滑动轴承材质研究:塑料滑动轴承的材质

　　摘要:分析了滑动轴承对材料性能的要求,介绍了几种常见的油润滑和水润滑轴承材料,为滑动轴承材质选择提供借鉴和参考。　　关键词:水润滑 油润滑 滑动轴承 材质　　中图分类号:TH117.1 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)09(c)-0057-02
　　滑动轴承是一种重要机械元件,它用来支承回转类轴类零件并使承载面间能作相对滑动。其优点为:构造简单、拆装方便、运转平稳、能承受较大的冲击负荷。缺点是:不易润滑和散热、较易磨损、功率的损失较大。为了减少摩擦和磨损,轴承必须工作在有良好的润滑状态下。然而,一些外在扰动会使轴承与轴颈在滑动过程中局部直接接触,使其处于边界润滑或混合润滑状态,那么必须通过选择良好的滑动轴承材料来弥补润滑条件的缺陷与不足[1]。
　　1 滑动轴承材料性能要求
　　理想的滑动轴承材料应具有以下性能:(1)耐磨性:材料抵抗磨损的能力,与材料的硬度有关,材料的机械强度越大越不容易磨损。(2)减摩性:材料摩擦阻力应比较小,否则会产生较大的摩擦功耗。(3)抗胶合性:防止轴承和轴颈表面因承载力过大或高温产生互相咬粘或烧伤的能力,胶合分为冷胶合和热胶合。(4)跑合性:依靠表层的弹塑性变形来补偿滑动表面因粗糙度等原因造成的初始配合不良的性能,塑形好的软金属有良好的跑合性。(5)承载能力:材料在低的摩擦系数和适度磨损量时,能承受最大载荷的能力。(6)可嵌入性:材料在硬质颗粒的作用下产生局部塑性变形的能力,较软的材料嵌入性好些。(7)抗疲劳性:指材料在变载荷的作用下抵抗疲劳破坏的能力,抗疲劳性与轴承的表面粗糙度和缺陷有关。(8)耐蚀性:主要是指化学稳定性,材料抵抗腐蚀破坏作用的能力,由材料的成分、化学性能、组织形态等决定。(9)亲油(水)性:指润滑液在工作表面上形成边界膜的能力,主要与材料的化学成分有关。
　　上述滑动轴承材料的各种性能很难同时满足,因此必须根据其使用条件进行合理的选择。
　　2 油润滑滑动轴承材料
　　现代油润滑轴承材料主要有以下几种:巴氏合金;铜合金;铝合金;多孔金属和非金属材料。
　　2.1 巴氏合金
　　巴氏合金分为锡基和铅基两种,均属软质低熔点材料,具有优良的抗咬合性、减摩性、可嵌入性和跑合性。然而其承载能力、耐热和耐疲劳性能较差[2]。巴氏合金在低载、高速条件下应用广泛。巴氏合金滑动轴承大多采用双金属制成,轴承背部采用硬度高、弹性好的钢带,钢带内表面浇铸一层0.1～0.3mm的巴氏合金内衬,并制成半瓦,可以直接安放于直径尺寸配套的轴承座中,安装使用便利。
　　2.2 铜合金轴承材料
　　铜合金材料是目前使用最多的轴承材料,其具有承载能力强、疲劳强度高、热传导性好、耐热性好等优点。常用的铜合金主要由铜,铅,锡元素组成,其中铅青铜和铜铅合金是最常用的铜合金轴承材料[3]。铅青铜可通过改变含量来调整、控制材料的强度和耐磨性。常用的铅青铜滑动轴承材料有和。铜铅合金可在较硬的铜基母材中复合软质的铅,并使铅在铜合金基体中的分布均匀细小,铅的含量直接决定了材料的硬度和承载能力。硬质的铜合金大都具有优良的耐磨性和抗疲劳性,但跑合性、可嵌入性差。对此可将铅、铟、锡等软质金属采用电镀方法沉积在铜合金轴承材料的表面,满足高速运转轴承的需要。
　　2.3 铝合金轴承材料
　　铝合金具有良好的可成型性、可焊接性、可机加工性能,同时具有中等强度。铝基滑动轴承材料种类较多,按其所含元素及含量的不同可分为高锡铝合金(Sn≥20％),低锡铝合金(Sn<6%);中锡铝合金(6％　　2.4 自润滑轴承材料
　　自润滑材料又可称为固体润滑剂,石墨、和聚四氟乙烯树脂材料是使用较多的自润滑材料,摩擦性能非常优异。其中树脂材料的热传导性差、不耐高温、机械强度低,但可铺敷在烧结有铜粉的钢板上制成金属-塑料3层复合材料,经轧制、卷制成薄壁复合轴承,在高速、低载、无油或少油润滑状态下得到了广泛的应用[4]。另外也可将二硫化钼粉、石墨粉等增强体添加到表层树脂材料中,以提高承载能力与耐磨性能,获得更好的综合性能。
　　固体自润滑涂层材料主要有两种:一是具有高硬度、耐磨损、耐高温、的陶瓷。二是新型碳系材料,如超微细的金刚石基团,摩擦学性能更好的类金刚石碳。
　　3 水润滑滑动轴承材料
　　现代科学技术的高速发展,迫切需要进一步提高轴承的转速和承载力。对于油润滑来讲,即使滑动轴承完全工作在流体润滑状态,其值也很难超过。这是因为在油膜所处的微小间隙内,油液的内摩擦发热极大,很难及时排出,造成轴承温度居高不下,限制了主轴转速的提升。
　　那么采用水润滑,由于水的粘度很低(20℃时水的动力粘度只有约),则可大大降低轴承润滑薄膜的内摩擦力和温升,采用水润滑不失为提高主轴转速的新思路。
　　新思路带来的新问题是,相同承载力下,水膜的厚度大约只有油膜厚度的1/8,如此微小的间隙很难产生完全流体润滑,因此要求水润滑滑动轴承材料除了具备以上对滑动轴承的一般性要求外,还应突出以下特性:(1)水润滑材料自身应具有一定的亲水性(水不含有极性分子),以产生有效润滑作用的表面吸附物。(2)轴承材料应具有一定的硬度,较高的耐磨性或减磨性。(3)纯水的导电性比普通润滑油高数亿甚至数百亿倍,会使绝大多数金属材料发生电化学腐蚀,也会使高分子化学材料产生化学老化,因此轴承材料的耐腐蚀性受到严峻考验。
　　常用的水润滑轴承的材料有金属、塑料、橡胶、陶瓷等几类。
　　(1)金属材料。 　　金属材料亲水性普遍差,很难形成润滑水膜使轴承工作于流体润滑状态,因此不太适合作水润滑轴承材料。但由于金属硬度高,耐磨性很好,因此在高负荷、低转速的边界润滑条件下得到很多应用,在混有杂物的场合也应用很多,只是在这些场合工作金属是存在较多磨损的。
　　金属与水接触会被锈蚀,因此用作水润滑的滑动轴承材料多是青铜、高强度黄铜或铝青铜等,而轴的材料则采用不锈钢居多。轴材料经镀铬处理也可防锈,但两种异类金属在水中仍易发生电化腐蚀而起泡、剥落。
　　(2)塑料材料。
　　在水滑动轴承中应用得最多的塑料材料是酚醛树脂和氟化乙烯树脂。这两种材料与水的亲和性很好,因此易形成流体润滑;而其自身也具有一定润滑性,因此在边界润滑条件下也能较好的工作。但塑料的弹性模量与水的体积模量接近或更小些,在重载下转子的刚性和回转精度均不可能太好,因此塑料滑动轴承的适用的承载量偏低;同时温度较高时塑料的机械强度会大幅下降,因此塑料轴承的许用值大多是低于0.1这个数量级的,即只适用于较低转速或较低载荷。同时许多塑料类轴承有一定的吸水率和材料热膨胀系数,使其不适用于回转精度要求较高的场合。
　　(3)橡胶材料。
　　橡胶轴承嵌入性好,可用于有磨粒或杂质存在的恶劣条件下。橡胶弹性模量低,具有高减振性和抗冲击性好等显著优点,但也正因为橡胶材料的弹性变形比较大,其承载能力偏低,轴运转精度不高。另外,橡胶干运转性能比较差,不适合转速较低、频繁启动的场合。但要注意,橡胶材料与水的亲和性、承载能力与自润滑性能,可以通过添加相应助剂得到不同程度的改善。
　　(4)陶瓷材料。
　　常用的工程陶瓷材料主要有氧化铝()、氧化锆()、碳化硅()、,其作为水润滑材料有以下优点:(1)长寿命:陶瓷硬度为HRC75～80,比钢的硬度高得多,具有很高的耐磨性。(2)高刚性:陶瓷的弹性模量比钢的高50%,因此能提高主轴刚度15%～20%。(3)质量轻:陶瓷密度约为钢密度的40%,如作为回转件则离心力小。(4)干摩擦系数小:大约只有钢的30%,即发热量更低。(5)热膨胀率低:氮化硅的热膨胀率大约是钢的20%,尺寸稳定性好。(6)耐腐蚀:陶瓷化学性质不活泼,不会被水腐蚀。(7)耐高温:在高温下强度和硬度也不会降低,且不会发生冷胶合或热胶合,适用于高速、重载场合。(8)绝缘:陶瓷材料不导电,可使轴承不会因电容效应而被电弧击伤。
　　在水润滑条件下,经流体摩擦会产生,可以提高其耐磨性。非氧化物陶瓷和会发生较明显的水合反应,形成一层胶状反应层附着在摩擦副表面[5,6],使表面如同抛光一样非常光滑,同时更有利于完整水膜的形成,保证水润滑轴承的精度和刚度,因此硅基陶瓷轴承在水润滑条件下性能更好。
　　综上所述,陶瓷材料可适用于高温、高速工况,且能保持良好的工作状态,在强磁场或腐蚀性环境中也能正常运转。但陶瓷材料很脆,耐冲击性差,在冲击载荷的作用下易破碎;对水中杂质的高度敏感,易对轴产生磨粒磨损;与轴的硬度匹配不佳,轴的磨损比轴承要严重;陶瓷硬度很高,加工很困难,只能采用自然界中硬度最高的材料—— 金刚石、立方氮化硼等对其进行精密磨削,加工费用很高。基于以上原因,陶瓷轴承的应用受到了限制,但有理由认为,陶瓷轴承是当前最富潜力的高精度水润滑轴承之一。
　　4 结语
　　分析了滑动轴承对材料性能的要求,介绍了几种常见的油润滑和水润滑轴承材料,为滑动轴承材质选择提供借鉴和参考。
　　参考文献
　　[1]郭大威,徐桢基,顾敦清,等.滑动轴承的失效分析[M].北京:机械工业出版社,1985.
　　[2]梁炬仁.汽车发动机滑动轴承合金材料发展动态[J].汽车与配件,1989(9):23-35.
　　[3]Collyear,John.有色金属与滑动轴承[J].中国有色金属学报,1993,3(4):88-92.
　　[4]韩凤麟,贾成厂.烧结金属含油轴承[M].北京化学工业出版社,2004.
　　[5]Sasaki S．The effects of water on friction and wear of ceramics[J]．J．Jap．Soc．Luburication Eng．,1988,33(8):620-628．
　　[6]Xu J,Kato K,Hirayama T．The transition of wear mode during the running-in process of silicon nitride sliding in water [J]．Wear,1997,205(1／2):55-63．

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