石墨材料與石墨軸承_機械/儀表_工程科技_專業(yè)資
作者:jcadmin
發(fā)布時間:2022-04-14 15:35:45
石墨材料與石墨軸承(2011/03/14 16:07) 石墨材料與石墨軸承 軸承是機械工業(yè)中常用的一種滑動機件。石墨軸承是隨著機械設(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,如自潤滑、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)輕等。隨著科學技術(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,炭復合材料軸承由于它的可設(shè) 計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)和應用市場,在此基礎(chǔ)上進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,因為石墨軸承在制造工藝上和技術(shù) 性能上都有其獨特的方面,在今后的發(fā)展中有一定的擴展性,在此做進一步分 析研究,為的是得到進一步開發(fā),在應用中得到更加廣闊的市場。 2、石墨軸承的潤滑基理、分類和性能分析 從碳原子結(jié)構(gòu)分析石墨材料的潤滑性。石墨材料本身就存在潤滑性能,這是 石墨的晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)外,就是水和空氣對它的良好潤滑作用的發(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的解理面間的距離,從 而減弱了它們間的結(jié)合力。 軸承有滾動軸承和滑動軸承之分,材質(zhì)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(yè)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(zhuǎn)。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(zhì)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(zhuǎn)情況下,動摩擦 系數(shù)在 0.08-0.3 之間, 濕運轉(zhuǎn)情況下由于存在著邊界潤滑, 所以動摩擦系數(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(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*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(huán)境?;瑒虞S承具有普通機械零件之間滑動接觸的特征。除摩擦、磨 損發(fā)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(zhuǎn)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(jīng)混合、壓型、燒結(jié)而 成,選用呈樹狀結(jié)構(gòu)的電解銅粉,其最大特點是經(jīng)高溫燒結(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(zhuǎn)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(zhuǎn)后,溫度降低孔穴和潤滑油恢復原來狀態(tài), 油便被重新吸入孔穴,從而形成了自動潤滑現(xiàn)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(shù)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(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,它的機械強度基本取決于采用的 金屬材質(zhì)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(tài)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(shù)一般取決于基體金屬材質(zhì)。但鑲嵌石墨軸承的強 度大大提高,可在重載荷下運行。 3、石墨軸承的設(shè)計與制造 炭材料結(jié)構(gòu)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(shè)計性。石墨軸承由于它的生產(chǎn)工藝和原材料的可設(shè)計性為設(shè)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(shù)條件和使用環(huán)境 的石墨軸承。 PV 值是軸承設(shè)計時的重要參數(shù) 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(shè)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(zhuǎn)因環(huán) 境不同又有干運轉(zhuǎn)和濕運轉(zhuǎn)之分。在干運轉(zhuǎn)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(chǎn)生熱量的限制。而磨損速率又受到軸承材質(zhì)、軸和軸承表面加工 情況、載荷、速度及周圍介質(zhì)等條件的影響。在干運轉(zhuǎn)的情況下,軸承允許的 PV 值還直接受到軸承材質(zhì)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(zhuǎn)),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(chǎn)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(zhuǎn)允許的 PV 值可能較干運轉(zhuǎn)時高出近百倍。 石墨軸承設(shè)計種類有圓柱形、圓柱代凸緣形、圓形、特殊結(jié)構(gòu),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(nèi)徑的 1/5-1/7 為合適, 最小限度為 3mm 以上,軸承的長度是內(nèi)徑的 2 倍以上。軸承運轉(zhuǎn)時溫度將會升 高,運轉(zhuǎn)間隙,可根據(jù)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(jié)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(shù)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(chǎn)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(jīng)混合后采用冷壓制取坯料,并在 780C-895C 的 溫度下燒結(jié)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(jié)、整型。一般青銅石墨含油軸承主要參數(shù):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(shè)計分布在澆鑄模中后,用熔融金屬液澆鑄而成,后經(jīng)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(jié)劑按一定比率均勻混合制成潤滑劑,固化在孔洞中,經(jīng)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(shù),一般取決于金屬 材質(zhì)。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(zhuǎn)速/重載場合,對粉塵污染等惡劣環(huán)境適應性強。 4、討論 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(yōu)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(yè)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(nóng)業(yè)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(fā)。中國是個自行車大國,開發(fā)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(chǎn),如此 還可大大降低生產(chǎn)成本。再有照相機用滑動軸承,照相機的傳動部件不準經(jīng)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(fā)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(zhì),由此可保證長時間為軸承潤滑,這也是開發(fā)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(fā)拓展一些新材料。如采 用 碳合金法,對炭質(zhì)材料的表面和本體進行化學改性,其結(jié)果必將影響所得材料 的結(jié)構(gòu)和性能,極有可能開創(chuàng)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(tǒng)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(fā)展的。 炭石墨軸承有著強大的生命力。在石墨軸承開發(fā)的同時再研究插層石墨、石 墨涂層軸承等新技術(shù),擴大其研究與應用領(lǐng)域,石墨軸承將在今后得到更大、 更廣、更新的發(fā)展。 中國石墨圈的相關(guān)文章 >>更多 · 石墨材料與石墨軸承 · 等靜壓石墨介紹 · 我國冷等靜壓各向同性石墨的發(fā)展… · 單晶硅和多晶硅的區(qū)別 · 等靜壓石墨成型技術(shù) · 河南省特種熱工爐材有限公司--… · 石墨制品產(chǎn)品簡介 · 石墨熱場介紹 · 公司廠房 · 石墨軸承,石墨