烧结金属含油轴承--原理、设计、制造与应用

烧结金属含油轴承通常称之为烧结含油轴承或含油轴承，它是利用烧结金属的多孔性，使之含浸10%～40%(体积分数)润滑油，于自行供油状态下使用的一类滑动轴承。这种轴承是用粉末冶金技术制造的，发明于20世纪初，以后逐渐得到了广泛应用，现已成为汽车、家电、音响设备、VTK、办公设备、纺织机械、食品机械、农业机械、制药机械、精密机械、微小型电机等不可或缺的一类基础零件。
含油轴承实用化是在1916年前后，由美国通用电气公司的EGGilson完成的。之后，在1930年左右，美国汽车工业发展时，开始大量用于汽车中。同时，作为冰箱压缩机零件被引入家电市场。
第二次世界大战时，在德国，用粉末冶金技术大量地制造了含浸石蜡的烧结铁弹带，用以取代资源短缺的铜弹带。这引起了全世界科技界的关注。战后，各国竞相研究铁基含油轴承，谋求以之取代价格昂贵、资源稀少的烧结青铜含油轴承，其中尤以前苏联和日本最为重视铁基烧结含油轴承的研究与开发。现在，在日本生产的烧结含油轴承，就材质而言，按质量比，铁基含油轴承约占65%，铜基含油轴承约占35%。2000年日本烧结含油轴承的产量约为9000t，按数量，一年约生产10亿只含油轴承。平均每个日本人身边的机器中装有10只含油轴承。
1949年以前，我国没有粉末冶金工业，更没有烧结含油轴承生产企业。新中国成立后，上海中国纺织机械厂研制开发成功了用空气雾化法生产６６３青铜粉，并以之为原料粉成功地制造出了青铜含油轴承。从此，我国开始大批量生产雾化青铜合金粉和烧结青铜含油轴承，为我国粉末冶金技术的发展做出了重要贡献。流传至今，我国很多粉末冶金生产企业仍在沿用这套工艺生产６６３青铜粉和６６３青铜含油轴承。
1958年，当时笔者在华北无线电器材联合厂(国营718厂)，依据德国与前苏联的有关技术资料，开发成功德国曾用于成功取代滚动轴承的铁基烧结含油轴承。恰逢当时推广“车子化”，滚动轴承奇缺，从而铁基含油轴承的试制成功引起当时中央第一机械工业部领导的重视。随之，在全国大力组织生产和推广应用铁基含油轴承，由于缺少必要的生产技术基础，造成了重大经济损失。之后，经过五年的艰苦奋斗，从研制生产还原铁粉开始，到1963年才因陋就简地建立了几家初具原始生产状态的铁基粉末冶金零件生产企业。经过近44年的发展，2002年我国粉末冶金机械零件产量已达到39025t，其中铁基零件约占89%；烧结含油轴承的产量9907t，其中铁基含油轴承约占80%。
尽管就烧结含油轴承的产量来看，我国基本上与日本相当，但就烧结含油轴承的理论与基础研究、新产品与新材料开发、产品质量水平等技术经济层面而言，我国与工业发达国家，特别是日本有相当大的差距。因此，随着我国市场经济的发展和日益与国际市场接轨，我国生产的烧结含油轴承要想在世界市场中占有一席之地，就必须努力提高产品质量，加快新产品开发速度。为此，必须收集与研究先进工业国家积累的经验、发表的科技资料，才能做到事半功倍。
笔者有幸于2002年1月30日在日本东京会见了日本早稻田大学名誉教授渡边尚先生，在讨论“烧结含油轴承”的发展问题时，渡边教授告诉笔者：“1从材料方面来看，今后‘烧结含油轴承’不会有太大发展了；2润滑剂方面，是一个待开发的领域，而且已有一些成效；3日本今后将无人再研究‘烧结含油轴承’,因为粉末冶金的发展方向已变为结构零件成形技术了”。因此，笔者通过贾成厂教授转告渡边教授，我们打算编写“烧结金属含油轴承”方面的书，希望给予支持。渡边教授慨然将他从事“烧结含油轴承”研究50多年来，已公开发表的与内部的一些主要论文、研究报告都惠赠给了我们。为此，在这部书即将出版之际，对渡边教授50多年来在“烧结含油轴承”的研究、开发中作出的重要贡献和对这本书编写的支持，致以崇高的敬意与感谢!
这部书全面介绍了世界上最新、最全面的“烧结金属含油轴承材料标准”，美国MPIF(金属粉末工业联合会)标准35《粉末冶金自润滑轴承材料标准》(1998年版)，特向惠赠这份标准原版的QMP(加拿大金属粉末公司)致以谢意。
这部书由三部分组成，第一章至第四章为基础理论知识部分；第五章至第十二章为铁基、铜基、铝基烧结含油轴承的生产原理、运转性能及设计应用；第十三章到第十六章讲述了用粉末冶金工艺生产的无油润滑干摩擦轴承与汽车等用的钢背铜铅合金双金属轴承、DU轴承、DX轴承及烧结金属石墨轴承等的生产、性能、设计及应用。
这部书汇集了近50年来关于用粉末冶金技术生产的各种轴承材料的主要研究、开发成果及成功经验，其中许多技术资料在其他地方是难以找到的。
这部书第三章、第七章、第十章及第十二章为贾成厂教授编写，其余部分由笔者编写。全书统一由笔者审定。
这部书既是为粉末冶金工业界所写，也是汽车、音响设备、VTR、家电、微小型电机、精密机械、办公设备、农业机械、纺织机械、食品机械、制药机械等行业必不可少的一部重要技术参考书，更是我国粉末冶金科技工作者必备的一部书。
书中疏漏、不当及错误之处，敬请指正，不胜感激。

韩凤麟2004年4月

本书对50余年来用粉末冶金技术制造的烧结金属含油轴承、无油润滑干摩擦轴承（DU、DC及烧结金属石墨轴承）及汽车用钢烧结铜铅合金双金属轴承等的润滑理论、运转特性、生产原理、材料性能与标准以及设计应用进行了详尽阐述。

第一章绪论1
第一节烧结金属含油轴承在机电工业中的作用1
第二节烧结金属含油轴承的发展历程3
第三节烧结金属含油轴承的生产过程5
第四节烧结金属含油轴承的润滑原理6
一、烧结金属含油轴承的工作原理6
二、含油孔生成机理7
第五节烧结金属含油轴承的特性8
第六节烧结金属含油轴承的材料种类、性能及用途12
一、烧结金属含油轴承材料的种类12
二、烧结金属含油轴承材料的选定13
三、从pv值看烧结金属含油轴承的应用领域13
四、烧结金属含油轴承的应用17
(一)含油轴承的优点17
(二)含油轴承的缺点18
(三)含油轴承的用途18

第二章摩擦、磨损与润滑19
第一节金属的摩擦与磨损19
一、金属的摩擦19
二、金属的磨损20
(一)磨料磨损20
(二)黏着磨损20
(三)腐蚀磨损21
(四)接触疲劳磨损21
第二节关于轴承润滑的基本知识21
一、流体润滑22
二、边界润滑26
(一)润滑油的吸附机理26
(二)边界润滑时摩擦与负荷、速度间的关系27
(三)温度对边界润滑的影响27
(四)耐高压添加剂28
三、固体润滑28
(一)固体润滑的层结构理论29
(二)吸附理论32
(三)温度的影响32
(四)负荷与速度的影响33
(五)石墨与MｏＳ２的寿命33
(六)附着性34

第三章烧结金属含油轴承的润滑理论与运转特性36
第一节烧结金属含油轴承的润滑理论37
一、雷诺方程38
二、雷诺方程的求解38
三、摩擦系数39
第二节烧结金属含油轴承的自润滑机理40
一、多孔性金属轴承的自润滑机理40
二、AДМОщков的自润滑机理41
(一)从孔隙中溢出油的数量41
(二)油膜厚度41
第三节烧结金属含油轴承的运转性能43
一、流体润滑轴承44
(一)关于摩擦系数44
(二)关于温度上升45
(三)关于摩擦系数负荷压力曲线以及温度上升负荷压力曲线45
二、常规轴承47
(一)关于摩擦系数47
(二)关于温度上升49
(三)关于摩擦系数负荷压力曲线以及温度上升负荷压力曲线49
三、烧结金属含油轴承55
(一)摩擦系数55
(二)关于温度上升57
(三)关于摩擦系数负荷压力曲线与温度上升负荷压力曲线57

第四章烧结金属含油轴承用润滑油61
第一节含浸油的润滑作用机理61
一、润滑油中氧化产物的作用61
二、摩擦区的临界温度62
三、润滑油的耐磨性63
第二节润滑油的作用与质量指标65
一、润滑油的质量指标65
(一)黏度65
(二)黏度比65
(三)凝点66
(四)闪点与燃点66
(五)酸值66
(六)残炭66
(七)灰分66
(八)机械杂质66
二、黏度的单位66
(一)动力黏度或绝对黏度66
(二)运动黏度66
三、黏度指数66
第三节烧结金属含油轴承用润滑油67
一、推荐的黏度67
二、润滑油的质量鉴定试验67
(一)在试验台上于ｐｖ＝5025ＭＰａ·ｍ·ｍｉｎ－１运转８ｈ67
(二)耐氧化稳定性试验68
三、润滑油的添加剂69
(一)保护润滑油本身的添加剂69
(二)改善润滑油性能的添加剂69
(三)保护金属表面的添加剂70
四、合成润滑剂70
(一)硅(氧)油70
(二)聚乙二醇70
(三)硅(氧)油聚乙二醇混合流体71
(四)二元酸酯71
(五)多元醇酯71
(六)CHRISTOLUBEPM71
第四节含浸以无机纳米颗粒的烧结金属含油轴承73
一、试验试样的制备73
二、摩擦学性能74
第五节润滑油的含浸方法与补充75
一、润滑油的含浸方法75
二、补充润滑76

第五章烧结Ｆｅ、ＦｅC及Ｆｅ石墨含油轴承78
第一节MPIF标准《粉末冶金自润滑轴承材料标准》（1998年版）简介78
一、范围78
二、注释与推荐的做法78
(一)最小值概念78
(二)牌号选择79
(三)名称79
(四)前缀字符代号80
(五)化学组成80
(六)显微组织81
(七)定义与公式81
第二节烧结Ｆｅ与烧结ＦｅC含油轴承84
第三节烧结Ｆｅ石墨含油轴承87
一、石墨加入量87
二、孔隙度89
三、组织结构90

第六章烧结ＦｅＣｕ、ＦｅＣｕＣ、ＦｅＣｕＰｂ含油轴承93
第一节烧结ＦｅＣｕ系含油轴承的工业标准93
第二节ＦｅＣｕ系烧结含油轴承97
一、根据ＦｅＣｕ平衡图来看ＦｅＣｕ轴承材料的烧结过程97
二、烧结ＦｅＣｕ系含油轴承中孔隙的形成机理101
(一)从粉末压坯到910℃（Ａ３）以下101
(二)在Ａ３点以上和Ｃｕ的熔点(1083℃)以下101
(三)在Cu的熔点（１０８３℃）以上到1150℃101
(四)在最高烧结温度下（1150℃）保温（０～１２０ｍｉｎ）102
第三节烧结ＦｅＣｕ系含油轴承的运转性能103
一、含油轴承运转性能试验机103
二、烧结ＦｅＣｕ系含油轴承的运转性能104
(一)轴承试样的制备104
(二)轴承试样的物理力学性能104
(三)压力与速度对运转性能的影响105
(四)含Ｃｕ量对运转性能的影响106
(五)和烧结青铜含油轴承的性能比较107
第四节烧结ＦｅＣｕＣ含油轴承109
第五节烧结ＦｅＣｕＰｂ含油轴承111
一、烧结ＦｅＣｕＰｂ含油轴承中孔隙的形成机理111
二、烧结ＦｅＣｕＰｂ含油轴承的运转性能112
(一)含油轴承试样的制备与性能112
(二)运转性能试验的条件与方法113
(三)运转性能试验结果113
三、烧结Ｆｅ３ＣｕＰｂ系含油轴承的运转性能和烧结Ｆｅ、烧结
ＦｅＣｕ系及烧结青铜含油轴承的比较115

第七章烧结FeSn与FeSnCu含油轴承117
第一节烧结FeSn含油轴承的制造与性能118
一、添加Ｓｎ粉的粒度与数量118
二、成形条件的影响120
三、烧结条件的影响122
第二节烧结FeSnCu含油轴承的制造与性能125
一、添加粉末的粒度与数量的影响125
二、成形条件的影响129
三、烧结条件的影响131
第三节烧结FeSn与FeSnCu系含油轴承的运转特性134
第四节低温烧结性FeSnCu系压坯的烧结机理138

第八章添加固体润滑剂的Ｆｅ基粉末冶金轴承材料146
第一节添加S、硫化物及硒化物的Ｆｅ基粉末冶金轴承材料146
一、S的加入方法与作用146
二、添加ＺnＳ的铁基烧结减摩材料的性能148
第二节硫化与硼化烧结不锈钢轴承材料153
第三节以Mo合金化和添加氟化物与氯化物的烧结Ｆｅ基轴承材料156
一、烧结ＦｅＣＭｏ轴承材料156
二、含氟化物与氯化物的烧结铁基材料159

第九章烧结青铜系含油轴承162
第一节烧结90Cu10Sn青铜含油轴承162
一、烧结青铜含油轴承在烧结过程中含油孔隙的形成机理164
二、含油孔隙控制对烧结Ｃｕ１０Ｓｎ含油轴承运转性能的影响167
(一)孔隙组织的影响167
(二)透气性的影响170
(三)极限容许ｐｖ值171
第二节烧结90Cu10SnC含油轴承172
一、原料粉末、试样制备及试验结果172
二、石墨粉的种别与添加量对烧结９０Ｃｕ１０ＳｎＣ合金密度的影响175
三、石墨粉的种别与添加量对烧结９０Ｃｕ１０ＳｎＣ合金收缩率的影响176
四、石墨粉的种别与添加量对烧结９０Ｃｕ１０ＳｎＣ合金强度的影响177
五、烧结青铜石墨含油轴承178
第三节烧结铝青铜含油轴承179
第四节复合合金化烧结青铜含油轴承180

第十章低噪声精密烧结金属含油轴承183
第一节运转时烧结金属含油轴承产生噪声的机理及特征183
一、烧结含油轴承产生噪声的特征183
二、滑动噪声的测定装置和测试方法184
第二节影响含油轴承运转时滑动噪声的主要因素185
一、烧结青铜含油轴承的特性对滑动噪声的影响186
(一)透气性与运转时滑动噪声的关系186
(二)轴承滑动面的粗糙度对滑动噪声的影响186
(三)合金组织中的δ相对滑动噪声的影响187
(四)含油量、运转时间与滑动噪声的关系189
二、钢轴的表面硬度和表面粗糙度与滑动噪声的关系191
(一)钢轴的表面硬度与滑动噪声的关系191
(二)钢轴表面粗糙度对滑动噪声的影响191
三、润滑油对运转时含油轴承滑动噪声的影响193
(一)润滑油黏度对滑动噪声的影响193
(二)润滑油种类对滑动噪声的影响194
第三节轴承的运转条件对滑动噪声的影响194
一、压力与滑动噪声的关系194
二、周速与滑动噪声的关系195
三、运转间隙与滑动噪声的关系196
第四节烧结纯铁与烧结青铜含油轴承的滑动噪声的比较197
一、烧结纯铁与烧结青铜含油轴承的滑动噪声的频率分析结果197
二、透气性对烧结纯铁与烧结青铜含油轴承的滑动噪声的影响199
三、含油量对烧结纯铁与烧结青铜含油轴承的滑动噪声的影响200

第十一章高、低速旋转用烧结金属含油轴承202
第一节关于低负荷、高转速条件下润滑状态的研究203
一、高速旋转轴承试验机203
二、在低负荷、高速旋转领域烧结含油轴承润滑的特点203
第二节烧结Cu9SnP系含油轴承的运转性能206
一、试验方法206
二、烧结温度对烧结Cu9SnP系含油轴承性能的影响206
三、烧结Cu9Sn04P含油轴承的运转性能208
第三节电动吸尘器等用高速旋转烧结含油轴承209
一、烧结ＣｕＳｎＰＭｏＳ２系含油轴承的制作过程与性能210
二、烧结Ｃｕ9Ｓｎ04Ｐ3ＭｏＳ２05C含油轴承的运转性能212
(一)启动时与干摩擦条件下的运转性能213
(二)在高速旋转下间歇运转时烧结含油轴承的运转性能213
三、烧结Ｃｕ9Ｓｎ04Ｐ3ＭｏＳ２05C含油轴承的应用215
第四节VTR等低速用烧结含油轴承216
一、KMS系列烧结含油轴承的开发216
二、超长寿命烧结含油轴承219

第十二章Al基烧结含油轴承221
第一节烧结AlCu系含油轴承221
一、如何去除或破坏Al粉颗粒表面的Ａｌ２Ｏ３薄膜221
(一)机械破碎法222
(二)化学处理法222
(三)Al粉粒度对烧结体性能的影响222
二、成分对烧结ＡｌＣｕ系含油轴承性能的影响223
三、烧结ＡｌＣｕ系含油轴承的运转性能225
四、烧结Ａｌ10Ｃｕ含油轴承的音响性能226
第二节烧结ＡｌＣｕ含油轴承合金的烧结过程228
一、烧结过程中尺寸的变化228
二、烧结系含油轴承中含油孔隙的形成机理229
第三节添加剂对烧结AlCu系含油轴承性能的影响230
一、各种添加剂对烧结ＡｌＣｕ系含油轴承性能的影响230
二、添加Ｓｉ与Ｍｇ对烧结ＡｌＣｕ系含油轴承尺寸变化的影响231
三、熔渗以ＰｂＳｎ合金的烧结ＡｌＣｕ系含油轴承233
第四节钢铝铅合金复合轴承材料234
一、钢铝铅合金的制造方法234
二、铝铅合金的成分和特性235
三、铝铅轴承与铝锡轴承的性能比较236
(一)负荷能力高236
(二)耐磨性高236
(三)抗咬合性好236
第五节Ａｌ基与青铜基烧结含油轴承的性能比较237
一、Ａｌ基与青铜基烧结含油轴承的性能比较237
(一)烧结Ａｌ基含油轴承温升小237
(二)烧结Ａｌ基含油轴承磨合性好237
(三)耐蚀性好237
(四)质量轻238
二、Ａｌ基烧结含油轴承的主要特点238

第十三章烧结金属含油轴承设计239
第一节烧结金属含油轴承的特点、性能及应用239
一、烧结金属含油轴承的特点239
(一)润滑的特点239
(二)功能特点239
二、含油轴承的工作原理239
(一)静止状态240
(二)运转状态240
(三)泵作用机理240
三、含油轴承的材料与性能241
(一)烧结金属含油轴承材料的选定241
(二)物理力学性能243
(三)轴承性能245
四、烧结金属含油轴承的应用248
(一)含油轴承的优点248
(二)含油轴承的缺点248
(三)含油轴承的用途249
第二节烧结金属含油轴承设计249
一、形状与尺寸的确定250
(一)形状的确定250
(二)尺寸决定与ｐｖ值设定254
二、组装方法254
(一)组装方法254
(二)轴承尺寸设计方法256
三、补加油机构与润滑油257
(一)补加油机构设计257
(二)润滑油选择257
四、尺寸精度与公差的确定260
(一)含油轴承的尺寸公差与尺寸容许差260
(二)轴承间隙261
五、美国MPIF标准35《粉末冶金自润滑轴承标准》(1998版)263
(一)压配合264
(二)运转间隙264
(三)套筒状轴承的尺寸公差264

第十四章烧结金属石墨轴承266
第一节烧结金属石墨轴承的种类与生产266
一、金属石墨材料的类别与应用266
二、金属石墨材料的制造方法268
(一)热压法268
(二)二次压制烧结法269
(三)钢金属石墨复合材料制造法269
三、金属石墨材料的性能270
第二节烧结金属石墨轴承设计273
一、德国Ｄｅｖａ　Ｗｅｒｋｅ的烧结金属石墨轴承材料273
(一)D类材料273
(二)T类材料274
(三)BB类材料274
(四)Ｄｅｖａ塑料材料275
二、金属石墨轴承设计275
(一)与润滑条件无关的轴承设计事项276
(二)用于完全干摩擦或仅只组装时涂以油脂的金属石墨轴承设计时
应注意的事项277
(三)设计用油脂或低黏性流体润滑的金属石墨轴承时应注意的事项278
(四)组装方法278
(五)防止金属石墨轴承转动279

第十五章内燃机用钢烧结铜合金双金属轴承材料280
第一节钢烧结铜镍合金巴氏合金复合轴承材料281
第二节钢烧结铜铅合金双金属轴承材料282
一、铜铅合金与铅青铜282
二、钢烧结铜铅合金双金属轴承材料的生产283
(一)粉末冶金的优越性283
(二)生产过程284
三、组成、性能及应用285
第三节钢背铜铅合金双金属轴承设计290
一、材料选择290
二、卷制衬套设计292
(一)尺寸设计292
(二)接缝298
(三)油孔、油沟、油窝299
(四)表面粗糙度与硬度302
(五)工作间隙304
三、双金属衬套设计实例304
(一)活塞销衬套304
(二)下部支重轮衬套304

第十六章干摩擦轴承307
第一节DU轴承的生产过程与性能307
一、DU轴承材料的生产过程307
二、DU轴承材料的性能308
第二节DU干摩擦轴承设计311
一、设计DU轴承时需考虑的几个因素311
(一)比压极限311
(二)ｐｖ值311
(三)润滑油或液体313
(四)DU轴承不宜用的场合314
(五)DU轴承的适用领域314
二、DU轴承的尺寸计算314
三、设计与加工DU轴承时的注意事项314
四、DU轴承的装配316
(一)DU轴承316
(二)带凸缘的DU轴承317
(三)止推垫圈的装配317
五、DU滑板的使用方法317
六、制造与使用DU轴承时的技术安全318
(一)制造方面318
(二)食品、饮料及其他食品的铅污染318
第三节DX轴承318
一、制造工艺319
二、DX轴承的性能319
主要参考文献322