（材料学专业论文）粉末冶金铁基轴承材料的合金化与性能研究.pdf

嬲煳缈 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ， 研究生签名：望堡整日期；逊：! ：罗 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：邋导师签名：越日 期：2 竺 ：三争 中文摘要 摘要 自润滑含油轴承以其体积小、构造简单和自润滑等特点而得到广泛应用，随着机械、 电子行业朝着微型化、高精密化、智能化方向发展，对金属含油轴承提出更高的要求。 然而因为材料自润滑性能决定的多孔性，含油轴承材料一般承载能力较低、摩擦过程中 磨损量大、轴承寿命低，如果能对以上缺点加以改进，不仅可以拓宽含油轴承的使用范 围，而且会产生可观的经济效益。 本文在f e _ 4 0 c u s n 一3 m o s 2 和f e 一1 5 c 一5 c u 两种合金体系基础上，分别添加不同种类 和数量的合金元素及稀土氧化物，通过测量材料的压溃强度、表观硬度、含油率、摩擦 系数和磨损量以及模拟轴承运转的台架试验，研究所加合金元素的最佳加入量及相应的 烧结工艺；通过光学显微镜、s e m 、e d x 等现代化材料检测手段对材料进行微观结构 观察、微区成分分析以及摩擦表面的形貌观察，得到如下结论： c e 0 2 的加入对f e - 4 0 c u s n 3 m o s 2 材料的径向压溃强度和表观硬度的影响不大；但 是对其烧结过程有很大的影响，c e 0 2 可以活化烧结，改善基体的结合性，同时使材料 内部的孔隙分布均匀，使得该材料具有良好的减摩性和耐磨性。p 的加入大大提高了 f e 4 0 c u s n 基体材料的径向压溃强度和表观硬度，材料的摩擦系数小，磨损量小；c r 的 加入促进烧结并对f e 基起到了良好的固溶强化作用。c e 0 2 、p 、c r 体系合金的合理加 入量分别为0 2 5 、0 4 和o 6 ，对应的合理烧结温度分别为8 8 0 0 c 、9 3 0 0 c 和9 3 0 0 c 。 少量c e 0 2 的加入可以很明显的改善f e 一1 5 c 5 c u 体系的径向压溃强度和表观硬度， 但是过量的c e 0 2 会导致材料组织中“条状物 的增多、粗化，恶化材料的性能；m o 的加入对f e 1 5 c 一5 c u 材料的径向压溃强度和表观硬度的影响不大，但是可以改善材料 的摩擦性能，尤其是高载荷下的耐磨性，过量m o 的加入会使材料中出现部分疏松的组 织，造成材料的压溃强度下降。c e 0 2 与m o 的合理加入量为o 2 o 4 与5 ；高的压坯 密度很大程度上提高了材料的压溃强度和表观硬度，却只是略微改善了材料的耐磨性， 所以需针对不同使用要求合理选择材料的压坯密度，与材料的摩擦性能合理搭配。 f e 4 0 c u s n 一3 m o s 2 系材料的表观硬度、压溃强度相对较低，磨损过程会有大量的粘 起，故磨损机理主要是粘着磨损，其中参杂着氧化磨损以及少量的磨粒磨损； f e 1 5 c 5 c u 系材料的压溃强度与表观硬度都相对比较大，磨擦表面可以观察到沟槽和 裂纹的出现，部分区域有片状脱落的痕迹，磨损机理为主要为磨粒磨损为主，伴随着少 量的氧化磨损及粘着磨损。 本课题研究的五组材料体系，即：f e - 4 0 c u s n 一3 m o s 2 - x c e 0 2 、f e 4 0 c u s n 一3 m o s 2 ) 【p 、 f e 一4 0 c u s n 一3 m o s 2 0 6 p x c r 以及f e 1 5 c 5 c u - x c e 0 2 、f e 一1 5 c 5 c u - x m o ( x 表示合金加 入量) ，其中，f e 一4 0 c u s n 3 m o s 2 一o 4 p 及f e 1 5 c 一5 c u 一( 0 2 0 4 ) c e 0 2 材料的综合性能最好， 该两组材料均具有摩擦系数小，减摩性好，可以承受较高的载荷的特点。 关键词：粉末冶金；合金化；铁基轴承材料；强度；摩擦磨损性能 a b s t r a c t a b s t r a c t o i l l e s sb e 痂gl 娜、杭d e 印p l i c a t i o 璐f o ri t s 锄a l ls i z e ，s i m p l yd e s i 曲锄ds e l f lu _ 晰c a t e d c h a r a c 蜘s t i c d e v e l o p m e n t so fm i n i a _ t l l r i z a t i o i l p r e c i s i o n 锄di n t e l l e c 删i z a t i o nb r i i l go u tt l l e l l i g h e rd e m 锄【df o ro i l l e s sb e a r i n g f o ri t sp o r o 髑n a ：t l l r e ，i th 弱s o m ed i s a t 卸a n t a g e ss u c h 弱 l o wl o a dc a p a c i t y l a r g e 衔c t i o nl o s sa r l ds h o r tl i f e t i m e i ft h ea b o v e m e n t i o n e ds h o r t c o m e s c 雒b e 硫p r o v c d ，i t 谢nb r o a d e n l ei l s eo fo i l l e s sb e a r i n ga n dp r o d u c es i 鲥丘c a me c o n o m i c b e n e f | t o n l eb 嬲i so ff e - 4 0 c u s n 3 m o s 2 锄df e 1 5 c 一5 c um a t e r i a j s ，d i 伍j r e n tt y p e s 锄d q i l a n t i t i e so fa j l o y i n ge l e m e m s 、e r ea d d e d b yt e s t so fc m s t l i l l gs t r e n g 饥印p a r e n th a “h e s s ， o i l i m p r e 印a t e dd e n s i 劬衔c t i o nc o e 伍c i e n t ，、e a ra n ds i i i l u l a t i o no fb e 撕n go p e r a t i o 玛t h e b e s td o s a 霉r e锄dc o r r e s p o n d i n gp r o c e d ec o n d i t i o n sw e r ec h o s e n m i c r o - s l n l c t l i t l l r ea n d c o m p o s i t i o 船w e r eo b s e r v e d 钺l d 锄m y z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，s e mi m a g e s 砒l de d x t h e c o n c l u s i o n sa i - ea sf o u o w s ： a d d i t i o no fc e 0 2h a sl i t t l ee f r e c t so fo nc n l s h i n gs n e n s 乒ha n da p p a i e n th a r i l i l e s so f f e 一4 0 c u s n - 3 m o s 2b a e r i i 培m a t e r i a j s b u ti tc 趾a c t i v a ：t et l l es i n t e 血l gp r o c e s s 觚di m p f o v e t l l ei n t e r f a c e 觚m e s i o n ，t h ep o r e sd i s t r i b u t eu i l i f o m l ya sw e l l s oi th 嬲e x c e l l e n t 衔c t i o n 锄l d a b r a s i o nr e s i s t a n c e a d d i t i o no fpg r e a t l yi m p m v e st l l ec m s h i n gs 仃e n g ma n da p p a r e n t h a r d n e s so ff e _ 4 0 c u s n - 3 m o s 2b a e 血gm a t e r i a l 1 km a t e r i a lh 嬲s m a l l 伍c t i o nc o e 伍c i e n t a j l dl o ww e a r c rh 嬲ag o o ds o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e m n ge 伍；c to nt h ef eb 弱ea n di tp r o m o t e s t 1 1 es i n t e r i i l gp c o c e s s 嬲w e l l t h ea p p r o p d a t ea d d i t i o n so fc e 0 2 ，p 锄dc ra r e0 2 5 ，0 4 a i l d0 6 ；t t l ec o n e s p o n d i i l gs i n t e m gt e m p e r a ：t u r ei s8 8 0 0 c ，9 3 0 0 c 锄d9 3 0 0 cr e s p e c t i v e l y s m a l l 锄o u n t so fc e 0 2c o u l ds i g n i f i c a i l t l yi m p r o v et l l ec m s h i n gs t r e n g t h 锄d 印p a r e n t k 曲e s so ff e 1 5 c 5 c ub e 疵2m a t e r i a l s ：b u tt 1 1 ee x c e s sd o s el e a dt ot l l eh l c r e 嬲i 1 1 9 锄d c o a r s i n go f 矧p sw t l i c hd e c r e a s et h ep e r f o n n a n c eo fm a t e r i a l s m oa d d i t i o nh 嬲l i m ee 丘i e c t s o fo nc m s l l i n gs 仃e n g m 锄da p p a r e n th a r d n e s s ，b u ti tg r e a t l yi m p r o v e st h e 衔c t i o np m p e n ) ， e s p e c i a l l ya t 址g 量ll o a d i k c e s sa d d i t i o n so fm oc r e a _ t es o i n el o o s e 硼e a s ，t b l l sl e a dt ot h e d e c e a s eo fc m s m n gs 仃e n g t l l 1 1 1 ea p p r o p r i a t ea d d i t i o no fc e 0 2 锄dm oa r e0 2 o 4 a i l d5 r e s p e r c t i v e l y h i g hg r e e nd e n s i 锣o fm a t e r i m si m p m v e st l l ec m s h i i l gs t r e n g ma n d 印p a r e i n t h 扣m e s sw k l et h ew e a rv o l u m ed e c r e a s e ss l i 擘姗yo rr e m a i 璐s 组b l e ，t l l ec o e 伍c i e n to f 衔c t i o na n dm et e m p e r a t u r er i s ei l l c r e a s eal o t s ot l l eg r e e nd e n s i 坶m u s tb ec h o s e n 印p r o p r i a t e l yt om a t c h 也e 伍c t i o np m p e r t ya c c o r d i n g t ot h e 印p l i e dc o n d i t i o n f e 一4 0 c u s n - 3 m o s 2l 垴略l o wc m s 蛐呜s 缸e n g t l la n da p p 2 u n e n th a r d n e s s s o 廿1 e 衔c t i o n p i e c e sa d l l e r et 0e a c ho l e rd u r i n gt l l e 衔c t i o np r o c e s s ，m em a j nw e 盯m e c h a n i s mi sa d h e s i v e 、e a ra c c o m p a i l i e db yas m a l l 锄o u l l to fo x i d a t i o nw e a ra n da b r a s i v e 忙a r w l l i l e 吐屺c n 塔h s 仃e n g m 吼da p p a r e n th 叭l n e s so ff e 1 5 c 一5 c ub e a r i n gm a t e r i a l sa r er e l a t i v e l yl a r g e ，母o o v e s 锄dc r a c k sc a nb eo b s e e do nm ew e a rs u r f a c e2 m dm e r ea i es i 卿n so ff 甜l i n 2na ：k e so ns o m e r e g i o n s t h em a i l lw e a rm e c h a i l i s mi sa b 联塔i v e 忙a ra c c o m p a l l i e db yas m a l l 锄o u l l to f o x i d a t i o nw e a ra n da i h e s i v e 、e a r o nf i v e卿u p so fd i 岱玳斌m a t e r i a l sw es t u d i e d ， f e _ 4 0 c u s n 一3 m o s 2 一o 4 p锄d f e 一1 5 c 一5 c u 一( 0 2 0 4 ) c e 0 2m 砷e r i a l sh a v et l l eb e s tc o m p r e h e 粥i v ep e r f o m a l ：i c e sf o rt l l e y h a v es m 砒l 衔c t i o nc o e 伍c i e n ta n dl l i 曲l o a dc a p a c i t v k q 啊o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y ；a l l o y i n g ；i m n _ b a s e db e 撕n gm a t e r i a l ；s t 陀n g m ；衔c t i o na n d w e a rp r o p e n i e s n 目录 目录 摘要】 a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论。l 1 1 弓i 言1 1 2 自润滑含油轴承1 1 2 1 含油轴承的优缺点及用途。l 1 2 2 含油轴承的润滑机理2 1 2 3 含油轴承的运转性能与失效形式2 1 2 4 粉末冶金轴承材料6 1 3 粉末冶金铁基轴承材料7 1 3 1 粉末冶金铁基轴承材料的研究现状7 1 3 2 提高粉末冶金铁基轴承材料性能的方法与途径8 1 4 本课题研究的意义和主要内容1 1 第二章实验方法及基本工艺1 3 2 1 实验内容13 2 2 实验方法13 2 2 1 试样制备l3 2 2 2 性能检测1 4 2 2 3 合金成分及显微组织分析16 第三章c e 0 2 、p 、c r 对f e 4 0 c u s n 3 m o s 2 材料性能的影响1 7 3 1 材料的成分设计及烧结工艺。1 7 3 2c e 0 2 对f e c u s n 一3 m o s 2 材料性能的影响1 8 3 2 1c e 0 2 对材料的力学性能影响。1 8 3 2 2c e 0 2 对材料的摩擦性能影响一1 9 3 2 3 材料的微观组织分析。2 1 3 3p 对f e c u s n 3 m o s 2 材料性能的影响2 3 3 3 1p 含量对材料力学性能的影响2 3 3 3 2p 含阜对材料摩擦性能的影响2 4 3 3 3 含p 材料的显微组织分析一2 5 3 4c r 对f e c u s n 一3 m o s 2 材料性能的影响2 7 3 4 1c r 含晕对材料力学性能的影响一2 7 ， 3 4 2c r 含量对材料摩擦性能的影响2 8 3 4 3 显微组织观察2 9 3 5 结果分析及讨论。3l 3 5 1f e - c u s n - 3 m o s 2 合金的烧结过程3 1 3 5 2 摩擦、磨损性能分析3 4 3 6 本章小节。3 6 第四章c e 0 2 、m o 对f e 1 5 c 5 c u 材料性能的影响一3 8 4 1 材料的成分设计及烧结工艺3 8 4 2c e 0 2 对铁基轴承材料性能的影响3 9 4 2 1c e 0 2 对材料力学性能的影响3 9 m 4 2 2c e 0 2 对材料摩擦磨损性能的影响4 0 4 2 3 材料的微观形貌与组织观察4 2 4 3m o 对铁基轴承材料性能的影响4 5 4 3 1m o 对材料力学性能的影响一4 5 4 3 2m o 对材料摩擦、磨损性能的影响一4 6 4 3 3 材料的微观组织观察4 7 4 4 磨损性能分析一5 l 4 5 本章小结5 2 第五章结论5 4 5 1 本论文的主要研究结果5 4 5 2 对后续工作的一些思考5 5 致谢5 6 文献参考一5 7 攻读硕士期间发表的学术论文6 1 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 粉末冶金技术具有显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优 点，适合于大批量生产。此外，部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和 难以加工的零件也可用粉末冶金技术来制备故而备受工业界的重视【l l 。 烧结减摩材料是用粉末冶金方法制造的、具有低摩擦系数和高耐磨性能的金属材料 或金属和非金属的复合材料。这种材料由一定强度的会属基体和起减摩作用的润滑剂组 成。由于粉末冶金方法可在较大范围内调整基体和减摩剂的成分及含量，这种材料具有 良好的自润滑性能，因而其应用范围比一般铸造金属或塑料减摩材料广泛，能在外界不 提供润滑油的摩擦条件下，或在高速、高载荷、高温、高真空等极限润滑条件下工作1 2 j 。 烧结减摩材料可以分为多孔自润滑材料和致密减摩材料两大类。前者有各种含油轴 承，后者有粉末冶金铜铅轴瓦等。在减摩材料开发方面，已研制出多孔含油轴承、双层 或多层轴承( 轴套、轴瓦) 、金属塑性复合自润滑减摩材料、碳化硼气体动压轴承材料以 及高温真空自润滑轴承保持器材料等，它们广泛应用于航天、航空、电子、交通运输、 各种仪器仪表、机械等领域p j 。 含油轴承材料是烧结减摩材料中的一类，采用粉末冶金方法制备的金属自润滑轴承 材料，可以通过控制粉末的粒度和压制密度来控制得到一定的孔隙度，从而依靠自身孔 隙储存的润滑油在运转过程中转移到摩擦表面进行润滑，实现自润滑效果，设计自由度 大，材料利用率高，因而得到广泛的应用。 1 2 自润滑含油轴承 1 2 1 含油轴承的优缺点及用途 含油轴承，即多孔质轴承( p o r o u sb e a r i n g ) ，顾名思义，是指用粉末冶金制备的轴承 本身含有润滑油，轴旋转时，轴与轴承之间的摩擦导致轴承温度升高，润滑油在毛细作 用下渗出到轴承内径摩擦表面形成油膜，隔离轴与轴承接触；轴停止旋转后，润滑油又 流回到轴承内部，以此循环重复使用，不需外界添加润滑油。自从1 8 7 0 年问世以来， 含油轴承被广泛应用于运输机械、家用电器、音响设备、食品机械、印刷机械、汽车、 仪器仪表、纺织机械、航空航天等工业领域。随着机械、电子等行业向着微型化、高精 密化、智能化方向发展，计算机、信息家电、精密仪表等行业的兴盛，对含油轴承的需 求也是越来越大。例如日本在9 0 年代初期每年烧结含油轴承的产量就在6 0 0 0 7 0 0 0 吨 左右，产值在1 7 0 亿日元上下，并且含油轴承的产量占全部粉末冶金机械零件的四分之 一。2 0 0 0 年，日本烧结含油轴承的产量约为9 0 0 0 吨，按数量计算，一年约生产1 0 亿只 含油轴承。2 0 0 1 年我国含油轴承的销售量己超过了2 0 亿只，全世界用量当在1 0 0 亿只 左右【4 。5 1 。 烧结含油轴承的基体是多孔的组织结构，具有一定的渗透度，制成后用适当的润滑 剂( 一般用润滑油) 加以浸渍，使润滑剂充填填充到基体的孔隙中储存起来。它具有自润 滑的优点，表现为油在轴与轴承运转过程中从孔中渗出并在摩擦面进行润滑，运转停止， 油就又被吸入多孔基体中储存起来，故润滑油的流失量一般较少，少量的润滑油就能进 壅堕丕堂堡主堂丝丝塞 行长时间的润滑。相对于滚动轴承，烧结含油轴承不需外加润滑油，特别适用于家用电 器、纺织机械、食品机械、制药机械及摘棉机等摩擦组件上，因含油轴承不会因外加润 滑油滴落在产品上而影响产品质量。此外含油轴承还具有噪声低、尺寸小、结构简单、 生产工艺性优越、不会发热胶着、价格便宜等优点，适合大批量生产。 含油轴承主要应用于较低载荷、较低速度、供油困难与避免润滑油污染的场合，因 为材料本身的多孔性，使得它产生了诸如承载能力低、摩擦损耗大、寿命低等缺点。如 果能对含油轴承的上述缺点加以改进，在性能( 转速、精度、寿命等) 上有所提高，就可 以拓宽含油轴承的使用范围，并产生可观的经济效益。 1 2 2 含油轴承的润滑机理 烧结金属含油轴承和由一般铸铁、青铜等制造的滑动轴承功能相同，但二者将润滑 油供给润滑表面的方式不同，烧结金属含油轴承由于润滑油已含浸于轴承材料的众多微 小孔隙之中，所以是自动供给于运转间隙，而一般滑动轴承必须用机械方法( 诸如滴油 润滑、压力循环等) 从外部供给润滑油。 当轴处于静止状态时，全部油储存于孔隙中，载荷由含油轴承与轴问的直接接触支 撑。轴开始旋转时，含油轴承与轴颈间发生某种程度的金属摩擦，使轴承的温度升高， 因润滑油的膨胀系数比轴承合金大的多，油从轴承材料内部的微小孔隙中被挤入到轴与 轴承的接触区附近。当轴继续旋转及载荷与速度都处于某一限度之内时，由于泵吸作用， 即因轴旋转而将轴承内部含有的油吸出，如图1 1 所示，油从油压低的上部流向油压高 的滑动部，经由油的流动形成的油膜将轴从轴承底部抬起，从而发挥了防止金属间接触 的功能。再者，由于油的流动，轴会偏向旋转方向，致使轴承内径面的油压分布状况如 图1 1 所示1 6 】。另外，在最高压力区附近，润滑油经由轴承材料中的微孔被强制压入轴 承壁内，难以形成完全流体润滑，具有转为边界润滑的倾向，因此，与一般致密金属滑 动轴承相比，多孔性含油轴承的负载较小。 鑫麴袖承 籍睇溺漉巍 铀 图1 1 润滑油在多孔性含油轴承体内的流动 f i g 1 - 1t h en o w o fl u 嘶c a t i n go i li np o r o u sb e 撕n g 1 2 3 含油轴承的运转性能与失效形式 摩擦系数和温升是表征轴承运转性能的两个重要参数，而为了延长含油轴承的寿 命，就有必要正确的判断含油轴承的各种失效形式，了解它的机理和影响因素，从而提 出防止早期失效应采取的正确措施。 2 第一章绪论 ( 1 ) 摩擦系数 对一般轴承来说，轴与轴承在运转过程中，最理想的运转状态是：轴与轴承始终处 于同心状态，轴径面与轴承内径面之间的间隙( 轴承内径轴径，m m ) 始终处于充满润滑 油的状态，也被称为p e 仃。行流体润滑，摩擦系数记为鳓。当负荷压力逐渐增大时，会 增加边界摩擦和固体接触摩擦的成分，故摩擦系数应添加边界摩擦系数肋和固体接触摩 擦系数地，总的摩擦系数由鳓，肋，胎三部分组成【6 i 3 1 。 轴承的p e 仃。行流体润滑摩擦系数用下面公式表示： 2 研d 2 万2 d 穆 ，f = 二_ 一= _ = 一 ，印。吼 f ，1 1 、 式中：胁旷p e 仃0 仃流体润滑轴承的摩擦系数； r 润滑油的黏性系数，p a s ； 卜轴表面的速度，m s ； 卜间隙( 轴承内径与轴外径之差) ，m ； p 厂一油膜压力，p a ； _ 轴的旋转数，s ； 卜轴径，m 。 通常，在流体润滑轴承情况下，油膜压力的大小与载荷方向无关。 p 。：p ：要 ( 1 2 ) p o2p 2 面 【1 一动 式中：r 负荷压力，p a ； 肜载倚，n ； 动一轴承内径部的正投影面积，m 2 。 对于固体接触的摩擦胎，固体接触状态的摩擦模式图1 2 所示。各接触部分发生塑 性变形，形成面接触以承担载荷。这与布氏硬度( 月矽或y 氏硬度( 闭叨中的压痕类似，所 以也可以采用压力砌( m p a ) 来处理。在受到载荷矽时，假设轴与轴承材料问产生了接触 面积，轴与轴承直接发生相对滑动时的摩擦力为f ，其等于接触部分的剪切强度留 与接触面积的乘积，即b t 鼢以及彤硝，所以固体接触的摩擦系数可以用下式表 示，即 ? t f ts s r t i “= = ! 三= 二 一形& r 1 3 、 结果是地仅由接触部分的剪切强度与轴承材料的硬度所决定，而与负荷压力、速度 等无关。实际测定时，船在0 2 5 o 3 5 的范围。 曼霆形瓣翔 图l - 2 固体接触的摩擦模式 f i g 1 - 2f r i c t i o nm o d eo fs o l i d ec o n t a c t 矗 c t i o n 对于边界润滑，如图1 3 所示，固体与固体之间通过一层很薄的油膜接触，载荷使 3 銮堕盔堂堡堂丝丝塞 硬度较低的轴承材料变形，肋的表达式为： 。：兰：三越：互 w p m s rp m 【l 1 4 、 结果是肋仅与接触部分油膜的剪切强度与轴承材料的硬度所定，而与负荷压力、速 度无关。实际测定值，肋在o 0 l o 0 2 之间。 硬的袖承树辩 援触面积& 形 摩擦力， 方向 图1 - 3 边界润滑摩擦模式 f i g 1 - 3 f c t i o nm o d eo fb o u n d 叠l 叮i u b r i c a t i o n 在载荷很小( ) 的情况下，轴承在接近流体润滑状态下运转；当载荷上升为既、 职，条件变得苛刻时，轴承下部摩擦部分的油膜变薄，甚至被破坏，产生边界润滑和固 体接触摩擦，如图l - 4 所示，故轴承的摩擦系数胁傩的表达式为： 脚= 堕= 丢k 坳一口o b 一曰) 一b 】 + 口。知一曰) + 口+ 丢二 p l z j z ( 1 5 ) 式中，a 为胎区域面积与肋即s 区域面积之比，与润滑油与金属的结合性有关，即由油 性、负荷压力、速度等运转条件决定，可通过实验测出。式子的前两项表征了轴承下半 部分的摩擦系数，后一项表征了轴承上半部分的摩擦系数。 l 暇1 l 睨 捆嗅u z ， 帑 厶五 i j - l 、 亍 油腰c 您 职乳 垠 图1 - 4 载荷影响轴承间隙内润滑状态的模式 f i g 1 _ 4e 腩c to fl o a do nb e 厕n gc l e 锄n c e sl u b r i c a t i o n 对含油轴承来说，还具有一些其特有的特点。因该轴承仅靠孔隙内润滑油供油，故 易发生供油不足；另外，间隙内的润滑油还可能通过孔隙向多孔性轴承内泄漏，即使在 较轻的载荷下也会发生在润滑区域产生边界润滑和固体接触摩擦的现象。因此在考虑含 油轴承的摩擦系数和温升时，可以参照一般轴承的摩擦系数和温升的分析方法，同时还 要结合含油轴承的连通孔隙度、透气性以及外加载荷大小、速度来综合考虑。 ( 2 ) 温升 b 踟，d e nfp 和t a b 既d 基于细长圆柱体在另一平面上滑动的热平衡模型，推导出如 下关系式1 6 3 】： 4 第一章绪论 丁：丁一瓦：继塑堕 ” 4 ，( 墨+ 心) ( 1 6 ) 式中：乃乃分别为摩擦表面接点的稳定温度和物体的主体温度( 约为室温) ，厶丁则 为表面温升，为摩擦系数，1 ，为滑动速度，g 为重力加速度，形为作用载荷，仃为材料 的压缩屈服极限，为热功当量，局和局分别为摩擦副两种材料的热导率。可见某对摩 擦副在一定的作用载荷和滑动速度下，表面温升和摩擦系数大约成正比关系。 含油轴承运转过程中，摩擦所产生的热量遵循以下关系，即： 用= 脚 ( 1 7 ) 设测定时轴承的温度为乃( ) ，室温为乃( ) ，则温度的升高4 致) 可由下式表示， 即： 丁：正一乃：丝：壁：旦业 。 kkk ( 1 8 ) 式中，x l 热损失系数，w ； k 的数值随轴承使用轴承的机器已经周围的散热条件而变化，当这些条件固定时， k 的值就一定。由两个公式均可看出温升与摩擦系数和轴表面速度均呈正比。 ( 3 ) 含油轴承的失效形式 根据含油轴承失效的机理，可分为磨损、疲劳、腐蚀、气蚀和微动磨损等几类。含 油轴承的磨损机制主要有粘着磨损( a d h e s i v e 、a r ) 、磨粒磨损( a b r a s i v e 、e 砌、氧化磨损 ( o x i d a t i v ew e 砷和剥层磨损( d e l a m i n a t i o n 、v e 砷几种l = z o j 。 粘着磨损是含油轴承较常见的一种失效形式。按理在理想状态下含油轴承与轴之间 有润滑油膜分隔，不易产生粘着磨损。但是在实际使用条件下由于各种原因往往使油膜 破坏而导致轴承和轴的金属表面局部直接接触。例如在边界润滑条件下或异物部分嵌入 轴承属表面时，因油膜较薄，导致轴与轴承或轴与异物直接接触而产生大量摩擦发热， 甚至胶合。摩擦发热还会使润滑油温度升高，润滑油粘度降低，造成油膜减薄，增加发 生胶合的可能性。机器在启动或停车时润滑不足就会形成边界润滑，使含油轴承产生粘 着磨损。粘着磨损中的胶合是含油轴承破坏性最大的磨损失效形式，常发生在高速重载 和润滑不良的情况下。胶合一旦发生就很严重，往往在百分之几秒导致摩擦副完全失效， 所以应避免胶合的发生。一般都采用摩擦系数突然增加并出现大幅度变化来判断胶合发 生。 由于在实际使用中润滑油常混有异物，磨粒磨损也是含油轴承常见的失效形式。磨 粒磨损是指在两个作相对滑动的表面间隙中，因混有外来硬质点或硬化的磨损碎片而使 相对滑动的金属面产生变形或磨去现象；或是在两个作相对滑动的表面中，较硬金属表 面的微小隆起在运动过程中使较软金属表面出现的变形或划痕。含油轴承的实际磨损形 式可分成五种形式：早期磨合磨损、正常磨损失效、伤痕、异常磨损和胶合。在粘着磨 损和磨粒磨损发生的同时，由于温度的升高，摩擦表面裸露在空气中的部分会与氧反应 生成一系列的氧化物，发生氧化磨损。 金属磨损的剥层理论是建立在弹塑性力学分析和比较充分的实验基础之上，并总结 了以往大量的研究成果，因而是迄今为止比较完整的磨损理论。当两个滑动表面相接触 时，法向载荷和切向载荷通过接触点传递，较软表面的微凸体易于变形或在重复载荷作 用下发生断裂，从而形成较光滑的表面。较硬表面的微凸体对该表面相对摩擦时，较软 表面上的每一接触点都要承受周期性载荷，使其表面层发生塑性剪切变形，变形随重复 5 銮堕盔堂堡堂垡丝塞 载荷而累积。随亚表面变形的继续，裂纹在表面下形核。裂纹一旦出现，在外界载荷作 用下扩展，或许会与邻近的裂纹相连接，当这些裂纹最后向表面或某些薄弱位置剪切时， 导致长而薄的磨损薄片脱落，这种片状磨屑的厚度受亚表面裂纹生长的位置控制，该位 置受表面的法向载荷和切向载荷的控制。 抗磨损设计最有效的方法是在摩擦表面之间建立一层润滑膜，包括流体润滑膜、表 面吸附膜和化学反应膜等。另外，通过改善材料的成分设计增加材料本身的抗磨损能力， 减少磨损。 1 2 4 粉末冶金轴承材料 用粉末冶金方法制各轴承具有其他成形方式没有的优点。1 ) 多孔结构。孔隙在铸造 成形中被认为是缺陷，而对自润滑含油轴承来说，孔隙作为储存润滑油记忆供给润滑油 的通道，起着非常重要的作用，采用粉末冶金方法制备含油轴承，可以通过控制材料的 压坯密度来得到所需的孔隙率，这是在其他成形工艺很难做到的；2 ) 近净成形，节省材 料。采用粉末冶金方法制备含油轴承，在压坯环节已经得到最终产品的形状，待烧结完 成后只需根据要求做适当精整即可，原材料得到最大程度的利用，且实现了材料制备与 产品成形一体化。 按照美国m p i f 标准3 5 粉术冶金自润滑轴承材料标准1 5 9 1 ，现在应用的粉末冶金 轴承材料有以下六类： 1 ) 青铜具有较好的耐蚀性，延展性良好，强度低，材料的摩擦系数小，噪声小， 强度较低，一般来说可以用于制造和轴承一体化的零件。 2 ) f e 与f e c 密度为5 5 6 0 9 c m 3 ( 7 l 一7 6 的理论密度) 的纯f e 可用作中等载荷的 轴承材料，合金一般比c u 1 0 s n 青铜硬且强度高。加入合金化元素c 制成的钢轴承材料， 强度比纯f e 轴承材料高，径向压溃强度较高，耐磨性较好及抗压强度较高。 3 ) f e c u 将c u 混合于f e 中以改进强度与硬度，一般c u 的加入量为2 、1 0 及2 0 。 含铜2 0 的f e c u 合金比c u - 1 0 s n 青铜硬且强度高，并具有好的振动负载能力。f e c u 合金往往用于需要兼有结构与轴承特性的应用。 4 ) f e c u - cc 的添加量为0 3 加9 时，形成珠光体结构，可大大强化f e c u 合金， 添加c 还可用热处理进一步改进材料的力学性能，这种合金具有高的耐磨性与高的抗压 强度。 5 1f e 青铜在锡青铜粉末中加入4 0 0 铁并与之机械混合均匀，得到f e 锡青铜 轴承材料，可降低原材料费用，提高锡青铜材料的承载能力。为了自润滑，一般再添加 o 5 1 3 石墨或者m o s 2 。 6 ) f e 一石墨将石墨与f e 粉混合，通过生产工艺控制材料中的化合碳含量，从而使 大部分石墨可用作固体润滑剂，该种材料制成的轴承具有优异的阻尼特性，且运转平稳。 s t o r c h e i m 【7 j 等提出用铝基材料作为含油轴承的基体，因为铝基材料价格便宜、热传 导率高。但是铝的加工成本比较高、磨粒磨损特性较差，且工作温度范围较窄。 1 9 9 6 年，金卓仁【驯在英国g l a c i e r 金属公司生产的d u 轴承( 钢烧结青铜合金p t f e 复合材料) 的基础上，提出了用s p f 自润滑材料组成的复合轴承，即外层采用高强度的 烧结金属基体，中间层为含有p b o 与石墨等多种固体润滑剂的多孔合金层，内层为氟化 稀土填充的聚四氟乙烯自润滑层，其厚度为0 0 2 0 0 6 衄，实验证明承载力和寿命有所 提高。 1 9 9 7 年，z i l a n g 掣9 】研究了金属一塑料多层复合结构的摩擦学特性，他们采用4 5 号 碳钢钢衬，中间层用烧结多孔质铜，表面采用聚四氟乙烯材料填充铅或氧化铜的粉末。 试验表明，铅和聚四氟乙烯能够减小摩擦系数和磨损，氧化铜和聚四氟乙烯增加了摩擦 系数改善了磨损，通过有无润滑油润滑的对比试验，他们得到了在油润滑状态下摩擦磨 6 第一章绪论 损和p v 极限值都得到显著的改善。 2 0 0 2 年，渡边恍尚【l0 】在改进烧结含油轴承运转性能的建议中指出，对固体摩擦状 态，应该注意选用抗剪强度低、且不伤钢轴的硬度高的轴承材料，例如在铁基合金之类 的硬质皋体上分散以剪切强度低的较软的铜基合金，用这种具有复合组织的多孔质烧结 材料作为轴承材料时，虽然增加了固体接触摩擦，但轴承的平均摩擦系数减小了。白洁 等】根据含油轴承的特殊工况，研制出适用于高强度、低噪音的含油轴承专用烧结铜粉， 并测试了粉末的松装密度、流动性及粒度组成等基本物理性能，对影响粉末性能的因素 进行了详尽的分析，并获得了最佳的工艺参数。研究结果表明，烧结铜粉具有严格的粒 度分布，良好的流动性、压制性和较低的烧结尺寸变化率，适合粉末冶金机械零件的制 造。曹放【1 2 。13 j 等针对里程表用含油轴承，对粉末冶金铁一铜和青铜材料进行了对比研究， 认为采用铁铜替代青铜材料是可行的，其经济效益大，应用前景广。 1 3 粉末冶金铁基轴承材料 1 3 1 粉末冶金铁基轴承材料的研究现状 鉴于上述可知，粉术冶金轴承材料仍是以铁基和铜基为主，据资料统计【5 1 ，在烧结 金属含油轴承中，2 0 0 0 年至2 0 0 7 年之间的多数年份，铜基产品占2 5 3 0 之间，在结 构零件中，铜基产品仅占l 左右，如图1 5 所示。也就是说，在生产的烧结金属含油 轴承中，7 0 以上是铁基产品。 送 骚 枣 屺 整 誊 静 域