石墨軸承的潤(rùn)滑基理、分類和性能分析
石墨軸承的潤(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。
石墨軸承有滾動(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。滑動(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)行過程中的炭塊上 剝離下來的極其細(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/銅主要用來合成鉛、錫青銅，以增加制品的機(jī)械強(qiáng)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(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)滑材料鑲嵌在石墨軸承的摩擦面金屬基體上， 用于石墨軸承工作狀態(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。
石墨軸承是機(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，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(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。石墨軸承有著一定的發(fā)展基礎(chǔ)和應(yīng)用市場(chǎng)，在此基 礎(chǔ)上進(jìn)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?yàn)槭S承在制造工藝上和技術(shù)性能上都有其獨(dú)特的方面，在今后的 發(fā)展中有一定的擴(kuò)展性，在此做進(jìn)一步分析研究，為的是得到進(jìn)一步開發(fā)，在應(yīng)用 中得到更加廣闊的市場(chǎng)。