烧结含油轴承与多孔性烧结轴承的研究之一

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

【关键词】：粉末冶金;;烧结制品;;烧结含油轴承;;多孔性烧结轴承【摘 要】：烧结含油轴承的金属结构中含有众多的相互连通的开孔。轴承中的孔隙容积约为 10 %～ 4 0 %。这个孔隙容积可用来贮存流体润滑剂 ,流体润滑剂是在轴承的制造过程中含浸于其中的。在大多数应用中 ,是由轴承自身含的润滑剂进行润滑的。这份报告介绍了烧结含油轴承的概况和著者在烧结含油轴承方面近 5 0年的研究经历 ,并对烧结含油轴承的改进提出了一些建议。【全 文】： 1　绪言 积极利用烧结体的多孔性,使之含浸10%～40%(体积分数)润滑油,于自行供油状态下使用的滑动轴承叫做烧结含油轴承。这种轴承发明于20世纪初,以后逐渐得到了广泛应用,现在已成为汽车、家电、音响设备、办公设备、农业机械、精密机械等各种工业制品发展不可或缺的一类基础零件。 著者从事这种烧结含油轴承的研究约50年,依据个人见解,首先介绍烧结含油轴承概要。在叙述关于著者的研究经历之后,就改进这种轴承的性能提出了一些建议。2　烧结含油轴承概要 以金属粉末为主要原料,用粉末冶金法制作的烧结体,其本来就是多孔质的,而且具有在制造过程中可较自由调节孔隙的数量、大小、形状及分布等技术上的优点。因此,烧结含油轴承必定会得到广泛应用。图1示烧结青铜含油轴承的孔隙结构例[1]。 烧结含油轴承虽出现于开创近代粉末冶金的19世纪末,其实用化却是在1916年前后,由美国的Ｅ.Ｇ.Ｇｉｌｓｏｎ实现的。之后,在20世纪30年代以工业制品的形态进行了调整,其时正值美国汽车工业发展期[2]。 在日本,1934年松川达夫博士也进行过研究,还少量地进行过生产。但正式开始生产却是在太平洋战争结束后的1950年之后[3]。 图2示日本的烧结含油轴承的生产实绩[4]。起初,1951年度的铜基含油轴承的年产量只有约22ｔ。之后不久,开始生产铁基含油轴承。1960年,年产量急剧增加到了约1024ｔ,支持了当时的家电制品与随后的汽车及电子机器等产业的发展。1990年度,烧结含油轴承的年产量达到了约9032ｔ。 现在,烧结含油轴承的材质(按重量比),铁基的约占65%,铜基的约占35%,铝基及其它材质的极少。依据用途(按重量比),以汽车为主体的运输机械用约占41%,以家电制品为主体的电气机械用约占33%,以办公机械为主体的产业机械用约占21%,照相机、计量仪表等及其它用约占5%[5]。 其次,关于年产值。原料粉价格约为铜基含油轴承1/5的铁基含油轴承的产量(按重量)所占比例在增大,同时要求烧结制品整体的价格在降低,但如图2所示,产品合计产值的增长率与产品重量的增长率相比,每年却都在增大。这是由于含油轴承小型化,附加值增高所致。也就是说,烧结含油轴以前单件重量平均为5ｇ以上,近年来,由于重约0.2ｇ的微型马达用轴承的需要量增多,平均单件重量减小到1ｇ以下。也就是说,现在烧结含油轴承大体上一年约生产10亿个,组装在我们身边的机器中,平均每人约使用10个烧结含油轴承。 1990年度以来,由于日本系粉末冶金企业外迁亚洲各国与美国等,日本国内的生产实绩趋于减少。1995年度的烧结含油轴承年产量为7504ｔ,比1990年度约减少了1500ｔ。可是,不要忽略了这些日本系粉末冶金企业的外迁企业仍保持有1800ｔ的年产量[6],这远远大于减少的量。这一两年,日本国内烧结含油轴承的生产实绩支持了与信息技术(ＩＴ)关联的机器和电子机器的顺利生产,其生产已出现恢复的倾向。因此可以说,日本的烧结含油轴承生产处于正常状态.3　关于著者对烧结含油轴承研究的经历3.1　关于制造的研究 在著者对粉末冶金诸项进行研究的约50年中,关于对烧结含油轴承研究的经历,如图3所示。这些研究起始于1952年著者赴任通商产业省工业技术院名古屋工业试验所(现在是独立行政法人产业技术总合研究所中部中心)。如2中所述,当时日本的烧结含油轴承只有铜基的,年产量22ｔ左右,而其质量、性能和当时进口的美国产品相比,差距也都相当大。在这种情况下,这项研究的主要目的是确立我国(日本)烧结青铜含油轴承的制造基准[7]。 一般用粉末冶金法制作的烧结体,孔隙度增加常伴随着材料强度下降。因此,在制作烧结含油轴承时,依据使用的目的,应该使该烧结体具有怎样的孔隙度与材料强度?换言之,作为基准,应如何兼顾二者?烧结含油轴承终归是一种机械零件,因此,必须具备相应的材料强度。然而,这种功能特征是靠自供油的润滑作用才得以发挥作用的。因此,必须优先使产生自润滑作用的孔隙处于良好状态。著者认为,就烧结含油轴承的制造技术而言,首先应控制孔隙。 原料粉经压制成形、烧结等制造过程制成的烧结体,其孔隙必定是残留于粉末颗粒间的缝隙,因此,要想使烧结含油轴承中的孔隙成为适用的含油孔隙,还必须借助主原料粉的粒径、颗粒形状或成形压力等来调整粉末颗粒间产生的缝隙形态,又要有适当的烧结条件,尽量保持其缝隙形态。但是,一般充填粒径相等的球状粉末时,其缝隙大小最大不会超过粒径的15%～40%[8]。因此,只采用上述手段,特别是,使孔隙在粗大侧进行改变相当困难。再者,例如,对于烧结金属过滤器等高多孔质烧结体,都是采取预先在原料粉中添加重碳酸铵、氢氧化亚铁或萘等增孔剂的特殊手段制作的[9]。但是,这些增孔剂都易分解或气化,在生产管理上容易产生麻烦。这就是为什么期望有适当的“控制孔隙的手段”的理由。 1952年,著者研究烧结青铜含油轴承的制造时,在探讨Ｃｕ 10%Ｓｎ混合粉压坯的烧结过程中,发现在锡粉的熔点232℃附近,精确地说,是在Ｓｎ-0 7%Ｃｕ共晶点227℃,锡熔化,流出到铜粉颗粒间的缝隙中,从而在锡粉颗粒原位就形成了粗大孔隙[10]。总之,利用这种现象,可使仅只由粉末颗粒缝隙构成的微细孔隙结构变为含有依据锡粉粒径形成的粗大孔隙的混合孔隙结构,从而使对含油轴承孔隙结构的控制成为可能。另外,流向铜粉颗粒间缝隙的锡一侧的熔融共晶合金,随着烧结温度上升,一面反复地和周围的铜粉进行合金反应与生成液相,一面形成坚固的α青铜合金烧结骨架。著者将上述的Ｃｕ-Ｓｎ混合粉压坯在烧结过程中发生的,以锡粉为中心形成粗大孔隙的现象,称为锡粉“流出孔形成现象”(ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｍｅｌｔ ｏｆｆｐｏｒｅｓ)[10]。 一般说来,这种流出孔形成现象起因于低熔点副成分粉的熔化,在Ｃｕ-Ｓｎ系以外的合金系统中,的确也存在这种现象。例如,在Ｃｕ-Ｐｂ、Ｆｅ-Ｓｎ、Ｆｅ-Ａｇ、Ｆｅ-Ｃｕ以及Ｎｉ-Ｃｕ等系统中也都可观察到这种现象[11]。另外,即使是在副成分粉的熔点比主成分粉高的情况下,在两种粉末之间,也可能形成比主成分粉熔点低的共晶合金,例如,在Ａｌ-Ｃｕ系统,也能观察到这种流出孔形成现象[12]。图4示Ｆｅ-Ｃｕ混合粉压坯内铜粉流出孔形成现象例[12]。　　 关于著者的研究经历,从1952年起在名古屋工业技术试验所工作约10年,其间进行了关于青铜[10,11,13]、Ｆｅ-Ｃｕ[11,14～17]的研究。从1961年转移到早稻田大学工作后,进行了关于Ａｌ-Ｃｕ的研究[12,18]等,主要是关于利用上述流出孔形成现象的烧结含油轴承方面的研究。 其次,从1965年开始,以磁带录音机等音响机器用的轴承为对象,研究低噪音青铜含油轴承[19～22]。特别是,为了减小运转时旋转轴的滑动噪音,例如,索性使在均一的α青铜合金基体上分散以微细孔隙,和将孔隙度降低到10%界限附近,从而制成了一种特殊的烧结含油轴承。总之,这种低噪音青铜轴承,和以能承受苛酷条件的、高孔隙度、高强度、长寿命的多用途轴承为目标的常用的烧结含油轴承相反,其使用条件较轻,好在依靠使滑动面的润滑油不枯竭,保持稳定的“流体润滑”摩擦,就能使之保持低噪音状态。也就是说,要牺牲一些从轴承体内的含油孔的供油作用,优先防止油膜压力由滑动面经孔隙向轴承内泄漏。换言之,即使是使烧结含油轴承的孔隙结构有所恶化,也要制作出新的适合于重点用途的特殊烧结含油轴承[23]。以后,这种轴承不仅用于音响设备,还广泛用于了其后急速发展的同时记录图象-声音的磁带录象机(ＶＴＲ),可以说,这是日本独自取得的进展。 从1974年开始研究Ｆｅ-Ｐｂ-Ｃｕ烧结含油轴承[24～26]。探讨了将金属铅与作为固态润滑剂的石墨、二硫化钼等共同添加的效果。从1979年开始研究Ｆｅ-Ｓｎ-Ｃｕ烧结含油轴承[27～29],主要探讨了添加锡与铜作为铁粉的烧结促进剂的效果。由于Ｆｅ-Ｓｎ-Ｃｕ合金和青铜烧结体一样可进行低温烧结,从而具有节能的效果。