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自润滑轴承的材料与应用（ 吴思伟 （上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072）
摘要：自润滑轴承技术完全突破了一般依靠油脂润滑的的局限性，实现了无油脂，省去了润滑装置以及润滑油、润滑脂的密封装置。本文首先概述了什么是自润滑轴承，以及自润滑轴承的分类。然后介绍了典型的自润滑轴承，以及所对应的自润滑轴承的特点和材料。最后通过说明自润滑轴承的润滑机理，介绍了自润滑轴承的运用场合。 关键词：自润滑轴承；材料；镶嵌型；粉末冶金
Materials and application of self lubricated bearing
WU Si-wei (College of mechanical and electrical engineering and automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)
Abstract: ring lubrication, and has realized no grease, eliminating the lubricating device and sealing device of lubricating oil and grease. This paper first outlines what is the self lubricated bearing, as well as the classification of self lubricated bearings. Then the typical self lubricated bearings, and the characteristics and materials of the corresponding self lubricated bearings are introduced. At last, the paper introduces the lubrication mechanism of the self lubricated bearing, and introduces the application of the self - lubricated bearing. Key words: Self lubricated bearings; materials; mosaic; powder metallurgy 1 前言 滑动轴承是在滑动摩擦条件下工作的轴承, 也称平面轴承。轴被轴承支承的部分称为轴颈, 与轴颈相配的零件称为轴瓦(轴套、轴承套)。为了改善轴瓦表面的摩擦性质而在其内表面上浇铸、涂覆或复合的减摩材料层称轴承衬。轴瓦和轴承衬材料统称为滑动轴承材料。滑动轴承形式简单、接触面积大、工作平稳可靠、无噪声。在液体润滑条件下, 滑动表面被润滑油分开而不直接接触, 可大大降低摩擦损失和表面磨损, 另外油膜还具有一定的吸振能力。因此它被广泛应用在内燃机、轧钢机、大型电机及仪表、雷达、天文望远镜等方面。滑动轴承的缺点是无法保持足够的润滑油储备, 且启动摩擦阻力较大, 一旦润滑油不足, 将产生严重磨损并导致失效。滑动轴承有时在很苛刻的条件下工作, 且处于含尘环境中, 使得普通液体润滑轴承因其摩擦特性所限,不能适应特殊工况的要求。而采用具有自润滑功能的滑动轴承材料, 能有效降低启动摩擦阻力, 且在无润滑油的特殊情况下能短时间甚至长期正常运行。因此具有自润滑功能的滑动轴承材料成为国内外竞相研究的热点之一[1-3]。 自润滑技术轴承完全突破了依靠油脂润滑的局限性而实现了无油润滑, 自润滑材料轴承技术是目前润滑技术发展趋势, 力学强度高和摩擦学性能好的自润滑复合材料的开发成为摩擦学领域的重要热点。例如, 在高温条件下工作的滑动轴承,普遍采用高硬度,高耐磨,高力学强度, 对各种介质作用稳定的矿物陶瓷和金属陶瓷材料；承受高压的结构中使用的干摩擦轴承, 在无冷流介质情况下, 在轴瓦的金属底座上涂布氟塑料薄膜 [4]。自20世纪中叶,国际上开发成功自润滑轴承材料并应用后, 中国该领域的发展较快。 2 自润滑轴承介绍 添加少许润滑剂或者完全没有润滑剂，使滑动轴承自身具有润滑性的轴承叫做自润滑轴承。自润滑轴承技术完全突破了一般依靠油脂润滑的局限性而实现了无油润滑，省去了润滑装置及润滑油、脂的密封装置，因而使轴承的设计大大简化，成本大幅度降低。由于经济、生态环境以及技术等方面的原因，自润滑材料轴承技术是目前润滑技术的发展趋势，机械强度高和摩擦性能好的自润滑复合材料的开发成为摩擦学领域的重要热点。 自润滑轴承的润滑机理是当摩擦面之间存在固体润滑剂时，在运动过程中他们将很快在金属表面形成一层薄的软材料表面膜。由于其剪切强度低，当摩擦副滑动时，粘着点的剪切将发生在膜内，金属间的摩擦由此变成了固体润滑剂分子间的摩擦，从而起到降低摩擦的效果。
2.1 自润滑轴承的分类 2.1.1按结构来分 按结构来分可以分为复合型、干膜型和镶嵌型。复合型就是将固体润滑粉末用树脂、沥青等作为粘结剂经过固化而成的轴承。干膜型就是在轴承的滑动摩擦面上，用粘涂敷结、 烧结、电镀、溅射、化学生成等方法形成一层固体润滑膜的轴承。镶嵌型就是由金属底材与嵌入底材的孔或者槽中的固体润滑剂膏体构成。
2.1.2按材料来分 按材料来分可以分为金属基和聚合物基自润滑轴承。金属基自润滑轴承就是以优质高强度金属为基体, 基体上钻有若干孔, 孔内镶嵌固体润滑剂的自润滑轴承。轴承工作时, 固体润滑剂在轴承表面形成极薄而光滑的润滑膜, 实现轴承的自润滑。停机后, 可减弱摩擦副金属间的直接接触, 从而减小重新启动的阻力, 即使在很高的载荷下, 也能取得很好的使用效果。 聚合物基自润滑轴承就是以聚合物为基体的自润滑轴承，它的特点是重量轻、成型好。聚合物基自润滑轴承的类别有热塑性树脂基和热固性树脂基。热塑性树脂基：PTFE(聚四氟乙烯)、聚酰胺。PTFE基复合材料轴承一般都是通过添加增强纤维或者粉末功能填料，使其强度、刚度、抗蠕变性、耐磨损性等明显有所提高。热固性树脂基：酚醛树脂。以酚醛树脂为粘合剂，有机无机填料为填充材料，填加纤维以及弹性材料进行增韧，混合后热压成形的轴承套冲击强度可达12kJ/㎡,弯曲强度可达95Mpa。该轴承件还具有自润滑性，可进行车削加工，成功替代日本进口材料[6]。
2.2 自润滑轴承的特点 滑动轴承的缺点是无法保持据够的润滑油储备；启动摩擦阻力较大；一旦润滑油不足，将产生严重的磨损并且导致失效。自润滑轴承的出现很好的弥补了滑动轴承的这些缺点。自润滑轴承技术完全突破了一般依靠油脂润滑的的局限性，实现了无油脂，省去了润滑装置以及润滑油、润滑脂的密封装置。 自润滑轴承的优点是无油润滑或者少油润滑，可以在使用时减少保养的次数或者不保养；耐磨性能好，摩擦系数小，使用寿命长；有适量的弹塑性，能将应力分布在较宽的接触面上，提高轴承的承载能力；静动摩擦系数相接近，能有效降低启动摩擦阻力，消除低速爬行，从而保证机械的工作精度；能使机械减少振动、降低噪音，改善劳动条件；对于磨轴的硬度要求低，未经过调质处理的轴都可以使 用，从而降低了相关零件的加工难度；薄壁结构、质量轻，可以减小机械体积；钢背面可以电镀多种金属，可以在腐蚀介质中使用。 3 两种典型的自润滑轴承的介绍 3.1 镶嵌型自润滑轴承 镶嵌型自润滑轴承是在普通滑动轴承有相对运动的机械零件的摩擦面上，通过合理的布孔、开槽，并在其孔、槽内嵌入具有一定形状和强度的固体润滑剂而制成的产品。 嵌入的固体润滑剂有石墨、硫化物、硒化物、氮化硼、氧化铝、氟化钙、合成树脂、聚四氟乙烯等。镶嵌型自润滑轴承优点有可靠性高，在有油或者无油条件下均有良好的润滑效果，可防止胶合、抱轴现象的发生；摩擦系数小，一般为0.04-0.1；机械强度高，如高强度黄铜基材可以承受1000kg/c㎡的载荷，此时摩擦系数是0.05；适用的温度范围广，190℃-700℃。它的缺点是磨屑排除较困难，散热条件差，因此工作速度不宜过高。 镶嵌孔沿运动方向交叉布置，轴向或径向孔之间有一定的切向重叠度 ，以保证轴承的润滑覆盖整个滑动方向，形成完整的固体润滑膜，如图1所示。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAEA1.tmp.png 图1 金属基镶嵌型自润滑轴承是在金属基体(轴瓦)上预先加工好孔洞或沟槽, 在其中嵌入固体润滑材料, 经特殊粘结及时效处理, 二者结合成自润滑轴承。为保证铜合金镶嵌自润滑轴承强度, 通常铜合金壁厚5-40mm, 用铜较多。一种薄壁双金属自润滑轴承( CN1869463A ) 是在钢板或不锈钢板上复合铜合金层； 在铜合金层上加工出盲孔；在盲孔内表面喷洒氯化铵溶液, 40-150目球形锡青铜粉铺撒在氯化铵溶液上, 用氢气保护炉或真空炉在365-395℃ 下烧结, 然后精轧、精加工。铜基镶嵌型自润滑轴承最大承载力只有90MPa。轴承钢/聚四氟乙烯镶嵌型复合材料的承载压强可达90MPa ,摩擦因数低于0.15, 能够满足工程机械的要求。该材料为钢基GCr15, 经球化退火、机加工、淬火加中温回火后, 其硬度为40-42 HRC；固体润滑材料的填料为1- 5石墨、1-5MoS2和10-15 中性氧化铝粉末, 基体为PTFE(余量) ,混合后,经烘干、模压成形、烧结后得到[8]。
3.2 粉末冶金固体自润滑轴承 粉末冶金固体自润滑轴承是把润滑剂以粉末的形式作为组元添加到金属基体原料中，通过压制成型、烧结，形成自润滑复合材料，以其作为轴承、轴瓦。粉末冶金固体自润滑轴承润滑机理则是由于材料本身含有固体润滑剂，轴承在运动时由于热作用和摩擦，使自身的固体润滑剂在相对滑动表面形成一层较为稳定的润滑膜，并且靠本身的自耗来不断补充和提供固体润滑剂，修复破伤的润滑膜，从而达到润滑和减摩作用。如下图2是一种固体自润滑轴承。 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps7A76.tmp.jpg
图2-固体自润滑轴承
粉末冶金固体润滑轴承是指采用粉末冶金方法制造的金属基固体自润滑材料。因为粉末冶金在制备工艺、结构组成等方面具有许多独特的优越性，所以粉末冶金固体润滑轴承组织均匀、几乎无偏析，且热加工性能良好。特别是在耐磨性方面大大优于传统铸造材料。在许多特殊工况下有着广阔的应用前景。 粉末冶金固体自润滑轴承的分类，常见的粉末冶金固体自润滑材料有铜基、铁基、铝基等，在航空航天上也会用到镍基、钛基等。 铜本身就是一种固体润滑剂，因此铜基粉末冶金固体自润滑材料具有较高的减摩性能，并且具有良好的耐蚀性和导电性。常用的铜基粉末冶金固体自润滑材料为铜-石墨复合材料，也有铜-铁、铜-铝、铜-镍等双金属材料。通过合金化及添加剂改善铁基体的减摩性能，可比铜基材料有更高的减摩性能和承载能力。 粉末冶金铜基-石墨自润滑材料由于具有良好的导热性、低噪音、磨合性，摩擦因数低及无污染等优点，已广泛应用于缝纫机械、制药机械和食品机械工业中的摩擦零件的制造。由于这些行业的产品对油污染具有严格的要求，因此迫切需要研究出具有无油或者少油条件下能够自润滑的新材料，以适应环境友好发展和解决产品油污染难题的需求。 铜基自润滑材料的典型组元为铜合金基体+减摩作用的固体润滑相+孔隙构成。铜强度低，需要在铜中加入合金元素形成铜合金进行基体强化来提高材料的硬度、强度性能。而自润滑摩擦性能的提高主要是通过固体润滑相发挥作用来实现的，常用的固体润滑组元主要有石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。新的铜基自润滑复合材料是在无油或少油条件下运行的，对材料的耐磨和自润滑性能的要求与传统的自润滑材料在组织结构、成分配比和制备方法上有所不同。为了获得真正具有高耐磨高自润滑功能的粉末冶金铜基自润滑材料，自润滑性能提高方面的深入研究成为重点研究方向。 铁基体添加了石墨、铜等添加剂后，其摩擦性能与铜基体不相上下，但其力学性能如拉伸强度、弯曲强度等明显优于铜基体铝具有密度小、导热性好、耐蚀性高的优点，因此铝基粉末冶金固体自润滑材料作为一种轻量化的材料引起了人们很大的兴趣。 铝本身的强度和硬度都比较低，需要添加合金化元素进行强化。通常添加的元素主要有铜、镁、硅等。添加这些元素主要是可以形成某些强化相，从而使基体具有高强度，并且具有高模量、耐腐蚀。 钛基材料密度低、密封性好，主要用来制造各类飞行器的轴承、密封件等部件，成本也相当的高。 银基自润滑材料具有摩擦因数低、接触电阻小而稳定、电导率高等优点。银-石墨复合材料广泛用于电接触零件、电刷、轴瓦、滑块、触点和化学溶液中的衬套等。Ag-MoS2系自润滑复合轴承材料可在超高真空、强辐射等特殊工况下使用。Ag-Ta-MoS2石墨系自润滑电刷材料，可用于宇宙空间电力输送与信号传递机构。 其他基体粉末冶金固体自润滑材料如镍基，其使用温度可以达到500~1000 ℃，但是由于镍的成本昂贵，故其应用范围受到了很大的限制。 4 应用 在航空航天上的应用， 当温度超过250℃时，例如；磁控管轴承和工程用高温阀门轴承采用固体润滑轴承。为了保持光学系统免受污染，保证图像清晰，采用固体润滑轴承。 应用在微特电机领域，微特电机应用轴承发展到现在经过了滑动轴承—滚动轴承—滑动轴承两个大阶段，每阶段在性能、寿命或成本方面都有较大提高。西德、英国等应用了固体自润滑轴承的微特电机，其寿命可达1万h左右，而轴承的成本降低数十倍到上百倍。此类轴承的特点是具有良好的自润滑性能，不需另加润滑剂，磨损小，寿命长。固体自润滑轴承的材料主要分为：金属基自润滑复合材料，如青铜—固体润滑剂、银—固体润滑剂等；粉末冶金基自润滑复合材料，如粉冶多孔青铜—氟塑料—固体润滑剂等。 在冶金领域，冶金设备长期处在高温、重载荷、受冲击、粉尘多和水分多的恶劣环境下，润滑油脂往往失效。固体自润滑轴承却发挥了特别好的效能，使现代化的冶金设备提高连续运转率。在冶金企业轧钢、冶炼设备的机械传动中，轴承的使用相当普遍，选用原则是依据机械传动中的载荷大小、转速高低、工作环境等因素，同时兼顾检修及维护方面的要求，并对产品的功能特点、使用条件进行综合比较来确定选用对象。采用固体润滑材料，在同等条件下，使用寿命平均提高l0倍以上。固体润滑材料呈现机械强度高、韧性好、低摩擦、耐磨损且不损伤对偶的摩擦学特性
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发表于 2015-10-21 15:57:35
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