石墨軸承

軸承是機械工業中常用的一種滑動機件。石墨軸承是隨著機械設備的性能要求，在金屬軸承的基礎上開發并發展起來的炭質軸承。炭質軸承有不同于金屬軸承的特性，如自潤滑、耐高溫、耐腐蝕、質輕等。隨著科學技術的發展，石墨軸承也得到了進一步的拓展，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，滿足了不同技術條件的要求。另外，炭復合材料軸承由于它的可設計性和特有的材料功能將是今后軸承材料的發展方向。

1潤滑基理分類和性能分析

從碳原子結構分析石墨材料的潤滑性。石墨材料本身就存在潤滑性能，這是石墨的晶體結構所決定的。石墨的潤滑性能除晶格的特定原因有先天可供潤滑的結構外，就是水和空氣對它的良好潤滑作用的發揮。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的解理面間的距離，從而減弱了它們間的結合力。
軸承有滾動軸承和滑動軸承之分，材質上又有金屬、非金屬、復合材料之別。石墨軸承多用于滑動軸承，滑動軸承又分為徑向軸承和止推軸承。文中主要對炭石墨軸承、青銅石墨含油軸承和鑲嵌石墨軸承進行分析。
石墨軸承以石墨材料為主要基材，應用于食品、飲料、紡織、化工等工業部門中的運輸機、干燥機、紡織機、潛水泵電機等軸承方面，這些部位如用油脂潤滑劑不可避免會引起污染，而石墨軸承的自潤滑性很強，耐腐蝕，可不使用潤滑油而進行長期運轉。石墨軸承的磨損與載荷、溫度和速度的平方成比例，當壓力為0--0.49MPa時，各種材質的石墨軸承均能滿足需要。為了提高制品的機械強度，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行浸漬處理。浸銻石墨軸承允許的工作溫度可達500C，銻與銅對磨時不易沾著，在大負荷和快速的情況下工作，其耐磨性能可提高2--3倍。石墨材料的強度隨溫度升高而增加的趨勢一直保持到2600C左右，在高溫時強度是室溫的3倍。滑動軸承存在著兩種摩擦形式，即靜摩擦和動摩擦，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轉情況下，動摩擦系數在0.08-0.3之間，濕運轉情況下由于存在著邊界潤滑，所以動摩擦系數一般在0.01-0.1范圍內。在炭刷與換向器的摩擦中，換向器表面可產生一層褐色、深紫色、淺蘭色的薄膜，這層薄膜可起潤滑過程中的保護作用。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，在運行過程中的炭塊上剝離下來的極其細小的炭、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，保護膜的形成可起更好的潤滑作用，但也離不開水分和氧的環境。滑動軸承具有普通機械零件之間滑動接觸的特征。除摩擦、磨損發熱外，還要有一定的機械強度。雖然可對石墨軸承材料進行浸漬處理以增強其機械強度、抗沖擊性，但在較大的載荷條件下，往往仍達不到所要求的機械強度，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，增加了機械強度。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速。鉛、錫/銅主要用來合成鉛、錫青銅，以增加制品的機械強度。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械強度。
粉末冶金法制造青銅石墨含油軸承采用銅粉/石墨粉，經混合、壓型、燒結而成，選用呈樹狀結構的電解銅粉，其最大特點是經高溫燒結之后能使軸承具有均勻的網體結構和開放性孔穴。潤滑油可充滿軸承所有孔穴，并和軸承中的固體潤滑劑--石墨形成潤滑性能很高的石墨膠體潤滑劑。當機械運轉時，軸承因摩擦升溫而膨脹導致孔穴容積縮小，加之潤滑油亦因受熱膨脹而溢出，起到了對軸與軸承間潤滑作用。當停止運轉后，溫度降低孔穴和潤滑油恢復原來狀態，油便被重新吸入孔穴，從而形成了自動潤滑現象。在萬一油量不足的情況下，石墨也可以單獨地擔當起潤滑作用，仍可保持軸承有較低的摩擦系數和較好的耐磨性能。隨著軸承載荷要求的進一步提高，青銅石墨含油軸承也難達到要求，隨后人們又開發出了鑲嵌石墨軸承。
鑲嵌石墨軸承的制造是以金屬材料為基體，它的機械強度基本取決于采用的金屬材質的機械性能，石墨作為一種固體潤滑材料鑲嵌在軸承的摩擦面金屬基體上，用于軸承工作狀態下的潤滑材料，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，然后將固體潤滑劑嵌入其中，鑲嵌石墨軸承的抗壓強度、抗折強度、熱膨脹系數一般取決于基體金屬材質。但鑲嵌石墨軸承的強度大大提高，可在重載荷下運行。
2設計與制造

炭材料結構的多樣性來源于炭/炭原子間化學鍵合的多樣性，由此也提供了炭材料的可設計性。石墨軸承由于它的生產工藝和原材料的可設計性為設計與制造提供了一定空間，從而可制造出性能各異，適用于多種技術條件和使用環境的石墨軸承。
PV值是軸承設計時的重要參數
PV=P.V
P--單位面積載荷壓力，MPa；
V--軸的線速度,m/s。
PV值超過各種材料的極限值時，就會引起異常的升溫和磨損，一般設計要留有余量，參考PV值應在極限值的50%--70%。在實際工作中，軸承的運轉因環境不同又有干運轉和濕運轉之分。在干運轉的情況下，石墨軸承允許的最大載荷受到軸承的強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生熱量的限制。而磨損速率又受到軸承材質、軸和軸承表面加工情況、載荷、速度及周圍介質等條件的影響。在干運轉的情況下，軸承允許的PV值還直接受到軸承材質的影響，在高溫下允許PV的值必須比低溫時要小得多。當軸承浸在液體里或者是液體所噴濺的情況下(濕運轉)，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生的熱量，這樣就大大提高石墨軸承允許的PV值，在實際條件下濕運轉允許的PV值可能較干運轉時高出近百倍。
石墨軸承設計種類有圓柱形、圓柱代凸緣形、圓形、特殊結構，但從石墨軸承的強度考慮，炭軸承的厚度必須比金屬軸承大，厚度以內徑的1/5-1/7為合適，最小限度為3mm以上，軸承的長度是內徑的2倍以上。軸承運轉時溫度將會升高，運轉間隙，可根據軸和軸承的熱膨脹來決定，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，基本工藝過程包括：原料的選擇、原料的預處理、原料的破碎、篩分分級、顆粒狀與粉狀材料的配料、粘結劑的選擇、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、機械加工等，部分石墨軸承為了增加機械強度和抗沖擊性，還需金屬(如銻、銅、鉛等)浸漬，最終達到所要求的技術性能，再進行機械加工成所要求的幾何尺寸。
青銅石墨含油軸承的生產用粉末冶金方法，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，經混合后采用冷壓制取坯料，并在780C-895C的溫度下燒結而成。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、整型。一般青銅石墨含油軸承主要參數：假比重5.5g/cm3--6.0g/cm3，徑向破壞強度一般不小于2.5N，體積浸油率20號機油不小于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計分布在澆鑄模中后，用熔融金屬液澆鑄而成，后經機械加工達到所需尺寸。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及粘結劑按一定比率均勻混合制成潤滑劑，固化在孔洞中，經加工后達到所要求尺寸，鑲嵌石墨軸承的抗壓強度、熱膨脹系數，一般取決于金屬材質。例如M551鑲嵌石墨軸承載荷50MPa，使用溫度500C，PV值5MPa.m/s，適用于低轉速/重載場合，對粉塵污染等惡劣環境適應性強。
3總結

綜上所述，對炭/石墨軸承進行了簡要研究與分析，由此證實了炭/石墨軸承的優良特性，針對不同條件下特殊潤滑要求，可研究、制造出性能各異、適合各種條件的滑動石墨軸承。目前在食品、紡織、印染、化工工業中的輸送機軸承、離心泵軸承、潛水泵軸承、齒輪軸承和汽車、航空、農業機械等方面都不同程度地得到了應用。
此外，對其他適用場合也作了初步探討。如用于自行車的石墨軸承也有待于開發。中國是個自行車大國，開發自行車用石墨軸承將是一個巨大的潛在市場。試想自行車中軸、叉架、腳蹬等處滑動軸承都是線速度要求不高、平時又很少加潤滑油的滑動處。這些軸承(滑動件)大都是標準件，很適合大批量生產，如此還可大大降低生產成本。再有照相機用滑動軸承，照相機的傳動部件不準經常充注潤滑油，采用石墨軸承是理想的材料之一。除直接開發石墨軸承外，利用石墨的潤滑性、多孔石墨的儲油性等特點制造滾動軸承球架給軸承提供良好的潤滑質，由此可保證長時間為軸承潤滑，這也是開發石墨潤滑的一個思路。
再者，可在炭材料的改性方面作進一步的研究，開發拓展一些新材料。如采用碳合金法，對炭質材料的表面和本體進行化學改性，其結果必將影響所得材料的結構和性能，極有可能開創出新的功能材料用于潤滑石墨軸承的制造。再如炭化硅軸承的研究，它有較強的硬度、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方法制造軸承，如能進一步提高抗壓強度和精度也是有較大發展的。
炭石墨軸承有著強大的生命力。在石墨軸承開發的同時再研究插層石墨、石墨涂層軸承等新技術，擴大其研究與應用領域，石墨軸承將在今后得到更大、更廣、更新的發展。