顆粒形狀、密度和或工藝技術(shù)可達(dá)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(yīng)商定取樣方法。 需方應(yīng)選擇和詳細(xì)說明對于具體應(yīng)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(fù)雜的工藝過程還可改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn) 35 擬訂粉末冶金軸承的技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計與其最終用途進(jìn) 行細(xì)致分析。此外，還應(yīng)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(yīng)用相關(guān)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(jìn)行討論。 除了本標(biāo)準(zhǔn)中已標(biāo)準(zhǔn)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(guān)于設(shè)計的建議和與正確使用粉末冶金自潤滑軸承有關(guān)的其他知識見 MPIF 出版的粉末冶 金設(shè)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(biāo)準(zhǔn)材料的“化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)材料“化學(xué)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(xué)成分預(yù)計 K 值。字符 K 表示軸承材料牌號。 1.4 化學(xué)組成 每種材料的化學(xué)組成都列出了主要元素質(zhì)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(guān)元素。 粉末冶金自潤滑材料的化學(xué)組成規(guī)范表述的是燒結(jié)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(xué)分析的結(jié)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(jié)態(tài)零件的化學(xué)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，也就無法測定出精確的 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(jié)程度和對 粉末冶金制造過程至關(guān)重要的其他冶金信息。 茲就對大多數(shù)燒結(jié)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(yīng)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。 孔隙的面積百分率表 示零件的密度。例如，80%致密的軸承，其孔隙占有的面積應(yīng)約為 20%。 在制備顯微組織檢驗用的試樣時，像為自潤滑設(shè)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(jié)軸承往往首先在未腐蝕狀態(tài)下進(jìn) 行檢驗。在正常的燒結(jié)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(yīng)顯示 出表面的孔隙度。 在 90 10 銅 錫青銅軸承中， 組織應(yīng)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(yīng)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(yīng)最少。“低”青銅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， 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 鐵 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(jìn)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 1m 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(jié)構(gòu)使著其可含浸以潤滑油。 從而，就賦予它們以自潤滑性能。當(dāng)零件摩擦發(fā)熱時，油膨脹與流至軸承表面。在運轉(zhuǎn)中， 當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，油就從軸承中被“抽出”。冷卻時，油又借助毛細(xì)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(shù)或用在加熱的油中浸泡 零件來實現(xiàn)的。(見本文“8”關(guān)于這方面的進(jìn)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(luò)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(shù)條件中的一項性能。 孔隙度 的計算如下: 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(yīng)添加 0 1%~0 2%(質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量最少為 2g。 (4)用來在水中懸掛試樣的細(xì)絲的直徑應(yīng)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(guān)于詳細(xì)的情況見 MPIF 標(biāo)準(zhǔn) 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(yīng)添加 0 1%~0 2%(質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量至少應(yīng)為 2g。 (4)用來在水中懸掛試樣的細(xì)絲的直徑應(yīng)為 0 12~0 25mm。當(dāng)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(guān)于更詳細(xì)的情況見 MPIF 標(biāo)準(zhǔn) 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(zhì)量。 “濕密度”是含浸以油或其他非金屬材 料的粉末冶金軸承單位容積的質(zhì)量。通常，結(jié)構(gòu)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(guān)于更詳細(xì)的情況見 MPIF 標(biāo)準(zhǔn) 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(dāng)購進(jìn)的軸承是浸過油的，它們應(yīng)以接收狀態(tài)進(jìn)行測量，以確定質(zhì)量 B 與 C。對于測 定不含油的質(zhì)量 A，試樣一般要用 Soxhlet 萃取法將油除去。這種干質(zhì)量稍高于原先未浸油 的質(zhì)量。 (3)蒸餾水中應(yīng)添加 0 1%~0 2%(質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量應(yīng)不少于 2g。 (5)用來懸掛水中試樣的細(xì)絲的直徑應(yīng)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(guān)于更詳細(xì)的情況見 MPIF 標(biāo)準(zhǔn) 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(yīng)計算如下: 另外: (1)當(dāng)軸承的壁厚大于其外徑的 30%時，這個公式不適用。 (2)關(guān)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(guān)于更詳細(xì)的情況見 MPIF 標(biāo)準(zhǔn) 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(yīng)將法蘭盤切掉后，用分別壓縮兩部分進(jìn)行試驗。 球形軸承應(yīng)切削加工成圓筒狀。 每一部分都要符合這個標(biāo)準(zhǔn)(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(yīng)最小性能表中給出的常數(shù)“K”計算值進(jìn)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。 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(yīng)該防塵和防 污染。產(chǎn)需雙方應(yīng)就制成品表面的狀態(tài)進(jìn)行協(xié)商。 污染。產(chǎn)需雙方應(yīng)就制成品表面的狀態(tài)進(jìn)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。 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(jìn)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(yīng)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 SI 單位 數(shù)據(jù)都是用英制單位測定的，和根據(jù) ASTM 標(biāo)準(zhǔn)作法 E380 轉(zhuǎn)換成了 SI 單位。 6 可比較的標(biāo)準(zhǔn) ASTM 與 ISO 都發(fā)布有粉末冶金自潤滑軸承標(biāo)準(zhǔn)。ASTM 標(biāo)準(zhǔn)采用的化學(xué)組成與密度范 圍和這個 MPIF 標(biāo)準(zhǔn)相同。ISO 標(biāo)準(zhǔn)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。 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(xué)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(fù)載。這種材料可以打樁。這種材 料的軸承可用于分馬力馬達(dá)、農(nóng)具、設(shè)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(fù)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(jié)構(gòu)零件與軸承的復(fù)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(fù)載與高 速和普通磨蝕條件下。 石墨含量大于 3%的軸承運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)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(fù)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。化合碳含量大于 0 3%的軸承可進(jìn)行熱處理，以全面改善其力學(xué)性能。 7.3 鐵 銅軸承鐵 銅軸承的材料牌號、化學(xué)組成與性能列于表 5。為了改進(jìn)燒結(jié)件的強度 與硬度，可在鐵中添加銅:一般銅的添加量按質(zhì)量為 2%、10%或 20%。添加 20%(質(zhì)量分?jǐn)?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(jié)構(gòu)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(xué)組成和性能列于表 6。 在鐵 銅材料中添加 0 3%~0 9%(質(zhì)量分?jǐn)?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(xué)組成和性能列于表 7。 為減輕材料費用，青銅可用 40%~60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鐵稀釋。為了自潤滑，這些軸承通常都 含有 0 5%~1 3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))石墨。 軸承要燒結(jié)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(dá)與器具中的青銅軸承?；咸己?量超過最大值時，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(xué) 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(xué)組成和性能列于表 8。 鐵中添加以石墨和燒結(jié)到含有化合碳，從而，大部分石墨可用于進(jìn)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(zhuǎn)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。 “總碳”的定義是冶金化合碳(見“1 4”化學(xué)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(shè)計須知 已證明下述設(shè)計資料有助于軸承與襯套系統(tǒng)的設(shè)計。這些值一般都是有效的，但具體應(yīng) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)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(yīng)設(shè)計的小一些。 鋼軸承，即含冶金化合碳的鐵基軸承可進(jìn)行熱處理，以增高強度;但需方必須清楚，在這 種場合，關(guān)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)間隙軸承的合適運轉(zhuǎn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn) 35“粉末冶金自潤滑軸承材料標(biāo)準(zhǔn)”1998 年修訂簡介） |
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