石墨軸承

軸承是機(jī)械工業(yè)中常用的一種滑動(dòng)機(jī)件。石墨軸承是隨著機(jī)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(lái)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(rùn)滑、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)輕等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，石墨軸承也得到了進(jìn)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(fù)合材料軸承由于它的可設(shè)計(jì)性和特有的材料功能將是今后軸承材料的發(fā)展方向。

1潤(rùn)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(rùn)滑性。石墨材料本身就存在潤(rùn)滑性能，這是石墨的晶體結(jié)構(gòu)所決定的。石墨的潤(rùn)滑性能除晶格的特定原因有先天可供潤(rùn)滑的結(jié)構(gòu)外，就是水和空氣對(duì)它的良好潤(rùn)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(dòng)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(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承之分，材質(zhì)上又有金屬、非金屬、復(fù)合材料之別。石墨軸承多用于滑動(dòng)軸承，滑動(dòng)軸承又分為徑向軸承和止推軸承。文中主要對(duì)炭石墨軸承、青銅石墨含油軸承和鑲嵌石墨軸承進(jìn)行分析。
石墨軸承以石墨材料為主要基材，應(yīng)用于食品、飲料、紡織、化工等工業(yè)部門中的運(yùn)輸機(jī)、干燥機(jī)、紡織機(jī)、潛水泵電機(jī)等軸承方面，這些部位如用油脂潤(rùn)滑劑不可避免會(huì)引起污染，而石墨軸承的自潤(rùn)滑性很強(qiáng)，耐腐蝕，可不使用潤(rùn)滑油而進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。石墨軸承的磨損與載荷、溫度和速度的平方成比例，當(dāng)壓力為0--0.49MPa時(shí)，各種材質(zhì)的石墨軸承均能滿足需要。為了提高制品的機(jī)械強(qiáng)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(jìn)行浸漬處理。浸銻石墨軸承允許的工作溫度可達(dá)500C，銻與銅對(duì)磨時(shí)不易沾著，在大負(fù)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(qiáng)度隨溫度升高而增加的趨勢(shì)一直保持到2600C左右，在高溫時(shí)強(qiáng)度是室溫的3倍?；瑒?dòng)軸承存在著兩種摩擦形式，即靜摩擦和動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)情況下，動(dòng)摩擦系數(shù)在0.08-0.3之間，濕運(yùn)轉(zhuǎn)情況下由于存在著邊界潤(rùn)滑，所以動(dòng)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(rùn)滑過(guò)程中的保護(hù)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(yùn)行過(guò)程中的炭塊上剝離下來(lái)的極其細(xì)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(hù)膜的形成可起更好的潤(rùn)滑作用，但也離不開水分和氧的環(huán)境。滑動(dòng)軸承具有普通機(jī)械零件之間滑動(dòng)接觸的特征。除摩擦、磨損發(fā)熱外，還要有一定的機(jī)械強(qiáng)度。雖然可對(duì)石墨軸承材料進(jìn)行浸漬處理以增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊性，但在較大的載荷條件下，往往仍達(dá)不到所要求的機(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)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(lái)合成鉛、錫青銅，以增加制品的機(jī)械強(qiáng)度。加入過(guò)量的錫和鉛是不必要的，一般加入量在5%--10%(重量)范圍，過(guò)量的鉛、錫將顯著降低制品的機(jī)械強(qiáng)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(diǎn)是經(jīng)高溫?zé)Y(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(rùn)滑油可充滿軸承所有孔穴，并和軸承中的固體潤(rùn)滑劑--石墨形成潤(rùn)滑性能很高的石墨膠體潤(rùn)滑劑。當(dāng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承因摩擦升溫而膨脹導(dǎo)致孔穴容積縮小，加之潤(rùn)滑油亦因受熱膨脹而溢出，起到了對(duì)軸與軸承間潤(rùn)滑作用。當(dāng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，溫度降低孔穴和潤(rùn)滑油恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，油便被重新吸入孔穴，從而形成了自動(dòng)潤(rùn)滑現(xiàn)象。在萬(wàn)一油量不足的情況下，石墨也可以單獨(dú)地?fù)?dān)當(dāng)起潤(rùn)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(jìn)一步提高，青銅石墨含油軸承也難達(dá)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(jī)械強(qiáng)度基本取決于采用的金屬材質(zhì)的機(jī)械性能，石墨作為一種固體潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑劑嵌入其中，鑲嵌石墨軸承的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)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(qiáng)度大大提高，可在重載荷下運(yùn)行。
2設(shè)計(jì)與制造

炭材料結(jié)構(gòu)的多樣性來(lái)源于炭/炭原子間化學(xué)鍵合的多樣性，由此也提供了炭材料的可設(shè)計(jì)性。石墨軸承由于它的生產(chǎn)工藝和原材料的可設(shè)計(jì)性為設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)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(guò)各種材料的極限值時(shí)，就會(huì)引起異常的升溫和磨損，一般設(shè)計(jì)要留有余量，參考PV值應(yīng)在極限值的50%--70%。在實(shí)際工作中，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)因環(huán)境不同又有干運(yùn)轉(zhuǎn)和濕運(yùn)轉(zhuǎn)之分。在干運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，石墨軸承允許的最大載荷受到軸承的強(qiáng)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(yùn)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(shí)要小得多。當(dāng)軸承浸在液體里或者是液體所噴濺的情況下(濕運(yùn)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(shí)際條件下濕運(yùn)轉(zhuǎn)允許的PV值可能較干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)高出近百倍。
石墨軸承設(shè)計(jì)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(qiáng)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(zhǎng)度是內(nèi)徑的2倍以上。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度將會(huì)升高，運(yùn)轉(zhuǎn)間隙，可根據(jù)軸和軸承的熱膨脹來(lái)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(guò)程包括：原料的選擇、原料的預(yù)處理、原料的破碎、篩分分級(jí)、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(jī)械加工等，部分石墨軸承為了增加機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性，還需金屬(如銻、銅、鉛等)浸漬，最終達(dá)到所要求的技術(shù)性能，再進(jìn)行機(jī)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(jī)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(qiáng)度一般不小于2.5N，體積浸油率20號(hào)機(jī)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(jì)分布在澆鑄模中后，用熔融金屬液澆鑄而成，后經(jīng)機(jī)械加工達(dá)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、MoS2及粘結(jié)劑按一定比率均勻混合制成潤(rùn)滑劑，固化在孔洞中，經(jīng)加工后達(dá)到所要求尺寸，鑲嵌石墨軸承的抗壓強(qiáng)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(chǎng)合，對(duì)粉塵污染等惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。
3總結(jié)

綜上所述，對(duì)炭/石墨軸承進(jìn)行了簡(jiǎn)要研究與分析，由此證實(shí)了炭/石墨軸承的優(yōu)良特性，針對(duì)不同條件下特殊潤(rùn)滑要求，可研究、制造出性能各異、適合各種條件的滑動(dòng)石墨軸承。目前在食品、紡織、印染、化工工業(yè)中的輸送機(jī)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(jī)械等方面都不同程度地得到了應(yīng)用。
此外，對(duì)其他適用場(chǎng)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(guó)是個(gè)自行車大國(guó)，開發(fā)自行車用石墨軸承將是一個(gè)巨大的潛在市場(chǎng)。試想自行車中軸、叉架、腳蹬等處滑動(dòng)軸承都是線速度要求不高、平時(shí)又很少加潤(rùn)滑油的滑動(dòng)處。這些軸承(滑動(dòng)件)大都是標(biāo)準(zhǔn)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(jī)用滑動(dòng)軸承，照相機(jī)的傳動(dòng)部件不準(zhǔn)經(jīng)常充注潤(rùn)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(rùn)滑性、多孔石墨的儲(chǔ)油性等特點(diǎn)制造滾動(dòng)軸承球架給軸承提供良好的潤(rùn)滑質(zhì)，由此可保證長(zhǎng)時(shí)間為軸承潤(rùn)滑，這也是開發(fā)石墨潤(rùn)滑的一個(gè)思路。
再者，可在炭材料的改性方面作進(jìn)一步的研究，開發(fā)拓展一些新材料。如采用碳合金法，對(duì)炭質(zhì)材料的表面和本體進(jìn)行化學(xué)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(rùn)滑石墨軸承的制造。再如炭化硅軸承的研究，它有較強(qiáng)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(jìn)一步提高抗壓強(qiáng)度和精度也是有較大發(fā)展的。
炭石墨軸承有著強(qiáng)大的生命力。在石墨軸承開發(fā)的同時(shí)再研究插層石墨、石墨涂層軸承等新技術(shù)，擴(kuò)大其研究與應(yīng)用領(lǐng)域，石墨軸承將在今后得到更大、更廣、更新的發(fā)展。