HZ-800 バイメタル複合ベアリング: 特性、荷重、摩耗データ

HZ-800 バイメタル複合ベアリングは、裏打ちされた焼結青銅合金であり、鋳造ソリッドブッシュではありません。

の HZ-800 バイメタル複合ベアリング は、特定の青銅合金粉末を低炭素鋼の裏当てストリップ上に直接焼結し、複合材料を圧延および機械加工して完成した軸受の形状にすることによって構築された、精密に設計された滑り軸受です。スチール製の裏打ちにより、ハウジングの穴への圧入を維持するための機械的強度と寸法安定性が提供されます。 焼結青銅層（通常、標準 HZ-800 壁上の公称厚さ 0.25 ～ 0.40 ミリメートルの CuSn10Pb10 合金）が、実際の支持面として機能します。 。焼結青銅層の気孔率は体積で 15% ～ 25% に意図的に制御されており、潤滑剤の貯蔵庫として機能します。製造時に軸受に油が含浸されると、相互につながった細孔ネットワークに潤滑剤が蓄えられ、動作中の熱膨張と毛細管現象によって軸受表面に引き付けられ、自己潤滑効果が得られ、多くの用途で外部からの再グリース補給の必要性が軽減または排除されます。 HZ-800 という名称自体は、特定の合金配合と製造プロセスのパラメータを指しており、裏打ち鋼が壁全体の厚さの約 70% ～ 80% を占め、青銅層が残りを占めています。この構造は、壁全体に同じ材料が使用され、スチールの構造的剛性と制御された多孔度の潤滑剤リザーバーの両方が欠けている固体青銅製ブッシュとは根本的に異なります。

材料組成と界面の金属結合

の HZ-800 bearing achieves its performance through a specific material system. The steel backing is typically a SAE 1010 または同等の低炭素鋼。成形性と焼結中に青銅粉末と拡散結合を形成する能力を考慮して選択されます。 。青銅合金粉末は、通常 45 ～ 150 ミクロンの範囲の粒径分布を持つ球形または不規則な粉末であり、制御された層で鋼ストリップ上に広げられ、還元雰囲気下で摂氏約 800 ～ 850 度の温度で焼結炉を通過します。この温度では、銅と錫の粒子が部分的に溶けて相互に、また鋼基材に融合し、ベアリングがハウジングに押し込まれたときや変動荷重にさらされたときに発生するせん断応力下でも層間剥離に耐える冶金的結合が形成されます。青銅合金自体には、通常次の成分が含まれています。 重量比で錫 10%、鉛 10% - 銅マトリックス中の錫溶質による強度と、構造全体に分散された個別の鉛粒子による埋め込み性の組み合わせを提供します。リード相は重要な機能を果たします。つまり、シャフト ジャーナルに傷を付けるのではなく、硬い汚染粒子がベアリング表面に埋め込まれることを可能にする、柔らかく剪断可能な成分を提供します。この埋め込み可能性は、バイメタル ベアリングが、汚れたまたは汚染された動作環境を伴う用途で転がり要素ベアリングなどのより硬い材料よりも指定される主な理由の 1 つです。

の Sintering Atmosphere and Its Effect on Bond Integrity

の sintering process that bonds the bronze layer to the steel backing must be performed in a 制御された還元雰囲気、通常は窒素と水素の混合物、または露点が摂氏 -40 度未満の分解アンモニア雰囲気 。還元ガスは、焼結中の青銅粉末の酸化を防ぎ、きれいな冶金的結合の形成を妨げる鋼表面上の既存の酸化膜を還元します。製造中に大気露点が仕様値を超えた場合、バイメタル界面の接合強度が大幅に低下し、圧入取り付けの干渉応力を受けるとベアリングが剥離しやすくなります。適切に焼結された HZ-800 ベアリングは、 ISO 4386-2 に従ってテストした場合、80 MPa を超える接着せん断強度 、および破断面は、鋼と青銅の界面での接着破壊ではなく、青銅層内の凝集破壊を示すはずです。

負荷容量と動作範囲を定義する PV 制限

の performance envelope of an HZ-800 bimetal composite bearing is defined primarily by its PV limit—the product of the bearing pressure in MPa and the surface velocity in meters per second at which the bearing can operate continuously without exceeding its thermal and wear limits. Under 境界潤滑条件では、HZ-800 ベアリングは通常 3.0 ～ 3.6 MPa・m/s の PV 制限を示します。 。完全な油膜がベアリングをシャフトから分離する流体力学的条件下では、青銅の表面がシャフトと直接接触しないため、PV 容量が大幅に増加します。青銅層の静的荷重容量は軸受温度に依存します。室温では、CuSn10Pb10 合金は次の圧縮応力に耐えることができます。 大きな塑性変形がなければ 140MPa ですが、この値は 150 ℃では約 90 MPa に低下します。 青銅母材の熱軟化によるものです。耐荷重はベアリングの長さと直径の比の関数でもあります。 L/D 比が 0.5 未満のベアリングは、同じ投影面積で L/D が 1.0 のベアリングと比較して、有効荷重容量が最大 30% 減少するエッジ荷重応力集中を示します。

オイル含浸と自己潤滑機構

の HZ-800 bearing is typically supplied in an oil-impregnated condition. The oil impregnation process involves 完成したベアリングを真空下で摂氏約 60 ～ 80 度に加熱した鉱油に浸漬します。これにより、多孔質青銅構造から空気が排出され、油が相互接続した細孔ネットワークを完全に満たすことができます。 。適切に含浸された HZ-800 ベアリングのオイル含有量は体積で 12% ～ 18% です。動作中、摩擦加熱により細孔内の油が膨張し、油の熱膨張係数（摂氏 1 度あたり約 7 × 10-4）が青銅構造の熱膨張係数を超え、油が細孔の開口部から軸受表面に滲出します。運転が停止してベアリングが冷えると、オイルは収縮し、毛細管現象によって細孔内に引き戻されます。この熱ポンプ機構により、外部からの給油を必要とせずに、軸受界面に潤滑剤が継続的に供給されます。動作温度が高い用途では、標準の鉱油を次の鉱物油で置き換えることができます。 より高い熱安定性限界を持つ合成エステルまたはパーフルオロポリエーテル油 鉱物油が細孔構造内で酸化して炭化する摂氏 200 度を超える温度まで、ベアリングの自己潤滑能力を拡張します。

加工代と圧入後の最終穴寸法

HZ-800 バイメタル複合ベアリングは、通常、準備されたハウジングの穴に圧入しまりを付けて取り付けられ、このしまりによってベアリングの穴が予測可能な量だけ狭くなります。の ボアの閉鎖は直径のしめしろの約 80% ～ 90% です これは、0.050 ミリメートルの締め代でハウジングにベアリングを圧入すると、内径が 0.040 ～ 0.045 ミリメートル減少することを意味します。この閉鎖は、設置時に希望のランニング クリアランスに近づくオーバーサイズのボアを備えたベアリングを指定するか、設置後にベアリングのボアを機械加工して最終的なランニング クリアランスを達成することによって考慮する必要があります。 HZ-800 ベアリングのランニング クリアランスは通常、 精密用途では軸径の0.001～0.0025倍、一般工業用では0.002～0.004倍 。取り付け後にベアリングの穴を機械加工する場合、機械加工代 (除去のために用意される余分な青銅の厚さ) は、ベアリングのサイズに応じて、通常、直径で 0.05 ～ 0.15 ミリメートルです。機械加工は、青銅の表面を汚したり、自己潤滑機能に不可欠な細孔を塞がないように、ノーズ半径が少なくとも 0.4 ミリメートルの鋭利な一点工具を使用して実行する必要があります。最終的なサイジングにはボーリングよりもリーマ加工が推奨されます。これは、リーマを使用すると細孔の開口性を維持する表面仕上げができるのに対し、磨耗したボーリング工具や鈍いボーリング工具を使用すると、ブロンズが汚れて細孔の開口部が塞がれる可能性があるためです。

ハウジングの穴の公差と真円度の要件

の housing bore into which the HZ-800 bearing is pressed must meet specific tolerance and roundness requirements to ensure uniform interference around the bearing circumference. The housing bore tolerance for a typical HZ-800 bearing installation is ISO 286 による H7、外径 50 ミリメートルまでのベアリングの真円度偏差が 0.01 ミリメートルを超えない 。ハウジングのボアが真円ではない場合、圧入干渉がハウジングの高い箇所に集中し、それに対応してベアリングのボアに高い箇所が生じ、ランニング クリアランスが局所的に減少し、初期動作中にベアリングとシャフトの間に金属間の接触が発生する可能性があります。この接触は、たとえ短時間であっても、ベアリング表面を汚し、ベアリングの残りの耐用年数にわたって油膜形成能力を損なう可能性があります。ハウジングのボア表面の仕上げは Ra 1.6 ～ 3.2 ミクロンである必要があります。これは、振動下でベアリングがハウジングから外れるほど滑らかではなく、安定したサポートを提供できる程度に十分に滑らかである必要があります。

シャフト要件と相手面材質の組み合わせ

の shaft running in an HZ-800 bimetal composite bearing must meet specific hardness, surface finish, and material requirements to achieve the bearing's design life. The shaft journal should have a 研磨剤による汚染のある用途の場合は最小表面硬度 55 HRC、清浄な潤滑状態の場合は 45 HRC ;柔らかいシャフトは、特に油膜が完全に確立されていない始動停止動作中に、鉛青銅のベアリング表面によって傷がつきます。シャフトの表面仕上げは次のとおりです。 Ra0.2～0.4ミクロン 軸受面自体よりも細かく、シャフトの凹凸が柔らかい青銅で切削工具として機能するのを防ぎます。 CuSn10Pb10 ブロンズとのシャフト材料の組み合わせは、高周波焼入れ 1045、肌焼 8620、窒化 4140 など、ほとんどの鋼に適しています。ステンレス鋼シャフトには注意が必要です。ステンレス鋼上の酸化クロム不動態層は、青銅に対して境界潤滑挙動が劣るため、HZ-800 ベアリングに使用するステンレスシャフトは、硬質クロムメッキするか、プラズマ窒化などの表面処理を受ける必要があります。トライボロジー適合性を向上させるため。シャフトの導入面取りも重要です。 15～20度の面取り、表面研磨仕上げ これにより、組み立て中に鋭いシャフトのエッジがベアリングの穴から青銅の材料を削り取り、金属の破片がベアリングの走行クリアランスに直接入るのを防ぎます。

摩耗特性と軸受の寿命の 3 段階

の wear behavior of an HZ-800 bearing follows a predictable three-stage pattern that can be monitored to schedule bearing replacement before catastrophic failure occurs. The 初期の慣らし段階 この問題は、操作の最初の数時間以内に発生し、ベアリング表面から最も高い凹凸を除去し、シャフトとの等角接触形状を確立することを伴います。この段階では、5 ～ 15 ミクロンの測定可能な摩耗深さは正常であり、予想されており、接触面積が増加するにつれて摩耗率は急速に減少します。の 定常状態の摩耗段階 低い一定の摩耗率 (PV 制限内の十分な潤滑条件下での動作 100 時間あたり通常 0.1 ～ 0.5 ミクロン) が特徴であり、ベアリングの有効耐用年数を表します。の 加速摩耗段階 この問題は、青銅の支持層が鋼の裏材まで磨耗したとき、または多孔質構造内の油貯留層が表面に潤滑剤を供給する能力を超えて枯渇したときに始まります。この時点で、摩耗率は 10 倍以上増加し、スチール製の裏当てがシャフト ジャーナルを直接摩耗し始めます。適切な潤滑を使用して適切に設計されたアプリケーションでは、HZ-800 ベアリングの耐用年数は 5,000～20,000時間 摩耗が加速する前に、その範囲は PV 負荷、動作環境の清浄度、および潤滑剤供給システムの有効性によって決まります。

故障診断と凝着摩耗と摩耗摩耗の区別

HZ-800 ベアリングを検査のために使用から外すと、ベアリング表面の摩耗パターンから、ベアリングが寿命に達する原因となった動作条件に関する診断情報が得られます。 付着摩耗 汚れた青銅、軸受材料のシャフトへの転写、引き裂かれた粗い軸受表面のように見えます。これは油膜が壊れて金属同士が接触したことを示しており、根本的な原因は通常、過負荷、不十分なクリアランス、または潤滑油の枯渇です。 摩耗 シャフト表面の仕上げ方向と一致する鋭いエッジの溝を備えた軸受表面の円周方向の刻みとして現れます。これは、潤滑剤またはシャフト表面上の硬い粒子の汚染を示します。 疲労摩耗 これは、青銅層の孔食、剥離、または表面接続亀裂として現れ、繰り返し荷重が青銅合金の疲労限界を超えたことを示します。疲労は、設計寿命の間正しく動作し、青銅層の機械的完全性の自然限界に達しつつあるベアリングの最終段階の故障モードであることがよくあります。死後検査でこれらの摩耗モードを区別することは、システムを変更せずに交換用ベアリングを取り付けることができるかどうか、またはベアリングの適用パラメータ (荷重、速度、クリアランス、または潤滑) を変更する必要があるかどうかを判断するために不可欠です。

HZ-800 を同じ製品ファミリーの他のバイメタルベアリンググレードと区別する

の HZ-800 bimetal composite bearing is one member of a broader family of bimetal bearings that are differentiated by their bronze alloy composition and their intended application range. A designation such as HZ-800 は通常、特定の錫と鉛の比率と特定の硬度範囲 (通常、青銅層のブリネル スケールで 60 ～ 80 HB) を備えた銅-錫-鉛合金を指します。 。別の名称を持つ関連グレード（錫含有量が高く、鉛を含まないグレードなど）は、より高い負荷容量とより高い硬度を示しますが、埋め込み性が低いため、清浄な潤滑条件には適していますが、研磨粒子を埋め込む必要がある汚染された環境には適していません。鉛含有量が高いグレードは、より優れた埋め込み性と適合性を示しますが、鉛相は摂氏 150 度を超える温度で軟化するため、負荷容量が低くなり、最大動作温度が低くなります。特定の HZ-800 合金は、一般的な産業用途に適した特性のバランスを考慮して配合されています。つまり、中程度から高荷重に耐える十分な強度、軽度に汚染された環境での埋め込み性を実現する十分な鉛含有量、および油含浸自己潤滑に必要な制御された気孔率を生成する焼結プロセスです。交換用ベアリングを指定する場合は、その指定を正確に一致させる必要があります。これは、正しい寸法のベアリングでも合金の指定が異なると、摩耗、荷重、温度特性が異なり、用途に適合しない可能性があるためです。