燒結含油軸承的金屬結構中含有眾多的相互連通的開孔。軸承中的孔隙容積約為 10 %～ 4 0 %。這個孔隙容積可用來貯存流體潤滑劑 ，流體潤滑劑是在軸承的制造過程中含浸于其中的。在大多數(shù)應用中 ，是由軸承自身含的潤滑劑進行潤滑的。這份報告介紹了燒結含油軸承的概況和著者在燒結含油軸承方面近 5 0年的研究經歷 ，并對燒結含油軸承的改進提出了一些建議。
關鍵詞：粉末冶金；燒結制品；燒結含油軸承；多孔性燒結軸承
1緒言
積極利用燒結體的多孔性，使之含浸10%～40%(體積分數(shù))潤滑油，于自行供油狀態(tài)下使用的滑動軸承叫做燒結含油軸承。這種軸承發(fā)明于20世紀初，以后逐漸得到了廣泛應用，現(xiàn)在已成為汽車、家電、音響設備、辦公設備、農業(yè)機械、精密機械等各種工業(yè)制品發(fā)展不可或缺的一類基礎零件。
著者從事這種燒結含油軸承的研究約50年，依據(jù)個人見解，首先介紹燒結含油軸承概要。在敘述關于著者的研究經歷之后，就改進這種軸承的性能提出了一些建議。
2燒結含油軸承概要
以金屬粉末為主要原料，用粉末冶金法制作的燒結體，其本來就是多孔質的，而且具有在制造過程中可較自由調節(jié)孔隙的數(shù)量、大小、形狀及分布等技術上的優(yōu)點。因此，燒結含油軸承必定會得到廣泛應用。圖1示燒結青銅含油軸承的孔隙結構例[1]。
燒結含油軸承雖出現(xiàn)于開創(chuàng)近代粉末冶金的19世紀末，其實用化卻是在1916年前后，由美國的Ｅ.g.gｉｌｓｏｎ實現(xiàn)的。之后，在20世紀30年代以工業(yè)制品的形態(tài)進行了調整，其時正值美國汽車工業(yè)發(fā)展期[2]。
在日本，1934年松川達夫博士也進行過研究，還少量地進行過生產。但正式開始生產卻是在太平洋戰(zhàn)爭結束后的1950年之后[3]。
圖2示日本的燒結含油軸承的生產實績[4]。起初，1951年度的銅基含油軸承的年產量只有約22ｔ。之后不久，開始生產鐵基含油軸承。1960年，年產量急劇增加到了約1024ｔ，支持了當時的家電制品與隨后的汽車及電子機器等產業(yè)的發(fā)展。1990年度，燒結含油軸承的年產量達到了約9032ｔ。
現(xiàn)在，燒結含油軸承的材質(按重量比)，鐵基的約占65%，銅基的約占35%，鋁基及其它材質的極少。依據(jù)用途(按重量比)，以汽車為主體的運輸機械用約占41%，以家電制品為主體的電氣機械用約占33%，以辦公機械為主體的產業(yè)機械用約占21%，照相機、計量儀表等及其它用約占5%[5]。
其次，關于年產值。原料粉價格約為銅基含油軸承1/5的鐵基含油軸承的產量(按重量)所占比例在增大，同時要求燒結制品整體的價格在降低，但如圖2所示，產品合計產值的增長率與產品重量的增長率相比，每年卻都在增大。這是由于含油軸承小型化，附加值增高所致。也就是說，燒結含油軸以前單件重量平均為5g以上，近年來，由于重約0.2g的微型馬達用軸承的需要量增多，平均單件重量減小到1g以下。也就是說，現(xiàn)在燒結含油軸承大體上一年約生產10億個，組裝在我們身邊的機器中，平均每人約使用10個燒結含油軸承。
1990年度以來，由于日本系粉末冶金企業(yè)外遷亞洲各國與美國等，日本國內的生產實績趨于減少。1995年度的燒結含油軸承年產量為7504ｔ，比1990年度約減少了1500ｔ�？墒�，不要忽略了這些日本系粉末冶金企業(yè)的外遷企業(yè)仍保持有1800ｔ的年產量[6]，這遠遠大于減少的量。這一兩年，日本國內燒結含油軸承的生產實績支持了與信息技術(ＩＴ)關聯(lián)的機器和電子機器的順利生產，其生產已出現(xiàn)恢復的傾向。因此可以說，日本的燒結含油軸承生產處于正常狀態(tài)。
3關于著者對燒結含油軸承研究的經歷
3.1關于制造的研究
在著者對粉末冶金諸項進行研究的約50年中，關于對燒結含油軸承研究的經歷，如圖3所示。這些研究起始于1952年著者赴任通商產業(yè)省工業(yè)技術院名古屋工業(yè)試驗所(現(xiàn)在是獨立行政法人產業(yè)技術總合研究所中部中心)。如2中所述，當時日本的燒結含油軸承只有銅基的，年產量22ｔ左右，而其質量、性能和當時進口的美國產品相比，差距也都相當大。在這種情況下，這項研究的主要目的是確立我國(日本)燒結青銅含油軸承的制造基準[7]。
一般用粉末冶金法制作的燒結體，孔隙度增加常伴隨著材料強度下降。因此，在制作燒結含油軸承時，依據(jù)使用的目的，應該使該燒結體具有怎樣的孔隙度與材料強度?換言之，作為基準，應如何兼顧二者?燒結含油軸承終歸是一種機械零件，因此，必須具備相應的材料強度。然而，這種功能特征是靠自供油的潤滑作用才得以發(fā)揮作用的。因此，必須優(yōu)先使產生自潤滑作用的孔隙處于良好狀態(tài)。著者認為，就燒結含油軸承的制造技術而言，首先應控制孔隙。
原料粉經壓制成形、燒結等制造過程制成的燒結體，其孔隙必定是殘留于粉末顆粒間的縫隙，因此，要想使燒結含油軸承中的孔隙成為適用的含油孔隙，還必須借助主原料粉的粒徑、顆粒形狀或成形壓力等來調整粉末顆粒間產生的縫隙形態(tài)，又要有適當?shù)臒Y條件，盡量保持其縫隙形態(tài)。但是，一般充填粒徑相等的球狀粉末時，其縫隙大小最大不會超過粒徑的15%～40%[8]。因此，只采用上述手段，特別是，使孔隙在粗大側進行改變相當困難。再者，例如，對于燒結金屬過濾器等高多孔質燒結體，都是采取預先在原料粉中添加重碳酸銨、氫氧化亞鐵或萘等增孔劑的特殊手段制作的[9]。但是，這些增孔劑都易分解或氣化，在生產管理上容易產生麻煩。這就是為什么期望有適當?shù)摹翱刂瓶紫兜氖侄巍钡睦碛伞?
1952年，著者研究燒結青銅含油軸承的制造時，在探討Ｃｕ 10%Ｓｎ混合粉壓坯的燒結過程中，發(fā)現(xiàn)在錫粉的熔點232℃附近，精確地說，是在Ｓｎ-0 7%Ｃｕ共晶點227℃，錫熔化，流出到銅粉顆粒間的縫隙中，從而在錫粉顆粒原位就形成了粗大孔隙[10]�？傊�，利用這種現(xiàn)象，可使僅只由粉末顆粒縫隙構成的微細孔隙結構變?yōu)楹幸罁?jù)錫粉粒徑形成的粗大孔隙的混合孔隙結構，從而使對含油軸承孔隙結構的控制成為可能。另外，流向銅粉顆粒間縫隙的錫一側的熔融共晶合金，隨著燒結溫度上升，一面反復地和周圍的銅粉進行合金反應與生成液相，一面形成堅固的α青銅合金燒結骨架。著者將上述的Ｃｕ-Ｓｎ混合粉壓坯在燒結過程中發(fā)生的，以錫粉為中心形成粗大孔隙的現(xiàn)象，稱為錫粉“流出孔形成現(xiàn)象”(ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｍｅｌｔ ｏｆｆｐｏｒｅｓ)[10]。
一般說來，這種流出孔形成現(xiàn)象起因于低熔點副成分粉的熔化，在Ｃｕ-Ｓｎ系以外的合金系統(tǒng)中，的確也存在這種現(xiàn)象。例如，在Ｃｕ-Ｐｂ、Ｆｅ-Ｓｎ、Ｆｅ-Ａg、Ｆｅ-Ｃｕ以及Ｎｉ-Ｃｕ等系統(tǒng)中也都可觀察到這種現(xiàn)象[11]。另外，即使是在副成分粉的熔點比主成分粉高的情況下，在兩種粉末之間，也可能形成比主成分粉熔點低的共晶合金，例如，在Ａｌ-Ｃｕ系統(tǒng)，也能觀察到這種流出孔形成現(xiàn)象[12]。圖4示Ｆｅ-Ｃｕ混合粉壓坯內銅粉流出孔形成現(xiàn)象例[12]。
關于著者的研究經歷，從1952年起在名古屋工業(yè)技術試驗所工作約10年，其間進行了關于青銅[10，11，13]、Ｆｅ-Ｃｕ[11，14～17]的研究。從1961年轉移到早稻田大學工作后，進行了關于Ａｌ-Ｃｕ的研究[12，18]等，主要是關于利用上述流出孔形成現(xiàn)象的燒結含油軸承方面的研究。
其次，從1965年開始，以磁帶錄音機等音響機器用的軸承為對象，研究低噪音青銅含油軸承[19～22]。特別是，為了減小運轉時旋轉軸的滑動噪音，例如，索性使在均一的α青銅合金基體上分散以微細孔隙，和將孔隙度降低到10%界限附近，從而制成了一種特殊的燒結含油軸承。總之，這種低噪音青銅軸承，和以能承受苛酷條件的、高孔隙度、高強度、長壽命的多用途軸承為目標的常用的燒結含油軸承相反，其使用條件較輕，好在依靠使滑動面的潤滑油不枯竭，保持穩(wěn)定的“流體潤滑”摩擦，就能使之保持低噪音狀態(tài)。也就是說，要犧牲一些從軸承體內的含油孔的供油作用，優(yōu)先防止油膜壓力由滑動面經孔隙向軸承內泄漏。換言之，即使是使燒結含油軸承的孔隙結構有所惡化，也要制作出新的適合于重點用途的特殊燒結含油軸承[23]。以后，這種軸承不僅用于音響設備，還廣泛用于了其后急速發(fā)展的同時記錄圖象-聲音的磁帶錄象機(ＶＴＲ)，可以說，這是日本獨自取得的進展。
從1974年開始研究Ｆｅ-Ｐｂ-Ｃｕ燒結含油軸承[24～26]。探討了將金屬鉛與作為固態(tài)潤滑劑的石墨、二硫化鉬等共同添加的效果。從1979年開始研究Ｆｅ-Ｓｎ-Ｃｕ燒結含油軸承[27～29]，主要探討了添加錫與銅作為鐵粉的燒結促進劑的效果。由于Ｆｅ-Ｓｎ-Ｃｕ合金和青銅燒結體一樣可進行低溫燒結，從而具有節(jié)能的效果。
3.2關于運轉性能的基礎研究
從1981年到1995年退休，著者對運轉性能進行了基礎研究。為了說明燒結含油軸承的本質，著者又從頭開始進行了以運轉性能為中心的試驗。
在3.1中敘述的著者對燒結含油軸承制造的各項研究中，為了制造，在進行冶金學研究的同時，往往還對這些軸承的運轉性能進行了評價。關于評價運轉性能的手段，因使用目的不同雖有多種多樣，但基本上都是采用摩擦系數(shù)與溫度上升值。盡量使它們的值低與穩(wěn)定。
圖5示在著者的各項研究中，以各合金系的典型燒結含油軸承試驗件為對象，在運轉穩(wěn)定期間，摩擦系數(shù)與溫度上升值和負載壓力的關系曲線圖[1，30]。一般說來，和常時供油的一般致密青銅軸承相比，特別是在高負載壓力下，任一種燒結含油軸承的摩擦系數(shù)與溫度上升值都趨向于一起增大。可是這種增大的傾向，因燒結含油軸承的材質而有種種差異。
關于“滑動軸承”的摩擦，一般說來，當滑動面上潤滑油充分時，為穩(wěn)定的“流體潤滑”摩擦;當滑動面上的潤滑油枯竭，僅只有極薄的油膜存在時，則產生不穩(wěn)定的“邊界潤滑”摩擦;當滑動面上的油膜消失時，軸與軸承材料之間會反復發(fā)生粘附-剪斷，即所謂的“固體接觸”摩擦。在常時供油狀態(tài)的一般致密軸承，如圖6所示，因軸的旋轉和基于泵唧作用，潤滑油從油杯進行供油。由于供油稍微滯后，因此，一面在間隙上部產生空洞，一面對滑動面供油�？吭诨瑒用娈a生的油壓，使承受負載的回轉軸上浮，以保持流體潤滑�？墒�，由于部分油壓經軸承端面的間隙泄漏，負載愈大，軸與軸承就接近，因此，在部分滑動面上會變?yōu)檫吔鐫櫥�，進而在有些滑動面上會產生固體接觸摩擦，致使摩擦系數(shù)與溫度上升值增大。常時供油的一般致密軸承和各種燒結含油軸承相比，如圖5所示，其摩擦系數(shù)與溫度上升值一般說來都保持在低值水平�？墒�，當大于某一負載壓力時，隨著負載壓力增高略有增大的傾向，這是油壓泄漏所致。
在含油軸承的情況下，如圖7所示，由于軸承體上部的含油孔變成了貯油器，因此，和常時供油的一般致密軸承相比，供油顯得更加不足，間隙內的空 洞雖有進一步增大的傾向，但在滑動面上仍會同樣地產生油壓�？墒牵鸵话阒旅茌S承一樣，經軸承端面的間隙產生油壓泄漏外，通過軸承體內下部的多孔質也會產生油壓泄漏，所以，滑動面的油壓將進一步減低。因此，軸與軸承就更接近，甚至在低負載壓力下，也易產生邊界潤滑和固體接觸摩擦，摩擦系數(shù)與溫度上升值的水平就更易于增高。特別是由于固體接觸摩擦取決于遠比鋼軸軟的軸承材質的抗剪強度與硬度等[31]，因此，受軸承材質的影響，在高負載壓力下，各種燒結含油軸承的摩擦系數(shù)與溫度上升值不但高，而且變化大。這就是說，對于燒結含油軸承的運轉性能，不是僅有左右滑動面油膜狀態(tài)的孔隙結構，軸承材質對之也有很大影響。
4關于改進燒結含油軸承運轉性能的建議
基于上述，茲就改進燒結含油軸承運轉性能的途徑建議如下。
4.1關于控制軸承材料的孔隙組織
對于燒結含油軸承，首先應考慮的手段是，防止滑動面經由多孔質軸承體產生油壓泄漏，使滑動面盡量處于接近常時供油的一般致密軸承的流體潤滑的穩(wěn)定摩擦狀態(tài)。附帶說明，流體潤滑的摩擦系數(shù)，理論上和潤滑油的粘性與滑動速度成正比，和軸徑與軸承內徑之差的1/2(即間隙)與負載壓力成反比，隨著負載壓力增高從無限大變?yōu)闊o限小�？墒牵ǔ崪y值在0.01～0.1的范圍[32]。
表示多孔質孔隙狀態(tài)的參數(shù)之一是“透氣性”，在理論上，“透氣性”和孔隙度與平均孔徑的平方成正比[33]。一般地，成形壓力愈低孔隙度愈高，原料粉顆粒徑愈大，孔徑就愈大�！巴笟庑浴贝蟮暮洼S承雖然供油能力好，但滑動面的油壓泄漏也增大。因此，為了保持流體潤滑，就必須減小“透氣性”。增高成形壓力雖可減低孔隙度，但含油軸承的含油量減少，這可能導致供油不足，使運轉變得難以進行。另外一條途徑是采用非常細的原料粉，以減小平均孔徑和細化燒結體的孔隙結構，這不會降低含油軸承的含油量，但可減小“透氣性”，應該能獲得易保持流體潤滑的軸承材料。
但是，現(xiàn)在，原料粉的微細化不但在制造與處理上受到限制，價格上也有問題。因此，在3.1中介紹的無噪音燒結含油軸承僅只在某種程度上采用了微粒原料粉。一般地，依據(jù)經驗，孔隙度最好不低于18%，由于增大成形壓力，不得不將孔隙度減低到12%左右[20，34]。這只能期待今后的進展了。
4.2關于控制軸承材料的合金組織
如3.2中所述，若含油軸承本質上難以避免邊界潤滑與固體接觸摩擦，就需要考慮減小邊界潤滑與固體接觸的摩擦系數(shù)值的有效途徑。
首先，如3.2中所述，邊界潤滑摩擦是潤滑油開始枯竭時，軸與軸承隔著滑動面上極薄的油膜發(fā)生的摩擦，其摩擦系數(shù)值是薄油膜的抗剪強度值，它一般地比金屬的抗剪強度小一個數(shù)量級，在理論上，以其抗剪強度除以軸承材料基體的硬度來表示。通常，其實測值在0.012～0.024范圍之內[35]。其次，關于固體接觸摩擦，如3.2中所述，在軸與軸承間反復進行粘附與剪切時，其摩擦系數(shù)值在理論上可用軸承材料的抗剪強度除以基體硬度來表示，通常，其實測值相當高，為0.25～0.35[31]。
因此，作為減小這些摩擦系數(shù)的途徑，應該注意摩擦系數(shù)值特別高的固體接觸摩擦，選用抗剪強度低，而且不傷鋼軸的硬度高的軸承材料，可以達到此目的。關于選擇軸承材料有各種見解，諸如，在鐵基合金之類硬質基體上分散以剪切強度低的較軟的銅基合金，用具有這種復合組織的多孔質燒結材料作為軸承材料時，雖然，可以說是易增加產生固體接觸摩擦的燒結含油軸承，但其摩擦系數(shù)值都減小了，軸承的平均摩擦系數(shù)也減小了，從而，和摩擦系數(shù)成比例的溫度上升值也具有低的值。在著者對Ｆｅ-Ｃｕ燒結含油軸承的研究中，用銅粉配合量為13%～25%(質量分數(shù))的，超過銅在γ Ｆｅ中的固溶度約9%的軸承試樣確認了這種效果。[16，17]
4.3關于添加固體潤滑劑
像燒結摩擦材料與燒結集電材料一樣，對于在金屬間產生摩擦有燒接之虞的場合，都積極利用了石墨、二硫化鉬或金屬鉛等固態(tài)潤滑劑。對于燒結含油軸承，若將這些固態(tài)潤滑劑分散于燒結體內，即使在滑動面油膜破壞的苛酷條件下，由于它們介在于滑動面之間，應能相當?shù)鼐徍弯撦S與軸承材料的固體接觸摩擦。這個方法很早就已被廣為采用。
例如對于彌散有石墨粉的青銅軸承，利用和3.2與4.2中敘述的邊界摩擦、固體摩擦情況相同的想法來求石墨部分的摩擦系數(shù)時，可用石墨的抗剪強度除以青銅基體的硬度來表示。石墨的抗剪強度大體上為青銅的1/2[36]，所以，其摩擦系數(shù)比邊界潤滑的摩擦系數(shù)高，但是固體接觸摩擦系數(shù)的1/2左右，實測值為0.16[37]。因此，添加石墨與鉛的青銅-石墨與Ｆｅ-Ｃｕ-Ｐｂ燒結含油軸承，如圖5所示，在高負載壓力下，其摩擦系數(shù)與溫度上升值都增高不大。
但是，將固態(tài)潤滑劑彌散于軸承壓坯內時，在壓坯的燒結過程中，會產生阻礙燒結的現(xiàn)象，致使燒結體的強度相當?shù)�。另外，在運轉中，在滑動面磨耗的固態(tài)潤滑材料會使?jié)櫥突鞚�，增大潤滑油的粘性。在低負載壓力下，這可能反而會產生增高流體潤滑的摩擦系數(shù)等副作用。因此，對固態(tài)潤滑劑粉的粒度與配合量必須充分注意。
4.4關于潤滑油的油性
一般說來，在受流體潤滑摩擦支配的，常時供油的一般致密軸承，其摩擦系數(shù)取決于潤滑油的粘性，可根據(jù)粘性-溫度曲線來選擇潤滑油。然而，如上所述，在燒結含油軸承，由于處于不穩(wěn)定的邊界潤滑與易于發(fā)生固體接觸摩擦的狀態(tài)，即使如此，也僅只是摩擦系數(shù)較小的邊界潤滑摩擦，難以變?yōu)槟Σ料禂?shù)相當大的固體接觸摩擦�？傊�，希望使用油性高的潤滑油。為了增高潤滑劑的油性，一般都添加具有易與金屬化學結合的極性的高脂肪酸，諸如硬脂酸與油酸等油性促進劑。關于這些，當前正展顯出大的進展[37]。因此，對于含油軸承，關于提高潤滑油的油性，重新進行系統(tǒng)的研究是必要的。
5結束語
總之，燒結含油軸承由于是多孔質的，自身含有油和具備供油能力，因此，具有不從外部供油可以使用的優(yōu)點。另一方面，由于其是多孔質的，在運轉時，難以保持穩(wěn)定的流體潤滑摩擦。因此，與常時供油的一般致密軸承相比，具有摩擦系數(shù)與溫度上升值水平高的特性。所以，應在充分理解這類燒結含油軸承的優(yōu)、缺點后，立足廣闊視野，致力于其制造與使用的開發(fā)。
這篇論文的內容難免有不明白之處，但著者年事已高，倍感責任重大，還是“不自量力”地介紹了窺視的燒結含油軸承的“真面目”。這個“真面目”也有可能轉眼就化為“枯芒”。無論如何，若這篇論文對今后燒結含油軸承的研究、開發(fā)，能起到一些作用的話，則幸甚。
最后，對支持本項研究完成的學術界、產業(yè)界各位深致謝忱
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