供稿|賈成廠,柳學(xué)全 / JIA Cheng-chang,LIU Xue-quan

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固體潤(rùn)滑材料是指利用固體來減少兩承載表面間的摩擦磨損作用,以降低摩擦與磨損的專用材料.固體潤(rùn)滑軸承是利用固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑性能所制備的軸承,在使用過程中無需加潤(rùn)滑油維護(hù).特別適用于無油、高溫、高負(fù)載、防污、防蝕、防輻射以及在水中或真空溶液浸潤(rùn)而根本無法加潤(rùn)滑油的特殊工況條件下使用.常見的粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料有銅基、鐵基、鋁基、鎳基、鈦基等.固體潤(rùn)滑軸承廣泛應(yīng)用于冶金軋鋼設(shè)備、灌裝設(shè)備、水輪機(jī)、氣輪機(jī)、儀器儀表、礦山機(jī)械、船舶機(jī)械、紡織機(jī)械、船舶工業(yè)、航天航海等領(lǐng)域.

固體潤(rùn)滑材料

固體潤(rùn)滑材料是指利用固體的特性來減少兩承載表面間的摩擦磨損作用的專用材料,包括粉末、薄膜或某些整體材料.在潤(rùn)滑過程中,固體潤(rùn)滑材料與摩擦表面發(fā)生作用,形成固體潤(rùn)滑膜,降低摩擦與磨損.

◆ 足夠的黏附力

固體潤(rùn)滑材料應(yīng)該與摩擦表面牢固地附著,且具有良好的成膜能力,能與摩擦表面形成牢固的化學(xué)吸附膜或物理吸附膜,防止相對(duì)摩擦的表面之間產(chǎn)生嚴(yán)重的熔焊或物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)移.

◆ 較低的抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度較低時(shí)能夠減小摩擦副的摩擦因數(shù)、功率損耗與溫度上升,且抗剪強(qiáng)度應(yīng)不隨溫度變化而發(fā)生大的變化,應(yīng)用領(lǐng)域較廣.

◆ 穩(wěn)定性好

包括物理熱穩(wěn)定、化學(xué)熱穩(wěn)定與時(shí)效穩(wěn)定.物理熱穩(wěn)定是指在沒有活性物質(zhì)參與下,溫度改變不會(huì)引起相變或晶格的各種變化,不引起抗剪強(qiáng)度的變化與摩擦性能的改變.化學(xué)熱穩(wěn)定是指在各種活性介質(zhì)中溫度的變化不會(huì)引起強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng),不產(chǎn)生腐蝕及其他有害的作用,對(duì)軸承和有關(guān)部件無腐蝕性、對(duì)人畜無毒害,不污染環(huán)境.時(shí)效穩(wěn)定是指要求固體潤(rùn)滑劑長(zhǎng)期放置而不變質(zhì),以便長(zhǎng)期使用.

◆ 較高的承載能力

由于固體潤(rùn)滑劑往往在嚴(yán)酷工況與環(huán)境條件下使用,因此要求它具有較高的承載能力.

◆ 二硫化鉬

其特點(diǎn)為:低摩擦特性、高承載能力、良好的熱穩(wěn)定性、強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性、抗輻照性、耐高真空性能.

◆ 石墨

在摩擦狀態(tài)下,石墨能沿著晶體層間滑移,并沿著摩擦方向定向.石墨與鋼、鉻和橡膠等的表面有良好的黏附能力.圖1為石墨的晶體結(jié)構(gòu).

◆ 氟化石墨

耐磨性好,層與層之間的距離比石墨大得多,更容易在層間發(fā)生剪切.由于氟的引入,使它在高溫、高速、高負(fù)荷條件下的性能優(yōu)于石墨或二硫化鉬.

◆ 六方氮化硼

密度為2.27 g/cm3,熔點(diǎn)為3100~3300℃;莫氏硬度為2;在空氣中摩擦因數(shù)為0.2,而在真空中為0.3;在空氣中熱穩(wěn)定性為700℃,而在真空中為1587℃;耐腐蝕且電絕緣性很好,比電阻大于10-6Ω.cm;壓縮強(qiáng)度為170 MPa;在c軸方向上的熱膨脹系數(shù)為41X10-6/℃,而在d軸方向上為-2.3X10-6/℃;在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃,而在非活性還原氣氛下可達(dá)2800℃.

◆ 氮化硅

屬于六方晶系,是一種陶瓷材料,不具備石墨那樣的層狀構(gòu)造,也沒有氧化鉛那樣的塑性流動(dòng)性,硬度高,在粉末狀態(tài)不具有潤(rùn)滑性.但其成形體的表面經(jīng)過適當(dāng)精加工可呈現(xiàn)出低摩擦因數(shù).氮化硅陶瓷表面進(jìn)行精加工后,與摩擦面接觸的微凸體點(diǎn)數(shù)減少,摩擦因數(shù)可大幅度降低,表面精加工至0.05~0.025 μm時(shí),摩擦因數(shù)可達(dá)0.01.

◆ 聚四氟乙烯

有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性.在高溫下與濃酸、濃堿、強(qiáng)氧化劑均不發(fā)生反應(yīng).在很寬的溫度范圍和幾乎所有的環(huán)境氣氛下,都能保持良好化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及潤(rùn)滑性.具有各向異性的特性,在滑動(dòng)摩擦條件下,也能發(fā)生良好的定向.它的摩擦因數(shù)比石墨、MoS2都低.摩擦因數(shù)隨負(fù)荷的增加而降低,對(duì)鋼的摩擦因數(shù)為0.04,在高負(fù)荷條件下摩擦因數(shù)會(huì)降低到0.016.

◆ 尼龍

摩擦因數(shù)隨負(fù)荷的增加而降低,在高負(fù)荷條件下,摩擦因數(shù)可以降至0.1~0.15.耐磨損性好,特別是在有大量塵土、泥砂的環(huán)境中它所表現(xiàn)出來的耐磨損性是其他塑料無法與之相比的.尼龍的缺點(diǎn)是:吸潮性強(qiáng)、吸水性大、尺寸穩(wěn)定性較差.

◆ 聚甲醛

是一種具有良好的綜合性和差色性的高熔點(diǎn)、高結(jié)晶性的熱塑性工程塑料,尺寸穩(wěn)定性好,耐沖擊、耐水、耐油、耐化學(xué)藥品及耐磨性等都非常優(yōu)良.它的摩擦因數(shù)和磨耗量較低.

◆ 聚酰亞胺

具有優(yōu)良的耐摩擦、耐磨損性能和尺寸穩(wěn)定性.在高溫下仍具有優(yōu)良的介電性能.但它不耐堿,生產(chǎn)成本也較高.

◆ 聚對(duì)羥基苯甲酸酯

與金屬的性能接近,是塑料中熱導(dǎo)率和空氣中的熱穩(wěn)定性最高的品種.它是一種摩擦因數(shù)極低的自潤(rùn)滑材料,摩擦因數(shù)可達(dá)到0.005,甚至比用潤(rùn)滑油、脂潤(rùn)滑時(shí)的還低.

◆ 軟金屬

錫、鉛、鎂、銦等軟金屬可作為固體潤(rùn)滑劑使用.軟金屬可以單獨(dú)或是和其他潤(rùn)滑劑一起使用.與潤(rùn)滑油并用時(shí),可降低其摩擦因數(shù).

◆ 制成整體零件

摩擦因數(shù)較低,成形加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好,電絕緣性優(yōu)良,抗沖擊能力強(qiáng)的聚四氟乙烯、聚縮醛、聚甲醛、聚碳酸脂、聚酰胺、聚砜、聚酰亞胺、氯化聚醚、聚苯硫醚和聚對(duì)苯二甲酸酯等,可以制成整體零部件.例如齒輪、軸承、導(dǎo)軌、凸輪、滾動(dòng)軸承保持架等.

◆ 制成各種覆蓋膜

通過物理方法將固體潤(rùn)滑劑施加到摩擦界面或表面,使之成為具有一定自潤(rùn)滑性能的干膜.成膜的方法有:濺射、電泳沉積、等離子噴鍍、離子鍍、電鍍、黏結(jié)劑黏結(jié)、化學(xué)生成、擠壓、浸漬、滾涂等.

◆ 制成復(fù)合或組合材料

組合或復(fù)合的目的是要獲得種性能更優(yōu)越的新材料,即復(fù)合材料.組合材料的物理、化學(xué)性質(zhì)以及形狀都不同.

◆ 作為固體潤(rùn)滑粉末

將固體潤(rùn)滑粉末(如MoS2)以適量添加到潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中,可提高潤(rùn)滑油脂的承載能力及改善邊界潤(rùn)滑狀態(tài).

固體潤(rùn)滑軸承

利用固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑性能,使軸承在使用過程中無需加油維護(hù).固體潤(rùn)滑劑用以潤(rùn)滑不能應(yīng)用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂的機(jī)械摩擦部分的無機(jī)固體物質(zhì).種類很多,最重要的是石墨、二硫化鉬和滑石粉.一氮化四硼的粉末(熔點(diǎn)2350℃),也可用作固體潤(rùn)滑劑的組分.固體潤(rùn)滑劑的粒子有晶體層格結(jié)構(gòu),可能互相滑過而發(fā)生潤(rùn)滑作用.

固體潤(rùn)滑軸承特別適用于無油、高溫、高負(fù)載、低速度、防污、防蝕、防輻射以及在水中或真空溶液浸潤(rùn)而根本無法加潤(rùn)滑油膜的特殊工況條件下使用,固體潤(rùn)滑軸承廣泛應(yīng)用于冶金軋鋼設(shè)備、灌裝設(shè)備、水輪機(jī)、氣輪機(jī)、儀器儀表、礦山機(jī)械、船舶機(jī)械、紡織機(jī)械、船舶工業(yè)、航天航海等領(lǐng)域,同時(shí)固體潤(rùn)滑軸承也越來越廣泛地使用在其他工農(nóng)業(yè)機(jī)械中.圖2為固體潤(rùn)滑軸承的例圖.

圖1 石墨的晶體結(jié)構(gòu)

圖2 固體潤(rùn)滑軸承

粉末冶金固體潤(rùn)滑軸承是指采用粉末冶金方法制造的金屬基固體自潤(rùn)滑材料.因?yàn)榉勰┮苯鹪谥苽涔に?、結(jié)構(gòu)組成等方面具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性,所以粉末冶金固體潤(rùn)滑軸承組織均勻、幾乎無偏析,且熱加工性能良好.特別是在耐磨性方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造材料.在許多特殊工況下有著廣闊的應(yīng)用前景.

◆ 分類

常見的粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料有銅基、鐵基、鋁基等,在航空航天上也會(huì)用到鎳基、鈦基等.

銅本身就是一種固體潤(rùn)滑劑,因此銅基粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料具有較高的減摩性能,并且具有良好的耐蝕性和導(dǎo)電性.常用的銅基粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料為銅-石墨復(fù)合材料,也有銅-鐵、銅-鋁、銅-鎳等雙金屬材料.通過合金化及添加劑改善鐵基體的減摩性能,可比銅基材料有更高的減摩性能和承載能力.

粉末冶金銅基-石墨自潤(rùn)滑材料由于具有良好的導(dǎo)熱性、低噪音、磨合性,摩擦因數(shù)低及無污染等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于縫紉機(jī)械、制藥機(jī)械和食品機(jī)械工業(yè)中的摩擦零件的制造.由于這些行業(yè)的產(chǎn)品對(duì)油污染具有嚴(yán)格的要求,因此迫切需要研究出具有無油或者少油條件下能夠自潤(rùn)滑的新材料,以適應(yīng)環(huán)境友好發(fā)展和解決產(chǎn)品油污染難題的需求.

銅基自潤(rùn)滑材料的典型組元為銅合金基體+減摩作用的固體潤(rùn)滑相+孔隙構(gòu)成.銅強(qiáng)度低,需要在銅中加入合金元素形成銅合金進(jìn)行基體強(qiáng)化來提高材料的硬度、強(qiáng)度性能.而自潤(rùn)滑摩擦性能的提高主要是通過固體潤(rùn)滑相發(fā)揮作用來實(shí)現(xiàn)的,常用的固體潤(rùn)滑組元主要有石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等.新的銅基自潤(rùn)滑復(fù)合材料是在無油或少油條件下運(yùn)行的,對(duì)材料的耐磨和自潤(rùn)滑性能的要求與傳統(tǒng)的自潤(rùn)滑材料在組織結(jié)構(gòu)、成分配比和制備方法上有所不同.為了獲得真正具有高耐磨高自潤(rùn)滑功能的粉末冶金銅基自潤(rùn)滑材料,自潤(rùn)滑性能提高方面的深入研究成為重點(diǎn)研究方向.

鐵基體添加了石墨、銅等添加劑后,其摩擦性能與銅基體不相上下,但其力學(xué)性能如拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等明顯優(yōu)于銅基體.

鋁具有密度小、導(dǎo)熱性好、耐蝕性高的優(yōu)點(diǎn),因此鋁基粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料作為一種輕量化的材料引起了人們很大的興趣.鋁本身的強(qiáng)度和硬度都比較低,需要添加合金化元素進(jìn)行強(qiáng)化.通常添加的元素主要有銅、鎂、硅等.添加這些元素主要是可以形成某些強(qiáng)化相,從而使基體具有高強(qiáng)度,并且具有高模量、耐腐蝕.

鈦基材料密度低、密封性好,主要用來制造各類飛行器的軸承、密封件等部件,成本也相當(dāng)?shù)母?

銀基自潤(rùn)滑材料具有摩擦因數(shù)低、接觸電阻小而穩(wěn)定、電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn).銀-石墨復(fù)合材料廣泛用于電接觸零件、電刷、軸瓦、滑塊、觸點(diǎn)和化學(xué)溶液中的襯套等.Ag-MoS2系自潤(rùn)滑復(fù)合軸承材料可在超高真空、強(qiáng)輻射等特殊工況下使用.Ag-Ta-MoS2石墨系自潤(rùn)滑電刷材料,可用于宇宙空間電力輸送與信號(hào)傳遞機(jī)構(gòu).

其他基體粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料如鎳基,其使用溫度可以達(dá)到500~1000 ℃,但是由于鎳的成本昂貴,故其應(yīng)用范圍受到了很大的限制.

◆ 新技術(shù)簡(jiǎn)介--包覆技術(shù)

在傳統(tǒng)的粉末冶金自潤(rùn)滑材料中,直接將固體潤(rùn)滑劑粉末與基體粉末混合壓制燒結(jié),存在著某些固體潤(rùn)滑劑與基體的浸潤(rùn)性差,物理和力學(xué)性能相差很遠(yuǎn),且它們的密度差大,使得用傳統(tǒng)粉末冶金方法制備復(fù)合材料存在著混料不均勻、界面結(jié)合強(qiáng)度低、對(duì)金屬基體有較強(qiáng)的割裂作用等問題.在燒結(jié)過程中固體潤(rùn)滑劑也由于高溫而發(fā)生分解或氧化,使材料的潤(rùn)滑性能降低,同時(shí)使其使用壽命難以提高.這些問題限制了粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料的應(yīng)用,但是包覆技術(shù)卻可以有效地解決這些問題.

包覆技術(shù)是將固體潤(rùn)滑劑用鎳或銅包覆起來形成包覆粉.鎳包覆主要是通過化學(xué)氣相反應(yīng)或化學(xué)鍍生成.銅包覆主要通過過飽和溶液或電鍍制備.將這種包覆粉加入到基體中去,可以增加固體潤(rùn)滑劑的密度,減少偏析,并且包覆層可以起到保護(hù)固體潤(rùn)滑劑免受高溫引起的蒸發(fā)或氧化的作用.

合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所和材料學(xué)院研究了鍍銅和鍍鎳石墨粉對(duì)銅基固體自潤(rùn)滑材料摩擦磨損及力學(xué)性能的影響.加入鍍銅石墨粉可以使石墨分布更均勻,能明顯改善石墨和銅的界面結(jié)合和復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu),其抗彎強(qiáng)度能提高40%~60%,使復(fù)合材料的性能顯著提高.加入石墨的銅基材料在一定力的作用下經(jīng)歷了從輕微磨損、中等磨損到嚴(yán)重磨損3個(gè)過程.而加入鍍鎳石墨的銅基材料只經(jīng)歷了輕微磨損和中等磨損2個(gè)過程.鍍鎳使石墨與基體的結(jié)合更牢固緊密,形成的自潤(rùn)滑膜不易脫落且更完整,并且明顯提高了銅基石墨復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性及高溫強(qiáng)度而對(duì)復(fù)合材料硬度影響不大.研究表明,加入適量SiO2增強(qiáng)相可以起到彌散強(qiáng)化的作用,能夠減緩高溫強(qiáng)度下降的趨勢(shì),提高銅基石墨復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度.

徐峰、王緒然等研究了石墨表面鍍銅對(duì)鐵基材料摩擦性能的影響.研究表明通過包覆技術(shù)可以改變石墨顆粒表面的物理和化學(xué)狀態(tài),使石墨顆粒與基體容易均勻混合,克服了顆粒的偏聚現(xiàn)象,顆粒分布均勻,并且改善了鐵基復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu),使復(fù)合材料的摩擦因數(shù)有所降低,同時(shí)使得摩擦磨損性能提高了20%~30%.

中南大學(xué)的李溪賓教授研究了鎳包覆MoS2粉末對(duì)Ni2Cr高溫固體自潤(rùn)滑材料的影響:由于Ni元素均勻地沉積在MoS2顆粒周圍,提高了金屬基體與非金屬顆粒的結(jié)合強(qiáng)度,同時(shí)部分地阻止了Mo的分解以及與基體的反應(yīng),從而提高了材料的力學(xué)性能,抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度比添加未包覆鎳的等量MoS2的材料相應(yīng)提高約25%,并且改善了材料的自潤(rùn)滑性能,具有較低的摩擦因數(shù)和磨損率,具有很好的寬溫帶摩擦學(xué)性能.

鋼鐵研究總院采用羰基的辦法將鎳包覆于石墨上,再添加到鐵基材料中去.由于鎳與鐵可以互溶,因此可以有效地提高材料界面結(jié)合強(qiáng)度,并且起到均勻組織的作用.經(jīng)證明用這種辦法制得的粉末冶金自潤(rùn)滑材料比等量未經(jīng)包覆石墨的復(fù)合材料不僅可以提高力學(xué)性能,還可以提高其摩擦學(xué)性能.隨著潤(rùn)滑劑鎳包覆石墨含量的增加,材料的力學(xué)性能不斷降低,摩擦因數(shù)也隨之降低,但磨損率呈現(xiàn)先降低后又逐漸升高的趨勢(shì),當(dāng)鎳包覆石墨含量為某一值時(shí),磨損率降為最低,可以獲得較好的綜合性能

◆ 新材料簡(jiǎn)介--高溫金屬基自潤(rùn)滑軸承

對(duì)于能在較高溫度或高溫下工作的減摩材料,必須能夠保證高的熱強(qiáng)性、抗氧化性和良好的減摩性能.能滿足這些要求的只有多元復(fù)合材料.粉末冶金高溫金屬基自潤(rùn)滑材料中的固體潤(rùn)滑劑是以一種結(jié)構(gòu)組元加入到復(fù)合材料之中的.固體潤(rùn)滑劑的加入能夠改善材料的減摩性能,同時(shí)又影響到材料的物理和力學(xué)性能.根據(jù)潤(rùn)滑劑的性質(zhì),可以以粉末的形式添加到原始混料中,或者燒結(jié)后添加到材料的孔隙中.根據(jù)加入的方法不同,潤(rùn)滑劑可以在材料制備過程中,在燒結(jié)時(shí)與材料基體相互作用,部分或完全轉(zhuǎn)化成新的形態(tài).

粉末冶金高溫金屬基固體自潤(rùn)滑材料的高溫摩擦磨損性能取決于基體組織的性質(zhì)(強(qiáng)度、抗氧化性等) 、固體潤(rùn)滑劑(性質(zhì)、種類、尺寸、形狀、體積分?jǐn)?shù)等) 以及在摩擦過程所形成的潤(rùn)滑特性,包括膜的性質(zhì)、厚度、覆蓋程度等.一般認(rèn)為,在450~500 ℃下工作的大多數(shù)材料是由銅基和鐵基組成;在工作溫度高于700 ℃以上時(shí),通常采用鎳基,鈷基;而當(dāng)溫度高達(dá)1200~1300 ℃時(shí),則需采用難熔金屬基合金.

在基體金屬粉末中加入的固體潤(rùn)滑劑可明顯改善材料的耐磨性.由于材料本身含有固體潤(rùn)滑劑,在運(yùn)動(dòng)時(shí)由于熱作用和受摩擦,使自身的固體潤(rùn)滑劑在相對(duì)滑動(dòng)表面形成一層較為穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜,并且靠本身的"自耗"來不斷補(bǔ)充和提供固體潤(rùn)滑劑,修復(fù)被撕裂或破傷的潤(rùn)滑膜,從而達(dá)到潤(rùn)滑和減摩作用.基體金屬的硬度等性質(zhì)不再明顯地影響此種復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性.在此條件下,材料的摩擦與磨損主要受到固體潤(rùn)滑劑本身性質(zhì)的影響.

鎳、鈷是高溫自潤(rùn)滑合金中常用的基材,占有特殊重要的地位.鎳基合金在500 ℃以上仍具有優(yōu)良的機(jī)械性能,能在高溫,高應(yīng)力下工作,而且鎳表面易被氧化形成具有較好可塑性和附著性的NiO層,有利于減少磨損,同時(shí)本身也是一種高溫固體潤(rùn)滑劑.鎳基高溫自潤(rùn)滑合金的研究十分引人矚目.

Ni-Cu 固溶體具有良好的抗腐蝕性能和抗冷變形性能,還具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和耐熱性.以鎳銅為骨架,石墨為固體潤(rùn)滑劑,經(jīng)粉末冶金復(fù)壓復(fù)燒方法制成的高溫自潤(rùn)滑材料,作為高溫軸承保持架能滿足核反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)軸承的各項(xiàng)技術(shù)要求,并已在工程中獲得了實(shí)際應(yīng)用.

以金屬氟化物作為固體潤(rùn)滑劑的鐵基材料,能夠在高載荷和較高溫度下,以及無潤(rùn)滑或真空條件下工作,因此這種材料可用于連續(xù)鑄錠設(shè)備軸承等.鐵-石墨-鉬材料可實(shí)現(xiàn)高溫、無潤(rùn)滑摩擦,具有很低摩擦因數(shù).制作的精密電機(jī)軸承,可實(shí)現(xiàn)在400 ℃溫度下無潤(rùn)滑摩擦.

關(guān)于粉末冶金高溫金屬基固體自潤(rùn)滑材料的研究正在快速發(fā)展,并取得了較為成功的應(yīng)用,被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械工業(yè)等諸多領(lǐng)域.

◆ 航天領(lǐng)域

由于太空環(huán)境是一個(gè)極為特殊的環(huán)境,一些衛(wèi)星、飛船等太空飛行器的軸承將受到高真空、高低溫、輻射等影響,常規(guī)的油、脂潤(rùn)滑難以滿足要求,而采用固體潤(rùn)滑方式則較好地解決了這一問題.固體潤(rùn)滑軸承在國外已被廣泛地應(yīng)用到航天領(lǐng)域,我國從20世紀(jì)70年代起開始將固體潤(rùn)滑軸承應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域.

固體潤(rùn)滑比油脂潤(rùn)滑的化學(xué)穩(wěn)定性好,不會(huì)因輻射而發(fā)生變質(zhì),真空條件下放氣量很小,因而使軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)單,又不造成對(duì)其他相鄰部件的污染問題,因此在宇航領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.固體潤(rùn)滑材料對(duì)宇航環(huán)境有比較好的適應(yīng)性,對(duì)超高真空環(huán)境更為適宜,對(duì)溫度也有足夠的適應(yīng)范圍.

固體潤(rùn)滑軸承在航天領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)合主要有:(1)高溫應(yīng)用場(chǎng)合.當(dāng)溫度超過250℃時(shí),采用固體潤(rùn)滑軸承,例如:磁控管軸承和工程用高溫閥門軸承(400℃以下);(2)低溫應(yīng)用場(chǎng)合.當(dāng)溫度低于-70℃時(shí),采用固體潤(rùn)滑軸承.工作溫度可達(dá)-253 ℃,能滿足高速、重載、高可靠性要求;(3)高真空度應(yīng)用場(chǎng)合.在高真空度下(<10-7Pa)油極易揮發(fā),而難以長(zhǎng)期保持,故采用固體潤(rùn)滑;(4)光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)合.為保持光學(xué)系統(tǒng)免受污染,保證圖像清晰,采用固體潤(rùn)滑軸承.

二硫化鉬在真空中的潤(rùn)滑性能最好,用于滾動(dòng)軸承時(shí),具有轉(zhuǎn)矩變化小的特點(diǎn).因此,人造衛(wèi)星的各種驅(qū)動(dòng)裝置中使用的滾動(dòng)軸承,常用二硫化鉬噴濺固體潤(rùn)滑膜.多通道掃描輻射計(jì)是氣象衛(wèi)星全新遙感探測(cè)系統(tǒng),它集中了光、機(jī)、電和信息處理等高新技術(shù)學(xué)科,是氣象衛(wèi)星的重要系統(tǒng)部件.新開發(fā)的固體潤(rùn)滑軸承是該掃描裝置的支承部件.二硫化鉬軸承作為軸系的關(guān)鍵部件,廣泛應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)的衛(wèi)星中,衛(wèi)星上使用典型固體潤(rùn)滑軸承,質(zhì)量要求高、壽命試驗(yàn)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高.圖3為使用了固體潤(rùn)滑材料的航天器.圖4為神七航天員出艙取固體潤(rùn)滑材料.

圖3 使用了固體潤(rùn)滑材料的航天器

圖4 神七航天員出倉艙取固體潤(rùn)滑材料

◆ 冶金領(lǐng)域

冶金設(shè)備長(zhǎng)期處在高溫、重載荷、受沖擊、粉塵多和水分多的惡劣環(huán)境下,潤(rùn)滑油脂往往失效.固體自潤(rùn)滑軸承卻發(fā)揮了特別好的效能,使現(xiàn)代化的冶金設(shè)備提高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率.在冶金企業(yè)軋鋼、冶煉設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)中,軸承的使用相當(dāng)普遍,選用原則是依據(jù)機(jī)械傳動(dòng)中的載荷大小、轉(zhuǎn)速高低、工作環(huán)境等因素,同時(shí)兼顧檢修及維護(hù)方面的要求,并對(duì)產(chǎn)品的功能特點(diǎn)、使用條件進(jìn)行綜合比較來確定選用對(duì)象.采用固體潤(rùn)滑材料,在同等條件下,使用壽命平均提高l0倍以上.固體潤(rùn)滑材料呈現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、低摩擦、耐磨損且不損傷對(duì)偶的摩擦學(xué)特性.

燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(圖5)的軸套、隔離環(huán)通常采用銅材制成,靠軸端部油孔打油潤(rùn)滑.在生產(chǎn)運(yùn)行中,因工作溫度高、粉塵大,造成油脂流失、結(jié)焦、油孔堵塞等,極易產(chǎn)生干摩擦現(xiàn)象,導(dǎo)致滑動(dòng)體之間產(chǎn)生很大的摩擦力,致使軸套、軸頸嚴(yán)重磨損而報(bào)廢;或軸、軸套、卡輪間咬死;卡輪在與燒結(jié)機(jī)星輪相嚙合時(shí)為滑動(dòng)摩擦,產(chǎn)生相當(dāng)大的摩擦阻力,卡輪局部和星輪齒板嚴(yán)重磨損,造成燒結(jié)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流增大、臺(tái)車跑偏等,給生產(chǎn)及維護(hù)帶來很大困難.采用固體潤(rùn)滑軸承能夠解決上述難題.

圖5 燒結(jié)機(jī)臺(tái)車

圖6 煉鋼廠方坯連鑄機(jī)

煉鋼廠方坯連鑄機(jī)(圖6)許多部位使用大量油脂潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)摩擦件.由于連鑄機(jī)作業(yè)溫度或過早干澀、碳化,使這影響連鑄機(jī)作業(yè)率.經(jīng)過磨固體自潤(rùn)滑材料及制體自潤(rùn)滑軸承.在方坯連鑄機(jī)的幾個(gè)部位使用效果良好.

◆ 自控領(lǐng)域.

日本精工針對(duì)從事FPD等面板搬運(yùn)的真空機(jī)器人開發(fā)出了在超高真空環(huán)境下耐久性更高的角接觸球軸承"真空機(jī)器人用固體潤(rùn)滑角接觸球軸承"(圖7).此次通過重新開發(fā)保持架的機(jī)械裝置,成功實(shí)現(xiàn)了角接觸球軸承的固體潤(rùn)滑.由此,不僅可以提高軸承的耐久性,還可滿足日益大型化的真空機(jī)器人負(fù)荷容量增加的要求.固體潤(rùn)滑角接觸球軸承的耐久性達(dá)到普通固體潤(rùn)滑軸承的5倍.

圖7 機(jī)器人

◆ 微特電機(jī)領(lǐng)域

微特電機(jī)(圖8)應(yīng)用軸承發(fā)展到現(xiàn)在經(jīng)過了滑動(dòng)軸承-滾動(dòng)軸承-滑動(dòng)軸承兩個(gè)大階段,每階段在性能、壽命或成本方面都有較大提高.西德、英國等應(yīng)用了固體自潤(rùn)滑軸承的微特電機(jī),其壽命可達(dá)1萬h左右,而軸承的成本降低數(shù)十倍到上百倍.此類軸承的特點(diǎn)是具有良好的自潤(rùn)滑性能,不需另加潤(rùn)滑劑,磨損小,壽命長(zhǎng).固體自潤(rùn)滑軸承的材料主要分為:金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料,如青銅-固體潤(rùn)滑劑、銀-固體潤(rùn)滑劑等;粉末冶金基自潤(rùn)滑復(fù)合材料,如粉冶多孔青銅-氟塑料-固體潤(rùn)滑劑等.

圖8 微特電機(jī)

◆ 其他領(lǐng)域

粉末冶金固體潤(rùn)滑軸承有一系列的優(yōu)點(diǎn),在眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用(例如圖9和圖10).

圖9 使用了固體潤(rùn)滑軸承的飛機(jī)

圖10 使用固體潤(rùn)滑軸承的自行車

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