石墨材料與石墨軸承簡介

石墨材料與石墨軸承簡介 
 
    1、前言  
    軸承是機械工業(yè)中常用的一種滑動機件。石墨軸承是隨著機械設(shè)備的性能要求 ，在金屬軸承的基礎(chǔ)上開發(fā)并發(fā)展起來的炭質(zhì)軸承。炭質(zhì)軸承有不同于金屬軸承的 特性，如自潤滑、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)輕等。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們又開發(fā)了 陶瓷球軸承、炭化硅軸承等，石墨軸承也得到了進一步的拓展，制造出了青銅石墨 含油軸承、鑲嵌石墨軸承。為各種工況條件下的軸承選擇提供了更大空間，滿足了 不同技術(shù)條件的要求。另外，炭復合材料軸承由于它的可設(shè)計性和特有的材料功能 將是今后軸承材料的發(fā)展方向。石墨軸承有著一定的發(fā)展基礎(chǔ)和應用市場，在此基 礎(chǔ)上進一步研究炭石墨軸承、青銅石墨含油軸承、鑲嵌石墨軸承有利于炭石墨類軸 承的發(fā)展，因為石墨軸承在制造工藝上和技術(shù)性能上都有其獨特的方面，在今后的 發(fā)展中有一定的擴展性，在此做進一步分析研究，為的是得到進一步開發(fā)，在應用 中得到更加廣闊的市場。  
    2、石墨軸承的潤滑基理、分類和性能分析  
    從碳原子結(jié)構(gòu)分析石墨材料的潤滑性。石墨材料本身就存在潤滑性能，這是石 墨的晶體結(jié)構(gòu)所決定的。石墨的潤滑性能除晶格的特定原因有先天可供潤滑的結(jié)構(gòu) 外，就是水和空氣對它的良好潤滑作用的發(fā)揮。水和空氣的存在使石墨的工作面上 吸附了水和氣體分子，增大了石墨互相滑動的解理面間的距離，從而減弱了它們間 的結(jié)合力。  
    軸承有滾動軸承和滑動軸承之分，材質(zhì)上又有金屬、非金屬、復合材料之別。 石墨軸承多用于滑動軸承，滑動軸承又分為徑向軸承和止推軸承。文中主要對炭石 墨軸承、青銅石墨含油軸承和鑲嵌石墨軸承進行分析。  
    石墨軸承以石墨材料為主要基材，應用于食品、飲料、紡織、化工等工業(yè)部門 中的運輸機、干燥機、紡織機、潛水泵電機等軸承方面，這些部位如用油脂潤滑劑 不可避免會引起污染，而石墨軸承的自潤滑性很強，耐腐蝕，可不使用潤滑油而進 行長期運轉(zhuǎn)。石墨軸承的磨損與載荷、溫度和速度的平方成比例，當壓力為0--0. 49MPa時，各種材質(zhì)的石墨軸承均能滿足需要。為了提高制品的機械強度，特別是 為了提高耐沖擊韌性，常用一些耐磨性能好的易熔金屬進行浸漬處理。浸銻石墨軸 承允許的工作溫度可達500C，銻與銅對磨時不易沾著，在大負荷和快速的情況下工 作，其耐磨性能可提高2--3倍。石墨材料的強度隨溫度升高而增加的趨勢一直保持 到2600C左右，在高溫時強度是室溫的3倍。滑動軸承存在著兩種摩擦形式，即靜摩 擦和動摩擦，一般炭石墨軸承的靜摩擦比同樣情況下的金屬軸承要小一些。普通炭石墨軸承在干運轉(zhuǎn)情況下，動摩擦系數(shù)在0.08-0.3之間，濕運轉(zhuǎn)情況下由于存在著 邊界潤滑，所以動摩擦系數(shù)一般在0.01-0.1范圍內(nèi)。在炭刷與換向器的摩擦中，換 向器表面可產(chǎn)生一層褐色、深紫色、淺蘭色的薄膜，這層薄膜可起潤滑過程中的保 護作用。分析可知，這層薄膜主要由兩部分組成，其一是與金屬結(jié)合在一起的金屬 氧化膜和金屬氫氧化物，稱為氧化薄膜。其二是炭素薄膜，在運行過程中的炭塊上 剝離下來的極其細小的炭、石墨粒子、炭塊材料中所含的不純物、空氣中浮游的塵 埃以及被吸附的水分和氧所組成。由此可見，保護膜的形成可起更好的潤滑作用， 但也離不開水分和氧的環(huán)境。滑動軸承具有普通機械零件之間滑動接觸的特征。除 摩擦、磨損發(fā)熱外，還要有一定的機械強度。雖然可對石墨軸承材料進行浸漬處理 以增強其機械強度、抗沖擊性，但在較大的載荷條件下，往往仍達不到所要求的機 械強度，從而人們開始用粉末冶金方法制造青銅石墨含油軸承。  
    青銅石墨含油軸承采用粉末冶金法制造，在保持原有石墨軸承的主要特征外， 增加了機械強度。自承重軸承一般使用鉛青銅或錫青銅/石墨基。銅/鉛/石墨軸承 能耐極高的轉(zhuǎn)速。鉛、錫/銅主要用來合成鉛、錫青銅，以增加制品的機械強度。 加入過量的錫和鉛是不必要的，一般加入量在5%--10%(重量)范圍，過量的鉛、錫 將顯著降低制品的機械強度。  
    粉末冶金法制造青銅石墨含油軸承采用銅粉/石墨粉，經(jīng)混合、壓型、燒結(jié)而 成，選用呈樹狀結(jié)構(gòu)的電解銅粉，其最大特點是經(jīng)高溫燒結(jié)之后能使軸承具有均勻 的網(wǎng)體結(jié)構(gòu)和開放性孔穴。潤滑油可充滿軸承所有孔穴，并和軸承中的固體潤滑劑 --石墨形成潤滑性能很高的石墨膠體潤滑劑。當機械運轉(zhuǎn)時，軸承因摩擦升溫而膨 脹導致孔穴容積縮小，加之潤滑油亦因受熱膨脹而溢出，起到了對軸與軸承間潤滑 作用。當停止運轉(zhuǎn)后，溫度降低孔穴和潤滑油恢復原來狀態(tài)，油便被重新吸入孔穴 ，從而形成了自動潤滑現(xiàn)象。在萬一油量不足的情況下，石墨也可以單獨地擔當起 潤滑作用，仍可保持軸承有較低的摩擦系數(shù)和較好的耐磨性能。隨著軸承載荷要求 的進一步提高，青銅石墨含油軸承也難達到要求，隨后人們又開發(fā)出了鑲嵌石墨軸 承。  
    鑲嵌石墨軸承的制造是以金屬材料為基體，它的機械強度基本取決于采用的金 屬材質(zhì)的機械性能，石墨作為一種固體潤滑材料鑲嵌在軸承的摩擦面金屬基體上， 用于軸承工作狀態(tài)下的潤滑材料，但石墨也有含油效果。石墨的鑲嵌可采取二種方 法，一種是熔融金屬液澆鑄法，另一種是在金屬基材上先按照一定的排列方式加工 一些孔洞，然后將固體潤滑劑嵌入其中，鑲嵌石墨軸承的抗壓強度、抗折強度、熱 膨脹系數(shù)一般取決于基體金屬材質(zhì)。但鑲嵌石墨軸承的強度大大提高，可在重載荷 下運行。  
    3、石墨軸承的設(shè)計與制造 炭材料結(jié)構(gòu)的多樣性來源于炭/炭原子間化學鍵合的多樣性，由此也提供了炭 材料的可設(shè)計性。石墨軸承由于它的生產(chǎn)工藝和原材料的可設(shè)計性為設(shè)計與制造提 供了一定空間，從而可制造出性能各異，適用于多種技術(shù)條件和使用環(huán)境的石墨軸 承。  
    PV值是軸承設(shè)計時的重要參數(shù)         PV=P.V 
        P--單位面積載荷壓力，MPa；         V--軸的線速度,m/s。  
    PV值超過各種材料的極限值時，就會引起異常的升溫和磨損，一般設(shè)計要留有 余量，參考PV值應在極限值的50%--70%。在實際工作中，軸承的運轉(zhuǎn)因環(huán)境不同又 有干運轉(zhuǎn)和濕運轉(zhuǎn)之分。在干運轉(zhuǎn)的情況下，石墨軸承允許的最大載荷受到軸承的 強度和允許的磨損速率的限制。其允許的最大線速度則受到軸承摩擦面上所產(chǎn)生熱 量的限制。而磨損速率又受到軸承材質(zhì)、軸和軸承表面加工情況、載荷、速度及周 圍介質(zhì)等條件的影響。在干運轉(zhuǎn)的情況下，軸承允許的PV值還直接受到軸承材質(zhì)的 影響，在高溫下允許PV的值必須比低溫時要小得多。當軸承浸在液體里或者是液體 所噴濺的情況下(濕運轉(zhuǎn))，其摩擦和磨損可大大降低。加之液體能夠幫助逸散因摩 擦而產(chǎn)生的熱量，這樣就大大提高石墨軸承允許的PV值，在實際條件下濕運轉(zhuǎn)允許 的PV值可能較干運轉(zhuǎn)時高出近百倍。  
    石墨軸承設(shè)計種類有圓柱形、圓柱代凸緣形、圓形、特殊結(jié)構(gòu)，但從石墨軸承 的強度考慮，炭軸承的厚度必須比金屬軸承大，厚度以內(nèi)徑的1/5-1/7為合適，最 小限度為3mm以上，軸承的長度是內(nèi)徑的2倍以上。軸承運轉(zhuǎn)時溫度將會升高，運轉(zhuǎn) 間隙，可根據(jù)軸和軸承的熱膨脹來決定，一般是軸徑0.3%左右。  
    炭石墨軸承的制造工藝與其他炭制品大致相同，基本工藝過程包括：原料的選 擇、原料的預處理、原料的破碎、篩分分級、顆粒狀與粉狀材料的配料、粘結(jié)劑的 選擇、混勻、混捏、輥壓、磨粉壓制成型、焙燒、人造石墨制品還須石墨化處理， 浸漬、機械加工等，部分石墨軸承為了增加機械強度和抗沖擊性，還需金屬(如銻 、銅、鉛等)浸漬，最終達到所要求的技術(shù)性能，再進行機械加工成所要求的幾何 尺寸。  
    青銅石墨含油軸承的生產(chǎn)用粉末冶金方法，新型青銅石墨含油軸承為了增加軸 承的載荷，加入了鐵粉，具體制法是采用粒徑小于175um的青銅合金粉末和粒徑小 于85um的鐵粉，加入少量煤油或機油制成混合物，再添加適量小于75um鱗片狀石墨 粉、二硫化鉬等，經(jīng)混合后采用冷壓制取坯料，并在780C-895C的溫度下燒結(jié)而成 。其他青銅石墨含油軸承制造工藝與以上工藝大致相同，選擇粉料、混合、壓形、 燒結(jié)、整型。一般青銅石墨含油軸承主要參數(shù)：假比重5.5g/cm3--6.0g/cm3，徑向破壞強度一般不小于2.5N，體積浸油率20號機油不小于15%。  
    鑲嵌石墨軸承有兩種制造方法。一是澆鑄法，將已加工好幾何尺寸的石墨滑塊 按設(shè)計分布在澆鑄模中后，用熔融金屬液澆鑄而成，后經(jīng)機械加工達到所需尺寸。 二是在金屬基材上，按照一定的排列方式，先加工一些孔洞，然后將以石墨、MoS 2及粘結(jié)劑按一定比率均勻混合制成潤滑劑，固化在孔洞中，經(jīng)加工后達到所要求 尺寸，鑲嵌石墨軸承的抗壓強度、熱膨脹系數(shù)，一般取決于金屬材質(zhì)。例如M551鑲 嵌石墨軸承載荷50MPa，使用溫度500C，PV值5MPa.m/s，適用于低轉(zhuǎn)速/重載場合， 對粉塵污染等惡劣環(huán)境適應性強。  
    4、討論  
    綜上所述，對炭/石墨軸承進行了簡要研究與分析，由此證實了炭/石墨軸承的 優(yōu)良特性，針對不同條件下特殊潤滑要求，可研究、制造出性能各異、適合各種條 件的滑動石墨軸承。目前在食品、紡織、印染、化工工業(yè)中的輸送機軸承、離心泵 軸承、潛水泵軸承、齒輪軸承和汽車、航空、農(nóng)業(yè)機械等方面都不同程度地得到了 應用。   
    此外，對其他適用場合也作了初步探討。如用于自行車的石墨軸承也有待于開 發(fā)。中國是個自行車大國，開發(fā)自行車用石墨軸承將是一個巨大的潛在市場。試想 自行車中軸、叉架、腳蹬等處滑動軸承都是線速度要求不高、平時又很少加潤滑油 的滑動處。這些軸承(滑動件)大都是標準件，很適合大批量生產(chǎn)，如此還可大大降 低生產(chǎn)成本。再有照相機用滑動軸承，照相機的傳動部件不準經(jīng)常充注潤滑油，采 用石墨軸承是理想的材料之一。除直接開發(fā)石墨軸承外，利用石墨的潤滑性、多孔 石墨的儲油性等特點制造滾動軸承球架給軸承提供良好的潤滑質(zhì)，由此可保證長時 間為軸承潤滑，這也是開發(fā)石墨潤滑的一個思路。  
    再者，可在炭材料的改性方面作進一步的研究，開發(fā)拓展一些新材料。如采用 碳合金法，對炭質(zhì)材料的表面和本體進行化學改性，其結(jié)果必將影響所得材料的結(jié) 構(gòu)和性能，極有可能開創(chuàng)出新的功能材料用于潤滑石墨軸承的制造。再如炭化硅軸 承的研究，它有較強的硬度、耐高溫等特性，但成本很高還沒能推廣。用粉末冶金 法這一傳統(tǒng)方法制造軸承，如能進一步提高抗壓強度和精度也是有較大發(fā)展的。  
    炭石墨軸承有著強大的生命力。在石墨軸承開發(fā)的同時再研究插層石墨、石墨 涂層軸承等新技術(shù)，擴大其研究與應用領(lǐng)域，石墨軸承將在今后得到更大、更廣、 更新的發(fā)展。