鑲嵌型滑動(dòng)軸承固體潤滑材料應用概況

鑲嵌型軸承早在20世紀20年代初就已經(jīng)出現，其是指在軸承基體上預先設計、加工一定面積比例的孔洞或溝槽，在其中嵌人一些固體潤滑材料，經(jīng)過(guò)特殊工藝將其結合成一個(gè)整體。軸承工作時(shí)嵌入的固體潤滑材料在交變應力和摩擦熱的作用下可微凸出基體表面，在對偶面形成固體潤滑轉移膜，使摩擦副表面不直接接觸，從而起到潤滑、減摩作用。除自潤滑性能較好外，鑲嵌型軸承還有許多明顯優(yōu)于其他自潤滑軸承的獨特性能，如承載力強，適用溫度范圍廣，其在特殊環(huán)境中的應用越來(lái)越受到人們的重視。本文介紹了聚合物類(lèi)、石墨類(lèi)和二硫化鉬(MoS₂)類(lèi)鑲嵌型滑動(dòng)軸承用固體潤滑材料研究的進(jìn)展。

1.1 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯( PTFE)具有耐化學(xué)侵蝕性好，耐高溫，摩擦因數低，通常用于軸承和密封中,但PTFE的力學(xué)性能較差，線(xiàn)膨脹系數大，抗蠕變性差，純PTFE在軸承中的使用會(huì )受到很大限制，因此，當PTFE作為軸承的固體潤滑材料時(shí)通常要添加填充物對其進(jìn)行改性。在PTFE中填充石墨、玻璃纖維、碳纖維、MoS₂、金屬和金屬氧化物后硬度和耐磨性會(huì )提高，比磨損率下降至未填充的1/100以下。

研發(fā)了一種鑲嵌型水輪發(fā)電機軸承為例，該軸承以PTFE為固體潤滑劑基體，加入石墨、MoS₂和碳纖維等填充物，對該軸承進(jìn)行的摩擦磨損試驗和臺架試驗驗證了該鑲嵌型軸承能使水輪發(fā)電機在重載、泥水等特殊工況下正常服役。

以PTFE和40 nm氧化鋁(質(zhì)量分數為0~20%)為原料，采用模壓成型的方法制備了一種固體潤滑材料。在接觸壓力6.4 MPa，行程長(cháng)度50 mm，滑動(dòng)速度50 mm/s下進(jìn)行往復式摩擦磨損試驗，結果表明該復合材料的耐磨性隨氧化鋁的增加而增加，氧化鋁的質(zhì)量分數為20%時(shí)材料最耐磨，比未填充時(shí)高出600倍。說(shuō)明該潤滑材料可作為鑲嵌型關(guān)節軸承的自潤滑材料。

以PTFE為潤滑基體，加入質(zhì)量分數為10%的納米蒙脫石后進(jìn)行混料，采用模壓成型的方法鑲嵌在鋁合金中，制成PTFE-鋁合金鑲嵌型潤滑材料，然后進(jìn)行摩擦磨損試驗。結果表明：穩態(tài)后摩擦溫度為51°C，摩擦因數為0.087 ,磨損率為0.38 x 10^-3mm³·N^-1·m^-1，與非鑲嵌型PTFE基復合材料對比發(fā)現導熱性和耐磨性大大提高，而摩擦因數無(wú)明顯增加。該復合材料摩擦磨損性能優(yōu)良，抗壓強度高，密度小，可作為航空航天用鑲嵌型軸承潤滑材料。

用鉛粉、石墨、玻璃纖維填充PTFE制成銅基鑲嵌型關(guān)節軸承材料，試驗發(fā)現潤滑材料組成為40%PTFE+20%鉛粉+20%石墨+20%玻璃纖維時(shí)關(guān)節軸承具有較好的摩擦磨損性能。

研究了一種新型鋼基鑲嵌型PTFE自潤滑軸承，金屬基體采用GCr15軸承鋼，固體潤滑材料基體為PTFE，填充物為石墨、MoS₂和中性氧化鋁粉末。通過(guò)摩擦試驗表明這種新型軸承的壓強可達到90 MPa， 摩擦因數低于0.15，滿(mǎn)足苛刻工況下軸承的力學(xué)性能要求。

通過(guò)對比石墨基、含鉛PTFE、無(wú)鉛PTFE固體潤滑劑與銅合金復合制成的3種鑲嵌型軸承的摩擦學(xué)特性，結果發(fā)現無(wú)鉛PTFE鑲嵌型無(wú)鉛PTFE鑲嵌型軸承在工作時(shí)形成的轉移膜最完整、均勻，耐磨性最好，臺架試驗表明無(wú)鉛PTFE鑲嵌型軸承用于水利工程預計具有長(cháng)達50年的安全使用壽命。

對幾種石墨和PTFE復合固體潤滑材料鑲嵌在銅合金上進(jìn)行端面摩擦磨損試驗，結果表明：添加適量的石墨可使摩擦表面形成均勻的轉移膜，減少基體銅合金在摩擦表面的裸露，從而使該材料復合制成的關(guān)節軸承能夠在工作時(shí)有效降低摩擦副接觸界面由黏著(zhù)引起的機械破壞式磨損。

1.2 聚醚醚酮

聚醚醚酮( PEEK)力學(xué)性能優(yōu)良，耐腐蝕性較好，熱穩定性以及摩擦磨損性能良好，是繼PTFE后另一種受歡迎的減摩耐磨材料，與PTFE相比具有更好的承載力和耐磨性，可在無(wú)潤滑和粉塵等工況下使用，能夠替代不少傳統金屬材料。

對填充PTFE的PEEK自潤滑復合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，結果表明PTFE的填充降低了PEEK的摩擦，但硬度略微下降，當其作為軸承固體潤滑材料時(shí)，為使軸承獲得最良好的摩擦學(xué)性能，填充質(zhì)量分數為10%的PTFE最合適。

用PTFE、石墨等填充PEEK制成了鑲嵌型軸承，研究了不同的填充物和填充量對復合材料摩擦磨損性能的影響，確定了材料的比磨損率與工作極限PV值的關(guān)系，結果表明：常溫下PEEK的摩擦因數為0.48，制成PEEK復合材料后，隨著(zhù)試驗溫度的升高，材料摩擦因數減小，約為0.20~0.25，填充質(zhì)量分數為15%。PTFE和15%石墨的PEEK材料摩擦磨損性能最優(yōu)，說(shuō)明該自潤滑復合材料在高溫條件下性能更好，可作為自潤滑鑲嵌型軸承的固體潤滑材料。

對PEEK和PTFE混合物的摩擦磨損性能進(jìn)行研究，質(zhì)量分數為32%的PEEK的磨損率最低為2x 10^-9mm³·N^-1·m^-1磨損率是未填充PEEK的0. 11% ，是未填充PTFE的0.0004%,證明該復合材料可以作為鑲嵌型軸承用固體潤滑材料。

1.3 聚酰亞胺

聚酰亞胺(PI)是目前有機高分子聚合物材料中熱穩定性能較好的材料之一。PI作為綜合性能優(yōu)異的特種工程塑料，具有優(yōu)良的熱穩定性，突出的耐輻照性能和優(yōu)異的減摩耐磨性能，干摩擦時(shí)可在對偶面形成轉移膜，起到自潤滑作用。在高溫、高壓的減摩耐磨工況下應用廣泛。

采用PI復合材料制造耐高溫自潤滑軸承襯套，其具有節能，不污染環(huán)境，使用壽命可提高2~3倍的特點(diǎn)，能替代各類(lèi)粉末冶金含油軸承、金屬滑動(dòng)軸承和各類(lèi)滾動(dòng)軸承，可滿(mǎn)足高溫高載荷、高轉速和多粉塵等苛刻工況。

以PI為基體，石墨為填充物研究出一種固體潤滑材料，試驗結果表明石墨的填充可改善PI的摩擦磨損性能，隨石墨填充量的增加，摩擦因數減小，磨痕寬度減小，但沖擊強度減小。當PI中添加石墨的質(zhì)量分數為15%時(shí)，該潤滑材料的摩擦磨損性能最優(yōu)，可作為鑲嵌型軸承的固體潤滑材料。

1.4 小結

軸承中用聚合物類(lèi)自潤滑材料替代普通金屬制品應用的研究日益廣泛，聚合物摩擦磨損性能與在對偶面上形成轉移膜的能力及轉移膜特性相關(guān)。因為單一聚合物某些性能較差，直接應用到滑動(dòng)軸承中綜合性能一般，所以廣大學(xué)者重點(diǎn)研究聚合物、填充物和摩擦副組成的摩擦復合體系中各種因素之間的相互影響關(guān)系，摩擦磨損、微觀(guān)機理以及溫度、潤滑、速度等條件的影響等。

石墨是碳的一種結晶形態(tài)，具有六方晶格，由于層與層之間分子鍵的結合作用力較小，故容易在層與層之間發(fā)生滑移，所以石墨的強度和硬度低，但其潤滑性能好，價(jià)格低廉，并且對環(huán)境無(wú)危害，在減摩耐磨材料中廣泛應用。在機械工業(yè)中，一般的潤滑油無(wú)法在高溫、高速、高壓的條件下使用，而石墨可在-200~2000°C下使用，并且能應用于高速工況，因此石墨經(jīng)常被鑲嵌在金屬基體上作為潤滑材料使用。

2.1 銅合金基體

銅合金石墨復合材料于20世紀初問(wèn)世，這種材料由純銅或銅合金作為基體鑲嵌石墨組成。銅合金石墨復合材料既具備銅合金基體的導熱、導電性好，強度高的特點(diǎn)，同時(shí)也兼具石墨在常溫和高溫下都具有良好潤滑性的特點(diǎn)，廣泛應用于無(wú)油或少油的工況。

把石墨等潤滑材料鑲嵌在銅合金中，由于受摩擦擠壓和熱的作用，可使材料自身在相對滑動(dòng)表面形成一層較穩定的潤滑膜,并且依靠石墨不斷向外擠壓來(lái)修復被損傷的潤滑膜，起到潤滑和減摩作用，當石墨的體積分數超過(guò)20%時(shí)，有利于形成完整和連續的石墨潤滑膜。研究表明，這種銅合金鑲嵌石墨復合材料的摩擦因數接近石墨的摩擦因數而與基體無(wú)關(guān)。

在摩擦磨損試驗機上對錫青銅、鋁青銅、鋁黃銅鑲嵌型石墨軸承試樣進(jìn)行了常溫下干摩擦對比試驗，探討了不同銅合金基體對鑲嵌型軸承摩擦磨損性能的影響。結果表明，錫青銅鑲嵌型軸承在各種試驗條件下均表現出了優(yōu)良的摩擦磨損性能；鋁黃銅和鋁青銅鑲嵌型軸承的摩擦磨損性能較差，尤其是在載荷較大時(shí)性能更差。

發(fā)明了一種在銅合金關(guān)節軸承表面鑲嵌石墨的工藝，該工藝以銅合金作為基材在表面設置盲孔或通孔，加熱擴大表面銅合金的盲孔或通孔直徑,然后將石墨用壓頭嵌人孔中，再對銅合金進(jìn)行冷卻使孔徑恢復到原尺寸，從而實(shí)現石墨與合金的牢固連接。試驗表明該銅合金鑲嵌石墨技術(shù)與原有技術(shù)相比產(chǎn)品摩擦因數小，承載能力高，可在較大的溫度范圍長(cháng)期服役。

以錫青銅為金屬基體，石墨、MoS₂和其他材料的混合物作為固體潤滑材料，研發(fā)出一種可用于20多種機械設備的鑲嵌型自潤滑軸承。試驗表明：載荷、速度和溫度對軸承的摩擦因數影響不明顯，說(shuō)明此鑲嵌型自潤滑軸承在高溫工況下可形成具有減摩耐磨作用的潤滑膜，該軸承的實(shí)際壽命約為一般軸承的10倍。

2.2 鐵基基體

鐵基材料有一定的耐磨性，強度、硬度較高，易加工，成本較低，而且可根據制備的工藝要求添加碳元素或其他合金元素來(lái)調整其力學(xué)性能和耐腐蝕性能，以適應于不同的工作環(huán)境。

在鐵基石墨鑲嵌型關(guān)節軸承中加入銅作為第二相來(lái)改善摩擦特性，結果表明加入適當的銅能增加材料的表面硬度，提高鐵基材料的耐磨性，降低磨損率。

為研究不同鐵基材料鑲嵌石墨的效果，在端面摩擦磨損試驗機上對45^#鋼、不銹鋼、鑄鐵鑲嵌型石墨軸承試樣進(jìn)行干摩擦對比試驗，結果表明：45^#鋼的耐磨性和承載性最差，在重載下磨損量很大；在載荷較大時(shí)，不銹鋼鑲嵌型石墨軸承試樣的摩擦性能較好，磨損量較小，雖在載荷較小時(shí)易發(fā)生咬合，但與其他2種鐵基材料相比摩擦因數總體比較平穩。

2.3 小結

目前，銅合金鑲嵌石墨技術(shù)因為兼備銅合金優(yōu)異的力學(xué)性能和石墨低摩擦、自潤滑性能，已被大量應用于核電、航空、航天等特殊工況的軸承中，為達到最優(yōu)的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，應考慮石墨含量與固體潤滑劑復配及銅合金種類(lèi)等因素，這也是國內外學(xué)者目前主要研究的方向。而鐵基石墨鑲嵌型軸承的金屬基體趨于合金化，以改善其摩擦磨損性能及耐腐蝕性能。

MoS₂是一種非常柔軟的固體，不易傷害金屬表面，穩定性較好，MoS₂晶體具有由多個(gè)堆疊層形成的層狀結構，且每片由嵌在2個(gè)硫原子平面之間的鉬原子平面組成。一層中S-Mo-S共價(jià)鍵.的強度非常高，而由范德華力引起的2個(gè)相鄰層之間的結合強度相對較小。因此，很難破壞S-Mo-S層內之間的結合，而層與層之間容易滑動(dòng)，MoS₂的潤滑機理與石墨非常相似。

研制了一種替代船閘閘門(mén)軸承的新型鑲嵌型關(guān)節軸承(MoS₂作為固體潤滑劑)，試驗結果表明該鑲嵌型關(guān)節軸承工作一段時(shí)間后在接觸表面形成固體潤滑膜，靜摩擦因數顯著(zhù)降低。

通過(guò)疲勞壽命試驗和實(shí)例論證了MoS₂在鑲嵌型關(guān)節軸承跑和運轉時(shí)能減少運轉時(shí)產(chǎn)生的摩擦，從而延長(cháng)軸承的使用壽命，降低軸承在工作時(shí)的噪聲。

在鑲嵌型滑動(dòng)軸承中采用MoS₂為固體潤滑材料，可在滑動(dòng)表面形成穩定的轉移膜，從而起到減摩耐磨的作用，可滿(mǎn)足高溫高壓環(huán)境的使用條件，但不適用于高速、輕載、低溫的工況。