銅のブッシング：産業機械の重要な耐摩耗性と潤滑成分

銅のブッシング：産業機械の重要な耐摩耗性と潤滑成分

I.定義と基本構造

銅の袖、銅のベアリング、または平凡な銅のブッシングとしても知られる銅のブッシングは、通常、銅または銅合金で作られた繊維形状、フランジ、または幾何学的な形の袖コンポーネントを指します。それらのコア機能は、ベアリングハウジングボアに埋め込まれ、回転シャフトまたは往復ピンシャフトのサポートインターフェイスとして機能します。操作中、シャフトとブッシングの内側の底面の間に相対的なスライドが発生し、それを放射状荷重にさらします（いくつかのフランジ付きデザインは、限られた軸荷重にも耐えることができます）。典型的な構造には、滑らかなボア、軸方向/スパイラルオイルの溝を備えたデザイン、オイル穴、軸方向の位置決めのためのフランジが含まれ、比較的シンプルでコンパクトな全体的な構造が生まれます。

ii。コア材料：銅合金の工学特性

銅および銅合金は、プレーンベアリングの要件と整合する物理的および機械的特性の組み合わせにより、ブッシング材料として選択されます。

• 自己潤滑特性： 特に鉛銅（C94300など）または固体潤滑剤を含む焼結銅ベースの材料（Graphite、MOS₂）は、境界潤滑条件または乾燥摩擦条件下での摩擦係数と摩耗を効果的に減少させます。

• 耐摩耗性： 銅合金は中程度の硬度であり、高強度のアルミニウム青銅（例：C95400）で例示される硬化鋼シャフトと組み合わせた場合、良好な摩耗性能を提供します。

• 熱伝導率： 銅の高い熱伝導率（〜380 w/（m・k））は、摩擦によって発生する熱を急速に放散し、局所的な過熱によって引き起こされる発作の故障を防ぎます。

• 腐食抵抗： ティンブロンズ（例：C93200/C93700）とアルミニウムブロンズは、さまざまな環境（いくつかの化学媒体や海水を含む）の通常の鋼と比較して優れた腐食抵抗を示します。

• 機械的特性： 負荷や衝撃に耐えるのに十分な圧縮強度と靭性を備えています。

• 適合性と埋め込み性： 材料の比較的柔らかい性質により、シャフトのたわみやわずかな不整合（適合性）に対応するために適度に変形し、ブッシング内に小さな硬い粒子が埋め込まれ、高価なシャフトのスコアリングが防止されます（埋め込み性）。

一般的な銅合金タイプ：

• ティンブロンズ： 最も広く使用されています（例：SAE 660、C93200）。スズの含有量（6〜10％）は、筋力、摩耗、耐食性を高め、全体的なパフォーマンスを提供します。

• リードブロンズ： （例：SAE 64、C94300）。高いリードコンテンツ（18〜25％）は、高衝突、潤滑が困難なアプリケーションに適した、優れた自己潤滑および防止特性を提供します。

• アルミブロンズ： （例：C95400、C95500）。高強度、高硬度、優れた腐食抵抗（特に海水侵食に対する耐性）、重い負荷や腐食性の高い環境に使用されます。

• 真鍮： （例：C36000）。低コスト、軽荷、低速、および非攻撃的な腐食性環境に適しています。

• 銅ベースの粉末冶金材料： 焼結を介して製造され、潤滑油（オイル含浸ベアリング）を事前に浸したり、固体潤滑剤（グラファイト、MOS₂）を組み込んだりして、優れた自己潤滑とメンテナンスのない特性を実現できます。

iii。作業原則と潤滑メカニズム

プレーンベアリングとして、 銅のブッシング シャフトと内側のボア表面との間のスライド接点に基づいて動作します。理想的には、シャフトの回転中に、粘度とシャフトの回転により、潤滑剤が収束型のウェッジ型のギャップに引き込まれ、シャフトを「浮かぶ」ための流体力学的オイルフィルムを形成し、フルフルイドフィルムの潤滑（最小摩擦）を達成します。ただし、スタートアップ/シャットダウン、低速/高負荷条件、または潤滑が不十分である間、それらは主に依存しています。

• 境界潤滑： 摩擦と摩耗を減らすために、金属表面または固体潤滑剤の層に吸着された超薄分子潤滑剤フィルムに依存しています。銅合金は、この状態で安定した性能を示します。

• 自己潤滑： 材料自体（例えば、鉛青銅の鉛位相滲出、油浸漬焼結された焼結銅帯の毛穴からのオイル放出、固体潤滑剤伝達フィルム）は、継続的な潤滑を提供し、連続した外部油供給への依存を大幅に減らします。

銅のブッシングの潤滑状態は動的であり、パフォーマンスと寿命に直接影響を与えます。

曲線と潤滑剤の状態：

• 流体力学的潤滑： 高速、低負荷、十分な粘度の下で形成されます。摩擦係数が最も低い（μ≈0.001-0.01）。より柔らかい銅のブッシングは、ハードベアリングよりも優れたオイルフィルム形成能力を持っています。

• 混合潤滑： 中間条件。部分的なアスペリティ接触、部分的なオイルフィルム負荷サポート。摩擦係数が増加します（μ≈0.01-0.1）。銅合金の埋め込み性と適合性は、ここで大きな利点を提供します。

• 境界潤滑： 低速、高負荷、スタートストップ、または不十分な潤滑剤で支配します。摩擦係数が最も高い（μ≈0.1-0.3）。銅合金のコア値は、境界潤滑の下での優れた性能と抗発作特性にあります。

銅製のブッシングの境界潤滑の強化メカニズム：

• 材料特性： リードブロンズのリードフィルム、グラファイト/MOS₂焼結材料の固体潤滑剤フィルム。

• 表面処理： 柔らかい金属メッキ（スズ、インジウム）またはブッシング表面のリン酸塩は、境界摩擦係数をさらに減らし、抗発作能力を高めることができます。

• 潤滑剤添加物： 極度の圧力（EP）および抗毛添加剤（ZDDP、MODTCなど）は銅表面と反応して、保護膜を形成します。

詳細な自己潤滑メカニズム：

• オイル含浸ベアリング： 毛細血管作用と運用温度上昇に依存して、相互接続された細孔から摩擦面に貯蔵されたオイルを引きます。オイルは停止中に再吸収されます。潤滑剤の選択（粘度、酸化安定性）と細孔構造（接続、分布）が重要です。

• 固体潤滑剤ベアリング： グラファイト/MOS₂は、摩擦せん断力の下で反対側に連続的に透過し、低せん断強度層を形成します。 MOS₂は、真空または乾燥した環境でパフォーマンスが向上します。

IV。メインタイプとデザインバリアント

銅ブッシングの設計バリアントは、幾何学、材料/プロセス、潤滑のニーズ、特別な機能要件によって決定されます。以下の分類は、4つの重要な次元にわたって体系的です。

1。幾何学的分類と機能的適応

• 円筒形のブッシング： 基本的な管状構造、同心の内側/外径、追加機能はありません。コア関数は純粋な放射状負荷のサポートです。通常、0.5〜1.5の間に設計された長さと直径の比率（L/D）。比率が低すぎる（<0.5）リスクエッジ応力集中。高すぎる（> 1.5）エッジ摩耗のリスクが高まります。典型的なアプリケーション：コンベアローラーのサポート、スペース制約のシナリオのモーターシャフトスリーブ。

• フランジ付きブッシング： シリンダーの片端または両端に放射状のフランジを備えています。フランジの厚さは、外径（d）以上≥0.1倍でなければならず、有効な軸方向の位置では外径が1.2-1.5dに伸びている必要があります。フランジ面は、放射状定格荷重の20％以下の軸力に耐えることができます。ギアボックスエンドカバー、双方向の固定を必要とするポンプベアリングハウジングに適しています。

• スラストワッシャー： フラットリングデザイン、厚さはわずか0.05-0.1d。具体的には、純粋な軸荷重シナリオ（例：ワームシャフトエンドストップ）の場合。交配表面の平坦性≤0.01mmは、不均一な負荷を防ぎます。高精度アプリケーションでは、RA≤0.4μmに表面研削が必要です。

• 球面のブッシング： IT8グレードに制御された球状の直径の耐性、球状の内側のボア構造を特徴とします。 ±10°-15°シャフト軸の不整列を許可し、設置エラーを補正します。重要なパラメーターは、振動角度対ボールの直径比（たとえば、最大40mmボールの直径の12°振動）です。エンジニアリング機械の関節ポイント、自動車サスペンションリンクで広く使用されています。

• フランジ付きブッシング（ロールエッジ）： シリンダー端（非マシン）でのコールドヘッド、フランジの高さ≤0.05dで形成されます。低コストの軸方向の位置を提供しますが、負荷容量は機械加工されたフランジ付きブッシングの30％のみです。典型的なアプリケーション：プリンターガイド、電化製品の光負荷メカニズム。

2。材料プロセスとパフォーマンスの相関

• キャストブッシング： 主にティンブロンズ（C93200）またはアルミニウム青銅（C95400）からの砂または遠心鋳造を介して作られています。遠心鋳造密度は、砂鋳造よりも15％高くなっています。圧縮強度は600 MPa（アルミニウムブロンズ）に達する可能性があります。 OD> 50mmの大型コンポーネントに適しています。たとえば、掘削機ピンブッシング。

• 鍛造ブッシング： ホット/コールド鍛造ブリキまたはアルミニウムブロンズ。穀物のサイズは鋳造よりも〜50％細かく、疲労寿命は2〜3倍増加します。ただし、コストは約30％増加します。主に、航空機のアクチュエーター、高速油圧バルブなどの高ストレス重要な部品に使用されます。

• パウダー冶金（PM）ブッシング： 焼結銅マトリックス複合材料（Cu-Sn-fe-graphite）、気孔率15〜30％。毛細血管を介して自己潤滑されるオイル含浸型;固体潤滑剤の種類には、5〜15％のグラファイト/MOSが含まれています。大量生産は、OD 1〜50mm（アプライアンスモーターブッシングなど）の標準化された部品に適したコストを〜40％削減します。

• 機械加工ブッシング： バーストック（材料：C36000ブラス / C54400リードブロンズ）からの転換。 IT7グレードまでの寸法精度、表面粗さRA≤0.8μm。小型バッチカスタムパーツに適していますが、材料の利用率未満は60％です。

3。潤滑構造の革新

• 軸方向のストレートグルーブ： 1-4内壁に機械加工された等間隔のまっすぐな軸溝（幅2-3mm、深さ0.5-1mm）、溝の長さ〜80％。機能：オイル貯水池と軸潤滑剤分布。振動角<90°の往復運動に適しています。

• らせん溝： シングルまたはマルチスタートスパイラルデザイン（ヘリックス角15°-30°）。回転中に流体力学的ポンピング効果を生成し、潤滑剤を低圧から高圧荷重ゾーンに押し込みます。一方向の回転（モーターシャフトなど）にのみ適しています。逆回転は潤滑障害を引き起こします。

• クロスハッチ溝： 軸方向および円周溝は交差してオイル保持ポケットを形成し、オイル容量を約50％増加させます。トレードオフは、負荷負荷エリアの15〜20％の損失です。低速で重い負荷に適しています（たとえば、冶金機器のサポート）。実際の特定の圧力は、設計で検証する必要があります。

• 油濃度のミクロ多孔質構造： PMブッシング中の相互接続された孔（細孔サイズ10〜50μm）吸着油を吸着剤、オイル含有量15〜25％。運用温度上昇は、石油滲出を促進します。毛細血管作用は、停止中にオイルを再吸収します。細孔の均一性には、局所的な乾燥摩擦を避けるために密度変動≤5％が必要です。

4。複合構造と特別なデザイン

• スチール製の銅製のブッシング： 焼結銅層（厚さ0.5〜2mm）に結合した低炭素鋼シェル（厚さ1〜3mm）。鋼は変形に対して剛性を提供します（弾性率〜200 gpa）。銅は摩擦性能を最適化します。ソリッド銅のブッシングよりも約25％低いです。自動車トランスミッションガイドブッシングで使用されます。

• PTFE複合ブッシング： 多孔質青銅層を介した銅基板は、その後PTFE/鉛混合物（厚さ0.01-0.03mm）で満たされています。 0.02-0.08という低い摩擦係数、化学的に耐性があり、FDA食品グレードの要件に準拠しています。特にオイルフリーの環境（食物充填ラインベアリングなど）。

• 埋め込まれた固体潤滑剤ブッシング： φ2-5mmグラファイト/MOSプラグを埋め込んだ荷重ゾーンに掘削された穴は、10〜20％の領域をカバーしています。プラグは潤滑剤を継続的に放出し、メンテナンスのない寿命を極端な条件下で3倍に延長します。高温炉チェーンリンク（> 400°C）、核弁に適しています。

• 高温適応ブッシング： アルミニウムブロンズ（C95400）基質レーザーマイクロチューション表面（マイクロディンプル直径100μm、深さ50μm）。マイクロディンプルは、高温固体潤滑剤ペースト（フッ化物カルシウム雲母）を保存します。クリアランスは、熱膨張を補うために1.5倍の標準値に拡大しました。

V.広く適用されたフィールド

• 自動車シャーシサスペンションシステム（典型的：コントロールアームブッシング）：

  • 条件： 低速振動（±30°）、高い衝撃負荷（バンプ上の複数の車両重量）、多方向力（放射状軸方向ねじり）、水/塩にさらされます。 要件： 耐衝撃性、良好な弾力性/減衰（NVH）、腐食抵抗、長寿命、メンテナンスフリー。

  • マテリアル/デザイン： ラバーメタルコンポジットブッシング（コア：鉛青銅/焼結銅ブッシング）。銅のブッシングは、低摩擦の関節表面と高負荷容量を提供します。ゴムは、柔軟性、減衰、振動の分離を提供します。鉛青銅C94300または自己潤滑焼結銅合金は主流です。

• 建設機械（典型：掘削機バケットリンクピンブッシング）：

  • 条件： 非常に低速回転/振動、非常に高い衝撃負荷（掘削抵抗）、重度の研磨汚染（砂/泥）。難しい潤滑。 要件： 非常に高い圧縮と衝撃強度、優れた埋め込み性、研磨摩耗に対する抵抗、自己潤滑。

  • マテリアル/デザイン： 厚壁の鋳造アルミニウムブロンズ（C95400/C95500）または表面硬化した鋼鉄製焼結銅合金複合ブッシング。多くの場合、幅の広いオイルの溝やグリースチャネルで設計されています。

• 油圧シリンダー（典型的：トルニオンブッシング /ロッドエンドサポートブッシング）：

  • 条件： 低速振動または限定角の回転、中程度の放射状荷重。油圧油にさらされる（可能性のある水汚染）。 要件： 低くて安定した摩擦、耐摩耗性、油抵抗性、長寿命。

  • マテリアル/デザイン： 錫青銅（C93200/C93700）またはオイル含浸焼結ブロンズを鋳造します。硬化精度シャフトと組み合わせた精密な内側の穴。オイル溝は、オイルフィルムの形成を保証します。

• アプライアンスモーター（典型：ファンモーターブッシング）：

  • 条件： 中速度（1000〜3000 rpm）、軽負荷、低ノイズ、メンテナンスフリー、低コスト、長寿命（> 10年）が必要です。最大80〜100°Cまでの動作温度。

  • マテリアル/デザイン： オイル含浸焼結銅アイアンまたは銅ベースのブッシング（低コスト、良好な自己潤滑）。小型のプレーンボアデザイン。シャフトブッシングクリアランス（H8/F7グレード）の厳密な制御により、静かな動作が保証されます。

• 高温アプリケーション（たとえば、産業用炉コンベアチェーンリンクブッシングなど）：

  • 条件： 低速度、高温（200〜400°C）。従来の潤滑剤は失敗します。

  • マテリアル/デザイン： 特別な高温焼結銅合金（フッ化物、複雑な金属酸化物などの高温固体潤滑剤）またはキャストアルミニウム青銅（C95400）と高温グリース（たとえば、多尿素厚のPAO/SHMOS₂）またはグラファイトのペーストを組み合わせた。

vi。利点と制限分析

かけがえのない利点

• 極端な負荷の運搬：

  • 低速/ハイロードチャンピオン： 鋳造アルミニウムブロンズ（C95400）の静圧強度は、オイル潤滑剤（同じサイズ〜150 MPaのローリングベアリング制限）の下で250 MPaに達します。

  • 耐衝撃性の証明： 骨折リスクなしに、建設機械のピンブッシングは8倍の定格負荷瞬間的衝撃（ISO 19943標準テスト）に耐えます。

• 境界潤滑の信頼性：

  • 自己潤滑銅ベースの材料は、安定した摩擦係数μ= 0.08-0.15をPV値≤1.5MPa・m/s（例：15％グラファイトの焼結銅）で維持し、メンテナンスのない10,000時間のメンテナンスのない寿命を達成します（アプライアンスモーターフィールドデータ）。

  • ハードコア腐食抵抗： アルミニウムブロンズ（C95800）は、3.5％NaCl Salt Sprayで年間<0.05 mm/年の腐食速度を示し、20年以上にわたって検証されています（海洋舵軸）。

• スペースとコストの二重利益：

  • 放射状サイズは、ローリングベアリングと比較して40％〜60％減少しました（φ20mmシャフトブッシングの壁の厚さはわずか3mm）。

  • 粉末冶金の大量生産コストは約40％削減されました（自動車ワイパーモーターブッシング¥0.8/PC対深い溝ボールベアリング¥2.5/PC）。

• 振動と騒音制御：

  • 高周波振動（50-2000 Hz）を30％>（鉛青銅型複合ブッシングAutomotive NVHテスト）減衰させます。

  • 操作ノイズ6〜10 dB（a）ローリングベアリングよりも低い（ファン業界の比較測定）。

固有の制限

• 熱力学的速度の制約：

  • 自己潤滑制限： 線形速度は2 m/sを超えると急速な摩擦熱の増加を引き起こし、温度上昇は120°Cを超えると材料の軟化につながります（焼結銅DSC分析）。

  • オイル潤滑のしきい値： 強制オイル潤滑制限V≤6m/s（これを超えて、オイルフィルムの破裂、摩擦係数は0.3にジャンプします）。

• 摩擦パワー損失（物理法）：

  • 混合潤滑摩擦係数μ≥0.08（ローリングベアリングμ≈0.001-0.005）。

  • 高速操作（v> 3 m/s）では、エネルギー消費は総システムパワーの15％〜30％に達する可能性があります（コンベアモーターエネルギー監査データ）。

• 精密に敏感な障害境界：

  • 厳密なシャフトボアフィット耐性：ベアリングハウジングボアH7グレード（許容範囲±0.018mm）、シャフト直径H9/F8グレード。

  • 設置クリアランス偏差> 0.1mmは、エッジの摩耗（副整合角> 0.5°）または発作（PV値が30％を超える）を引き起こします。

• 避けられない摩耗とコスト：

  • 寿命を一般的に10,000時間以下の設計（Archardモデルの計算：摩耗係数k = 1×10⁻⁶mm³/nm）。

  • 頑丈なアプリケーションの交換インターバル：5,000〜8,000時間（掘削機メンテナンスマニュアル必須要件）。

vii。選択、設置、メンテナンスのための重要なポイント

選択の考慮事項：

• 負荷： 大きさ、方向（放射状/軸）、自然（静的/動的/衝撃）。

• スピード： シャフト表面速度（M/s）または回転速度（RPM） - 重要な制限パラメーター。

• 動作温度： 材料の強度、潤滑剤の性能、および熱膨張に影響します。

• 潤滑条件： 信頼できる潤滑を提供できますか？メンテナンスのない操作は必要ですか？環境ではオイル汚染が許可されていますか？

• 操作環境： 腐食性媒体（化学物質、海水）、研磨汚染、湿度などの存在。

• 期待される寿命とコスト： パフォーマンスのニーズと経済性のバランス。

• スペースの制約： インストールスペースの寸法。

インストール仕様：

1. 清潔さ： シャフト、ブッシング、およびハウジングボアが絶対にきれいであることを確認してください。

2. 正しいプレスフィット： 専用のツール（アーバー、プレス）を使用して、ブッシングの外径に沿って均一な圧力をかけます。 一度もない ブッシングの内側のボアまたはエンドフェイスを直接攻撃します。

3. 耐性の適合： 回転せずに安全な座席を確保するために、ハウジングボアブッシングODフィット（通常は干渉適合、H7/S6など）の設計要件に厳密に従います。シャフトブッシングIDクリアランス（例：H8/E8、H8/F7）を正確に維持する必要があります。

4. 潤滑準備： 取り付け前に、適切な量の適切なグリースを交尾表面に適用します（自己潤滑のないメンテナンスのない設計を使用しない限り）。

メンテナンスの推奨事項：

• 定期的な検査： 異常な動作ノイズ、振動、温度上昇を監視します。

• クリアランス測定の摩耗： シャフトとブッシングの穴の間のクリアランスを定期的に確認します。許容値を超える場合（通常は機器メーカーが指定する）場合に交換してください。

• 潤滑管理（非自己潤滑タイプ）： オイル/グリースを補充または交換するための規定の間隔と方法に厳密に従ってください。潤滑チャネルが明確であることを確認してください。

• タイムリーな交換： 重度の摩耗、スコアリング、疲労散発、腐食損傷、または過熱変色（青）を検出すると、交換する必要があります。

• 環境保守： 外部汚染物質の侵入を摩擦ペアに最小限に抑えます。

viii。銅製ブッシングキーの技術的なFAQ

• Q1：自己潤滑銅のブッシングは、潤滑なしで実際に動作することができますか？

  • はい、しかし境界があります：

    • 潤滑剤なしの範囲： PV値≤1.5MPa・M/s（例：オイル吸気ブロンズ）に対してのみ有効で、モーションタイプは低速振動（<90°）または断続的な回転（<10 rpm）です。

    • 失敗シナリオ： 連続回転速度> 2 m/sまたは温度> 150°Cでは、細孔貯蔵油が蒸発します。補足グリースが必要です。

• Q2：摩耗した銅のブッシングはシャフトに損傷を与えますか？

  • マテリアルペアリングに依存します：

    • ブッシングの硬度がシャフトの硬度の30％未満である場合（例：ティンブロンズHB80対シャフトHRC45）、ブッシングで優先的に摩耗し、シャフトの寿命を3〜5回延長します。

    • 硬度が類似している場合（たとえば、ステンレス鋼シャフトアルミニウムブロンズ）、同時摩耗が発生する可能性があります。定期的なクリアランスチェックが必要です（クリアランスが0.3％> 0.3％の直径の場合は交換）。

• Q3：銅のブッシングのために鋳造またはパウダー冶金を決定する方法は？

  • 決定ツリー：

    • 粉末冶金（PM）を選択してください。 バッチサイズ> 10k PCS/年、費用に敏感（目標価格<¥1.5）、複雑な積分油溝、高い自己潤滑要件が必要です。

    • キャスティングを選択する場合： 外径は50mm> 50mm、高衝撃耐性が必要（例：掘削機ピンブッシング）、腐食性環境（海洋装備）。

• Q4：銅ブッシングの故障の早期警告兆候は何ですか？

  • 3段階の警告：

    • 初期： 異常な高周波ノイズ（> 2kHz）、振動加速突然の突然50％> 50％増加します。

    • 中間段階： 温度上昇は周囲を超えて30°Cを超え（IR測定）、摩擦トルクの変動を15％以上。

    • クリティカルステージ： 内側のボアの可視滑り（酸化色）、クリアランス偏差> 0.3 mm。

• Q5：銅のブッシングは食品機械で使用できますか？

  • 準拠したソリューション：

    • 材料： PTFEコンポジットブッシング（FDA 21 CFR 177.1550認定）または純粋なアルミニウムブロンズ（鉛フリー）を選択します。

    • 構造： 完全に密閉されたデザイン（IP69K）残留トラップを避けるためのオイルグルーブはありません。

    • 禁止： 鉛ブロンズ（PB> 0.1％）、油含浸焼s焼装置（潜在的なオイル浸透）。

• Q6：なぜ建設機械のジョイントが銅のブッシングを使用する必要があるのですか？

  • 不一致の証拠：

    • 耐衝撃性： ローリングベアリングは8倍の過負荷で粉砕されます。銅のブッシングは卑劣なだけ変形します。

    • 埋め込み性： 粒子が5μmを超える粒子ピットピットを垂らしている間、現場の塵（>20μm粒子）を耐えます。

    • 経済： ブッシングの交換コスト=ローリングベアリングコストの1/5で、フルマシンの分解は必要ありません。