石墨材料与石墨轴承简介

石墨材料与石墨轴承简介 
 
    1、前言  
    轴承是机械工业中常用的一种滑动机件。石墨轴承是随着机械设备的性能要求 ，在金属轴承的基础上开发并发展起来的炭质轴承。炭质轴承有不同于金属轴承的 特性，如自润滑、耐高温、耐腐蚀、质轻等。随着科学技术的发展，人们又开发了 陶瓷球轴承、炭化硅轴承等，石墨轴承也得到了进一步的拓展，制造出了青铜石墨 含油轴承、镶嵌石墨轴承。为各种工况条件下的轴承选择提供了更大空间，满足了 不同技术条件的要求。另外，炭复合材料轴承由于它的可设计性和特有的材料功能 将是今后轴承材料的发展方向。石墨轴承有着一定的发展基础和应用市场，在此基 础上进一步研究炭石墨轴承、青铜石墨含油轴承、镶嵌石墨轴承有利于炭石墨类轴 承的发展，因为石墨轴承在制造工艺上和技术性能上都有其独特的方面，在今后的 发展中有一定的扩展性，在此做进一步分析研究，为的是得到进一步开发，在应用 中得到更加广阔的市场。  
    2、石墨轴承的润滑基理、分类和性能分析  
    从碳原子结构分析石墨材料的润滑性。石墨材料本身就存在润滑性能，这是石 墨的晶体结构所决定的。石墨的润滑性能除晶格的特定原因有先天可供润滑的结构 外，就是水和空气对它的良好润滑作用的发挥。水和空气的存在使石墨的工作面上 吸附了水和气体分子，增大了石墨互相滑动的解理面间的距离，从而减弱了它们间 的结合力。  
    轴承有滚动轴承和滑动轴承之分，材质上又有金属、非金属、复合材料之别。 石墨轴承多用于滑动轴承，滑动轴承又分为径向轴承和止推轴承。文中主要对炭石 墨轴承、青铜石墨含油轴承和镶嵌石墨轴承进行分析。  
    石墨轴承以石墨材料为主要基材，应用于食品、饮料、纺织、化工等工业部门 中的运输机、干燥机、纺织机、潜水泵电机等轴承方面，这些部位如用油脂润滑剂 不可避免会引起污染，而石墨轴承的自润滑性很强，耐腐蚀，可不使用润滑油而进 行长期运转。石墨轴承的磨损与载荷、温度和速度的平方成比例，当压力为0--0. 49MPa时，各种材质的石墨轴承均能满足需要。为了提高制品的机械强度，特别是 为了提高耐冲击韧性，常用一些耐磨性能好的易熔金属进行浸渍处理。浸锑石墨轴 承允许的工作温度可达500C，锑与铜对磨时不易沾着，在大负荷和快速的情况下工 作，其耐磨性能可提高2--3倍。石墨材料的强度随温度升高而增加的趋势一直保持 到2600C左右，在高温时强度是室温的3倍。滑动轴承存在着两种摩擦形式，即静摩 擦和动摩擦，一般炭石墨轴承的静摩擦比同样情况下的金属轴承要小一些。普通炭石墨轴承在干运转情况下，动摩擦系数在0.08-0.3之间，湿运转情况下由于存在着 边界润滑，所以动摩擦系数一般在0.01-0.1范围内。在炭刷与换向器的摩擦中，换 向器表面可产生一层褐色、深紫色、浅兰色的薄膜，这层薄膜可起润滑过程中的保 护作用。分析可知，这层薄膜主要由两部分组成，其一是与金属结合在一起的金属 氧化膜和金属氢氧化物，称为氧化薄膜。其二是炭素薄膜，在运行过程中的炭块上 剥离下来的极其细小的炭、石墨粒子、炭块材料中所含的不纯物、空气中浮游的尘 埃以及被吸附的水分和氧所组成。由此可见，保护膜的形成可起更好的润滑作用， 但也离不开水分和氧的环境。滑动轴承具有普通机械零件之间滑动接触的特征。除 摩擦、磨损发热外，还要有一定的机械强度。虽然可对石墨轴承材料进行浸渍处理 以增强其机械强度、抗冲击性，但在较大的载荷条件下，往往仍达不到所要求的机 械强度，从而人们开始用粉末冶金方法制造青铜石墨含油轴承。  
    青铜石墨含油轴承采用粉末冶金法制造，在保持原有石墨轴承的主要特征外， 增加了机械强度。自承重轴承一般使用铅青铜或锡青铜/石墨基。铜/铅/石墨轴承 能耐极高的转速。铅、锡/铜主要用来合成铅、锡青铜，以增加制品的机械强度。 加入过量的锡和铅是不必要的，一般加入量在5%--10%(重量)范围，过量的铅、锡 将显著降低制品的机械强度。  
    粉末冶金法制造青铜石墨含油轴承采用铜粉/石墨粉，经混合、压型、烧结而 成，选用呈树状结构的电解铜粉，其最大特点是经高温烧结之后能使轴承具有均匀 的网体结构和开放性孔穴。润滑油可充满轴承所有孔穴，并和轴承中的固体润滑剂 --石墨形成润滑性能很高的石墨胶体润滑剂。当机械运转时，轴承因摩擦升温而膨 胀导致孔穴容积缩小，加之润滑油亦因受热膨胀而溢出，起到了对轴与轴承间润滑 作用。当停止运转后，温度降低孔穴和润滑油恢复原来状态，油便被重新吸入孔穴 ，从而形成了自动润滑现象。在万一油量不足的情况下，石墨也可以单独地担当起 润滑作用，仍可保持轴承有较低的摩擦系数和较好的耐磨性能。随着轴承载荷要求 的进一步提高，青铜石墨含油轴承也难达到要求，随后人们又开发出了镶嵌石墨轴 承。  
    镶嵌石墨轴承的制造是以金属材料为基体，它的机械强度基本取决于采用的金 属材质的机械性能，石墨作为一种固体润滑材料镶嵌在轴承的摩擦面金属基体上， 用于轴承工作状态下的润滑材料，但石墨也有含油效果。石墨的镶嵌可采取二种方 法，一种是熔融金属液浇铸法，另一种是在金属基材上先按照一定的排列方式加工 一些孔洞，然后将固体润滑剂嵌入其中，镶嵌石墨轴承的抗压强度、抗折强度、热 膨胀系数一般取决于基体金属材质。但镶嵌石墨轴承的强度大大提高，可在重载荷 下运行。  
    3、石墨轴承的设计与制造 炭材料结构的多样性来源于炭/炭原子间化学键合的多样性，由此也提供了炭 材料的可设计性。石墨轴承由于它的生产工艺和原材料的可设计性为设计与制造提 供了一定空间，从而可制造出性能各异，适用于多种技术条件和使用环境的石墨轴 承。  
    PV值是轴承设计时的重要参数         PV=P.V 
        P--单位面积载荷压力，MPa；         V--轴的线速度,m/s。  
    PV值超过各种材料的极限值时，就会引起异常的升温和磨损，一般设计要留有 余量，参考PV值应在极限值的50%--70%。在实际工作中，轴承的运转因环境不同又 有干运转和湿运转之分。在干运转的情况下，石墨轴承允许的最大载荷受到轴承的 强度和允许的磨损速率的限制。其允许的最大线速度则受到轴承摩擦面上所产生热 量的限制。而磨损速率又受到轴承材质、轴和轴承表面加工情况、载荷、速度及周 围介质等条件的影响。在干运转的情况下，轴承允许的PV值还直接受到轴承材质的 影响，在高温下允许PV的值必须比低温时要小得多。当轴承浸在液体里或者是液体 所喷溅的情况下(湿运转)，其摩擦和磨损可大大降低。加之液体能够帮助逸散因摩 擦而产生的热量，这样就大大提高石墨轴承允许的PV值，在实际条件下湿运转允许 的PV值可能较干运转时高出近百倍。  
    石墨轴承设计种类有圆柱形、圆柱代凸缘形、圆形、特殊结构，但从石墨轴承 的强度考虑，炭轴承的厚度必须比金属轴承大，厚度以内径的1/5-1/7为合适，最 小限度为3mm以上，轴承的长度是内径的2倍以上。轴承运转时温度将会升高，运转 间隙，可根据轴和轴承的热膨胀来决定，一般是轴径0.3%左右。  
    炭石墨轴承的制造工艺与其他炭制品大致相同，基本工艺过程包括：原料的选 择、原料的预处理、原料的破碎、筛分分级、颗粒状与粉状材料的配料、粘结剂的 选择、混匀、混捏、辊压、磨粉压制成型、焙烧、人造石墨制品还须石墨化处理， 浸渍、机械加工等，部分石墨轴承为了增加机械强度和抗冲击性，还需金属(如锑 、铜、铅等)浸渍，最终达到所要求的技术性能，再进行机械加工成所要求的几何 尺寸。  
    青铜石墨含油轴承的生产用粉末冶金方法，新型青铜石墨含油轴承为了增加轴 承的载荷，加入了铁粉，具体制法是采用粒径小于175um的青铜合金粉末和粒径小 于85um的铁粉，加入少量煤油或机油制成混合物，再添加适量小于75um鳞片状石墨 粉、二硫化钼等，经混合后采用冷压制取坯料，并在780C-895C的温度下烧结而成 。其他青铜石墨含油轴承制造工艺与以上工艺大致相同，选择粉料、混合、压形、 烧结、整型。一般青铜石墨含油轴承主要参数：假比重5.5g/cm3--6.0g/cm3，径向破坏强度一般不小于2.5N，体积浸油率20号机油不小于15%。  
    镶嵌石墨轴承有两种制造方法。一是浇铸法，将已加工好几何尺寸的石墨滑块 按设计分布在浇铸模中后，用熔融金属液浇铸而成，后经机械加工达到所需尺寸。 二是在金属基材上，按照一定的排列方式，先加工一些孔洞，然后将以石墨、MoS 2及粘结剂按一定比率均匀混合制成润滑剂，固化在孔洞中，经加工后达到所要求 尺寸，镶嵌石墨轴承的抗压强度、热膨胀系数，一般取决于金属材质。例如M551镶 嵌石墨轴承载荷50MPa，使用温度500C，PV值5MPa.m/s，适用于低转速/重载场合， 对粉尘污染等恶劣环境适应性强。  
    4、讨论  
    综上所述，对炭/石墨轴承进行了简要研究与分析，由此证实了炭/石墨轴承的 优良特性，针对不同条件下特殊润滑要求，可研究、制造出性能各异、适合各种条 件的滑动石墨轴承。目前在食品、纺织、印染、化工工业中的输送机轴承、离心泵 轴承、潜水泵轴承、齿轮轴承和汽车、航空、农业机械等方面都不同程度地得到了 应用。   
    此外，对其他适用场合也作了初步探讨。如用于自行车的石墨轴承也有待于开 发。中国是个自行车大国，开发自行车用石墨轴承将是一个巨大的潜在市场。试想 自行车中轴、叉架、脚蹬等处滑动轴承都是线速度要求不高、平时又很少加润滑油 的滑动处。这些轴承(滑动件)大都是标准件，很适合大批量生产，如此还可大大降 低生产成本。再有照相机用滑动轴承，照相机的传动部件不准经常充注润滑油，采 用石墨轴承是理想的材料之一。除直接开发石墨轴承外，利用石墨的润滑性、多孔 石墨的储油性等特点制造滚动轴承球架给轴承提供良好的润滑质，由此可保证长时 间为轴承润滑，这也是开发石墨润滑的一个思路。  
    再者，可在炭材料的改性方面作进一步的研究，开发拓展一些新材料。如采用 碳合金法，对炭质材料的表面和本体进行化学改性，其结果必将影响所得材料的结 构和性能，极有可能开创出新的功能材料用于润滑石墨轴承的制造。再如炭化硅轴 承的研究，它有较强的硬度、耐高温等特性，但成本很高还没能推广。用粉末冶金 法这一传统方法制造轴承，如能进一步提高抗压强度和精度也是有较大发展的。  
    炭石墨轴承有着强大的生命力。在石墨轴承开发的同时再研究插层石墨、石墨 涂层轴承等新技术，扩大其研究与应用领域，石墨轴承将在今后得到更大、更广、 更新的发展。