石墨轴承

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，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。

1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。
2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、MoS2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。
3总结

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。