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轴承材料

/bearing materials/
条目作者李曙

李曙

最后更新 2023-02-16
浏览 204
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具有低摩擦特性,用于制造运动支承(如滑动轴承、轴瓦等)或导向零件(如导轨、滑块等)的减摩材料。

英文名称
bearing materials
所属学科
材料科学与工程

由承载的母体材料和固态的润滑材料复合组成的称为复合轴承材料。对轴承材料性能的要求是由轴承失效形式和原因决定的,首先应具有满足应用要求的承载能力,同时具有良好的减摩性、耐磨性和抗咬黏性;一定的亲油性、顺应性和嵌合性,足够的材料强度、抗疲劳性和耐腐蚀性;良好的导热性、工艺性、经济性等。

常用的轴承材料分三大类:①金属材料,如轴承合金、铜合金、铝基合金、锌基合金和铸铁等。②多孔质金属材料,大多为粉末冶金工艺制备的材料。③非金属材料,如工程塑料、碳-石墨等。

金属类轴承材料中,以轴承合金最为典型,其通常又称巴氏合金或白合金,多应用于滑动轴承,是一类重要的软合金减摩材料。巴氏合金呈浅白色,成分组织是以锡和铅为基体的双相合金,合金元素一般为锑、铜等,为防止成分偏析和细化晶粒还有加入少量的砷。这种软基体上分布着硬颗粒相的低熔点且具有减摩特性的轴承合金,由美国人巴比特发明而得名。巴氏合金以锡或铅等软金属作基体,其内含有锑锡(Sb-Sn)、铜锡(Cu-Sn)等的硬晶粒,硬晶粒起抗磨作用,软基体则增加材料的塑性。轴承合金的弹性模量和弹性极限都很低,在所有轴承材料中,它的嵌入性及摩擦顺应性最好,很容易和轴颈磨合,也不易与轴颈发生咬黏。锡基轴承合金减摩性、塑性和导热均较好、膨胀系数小,但疲劳强度较低;铅基轴承合金成本低些,高温强度、亲油性和自润滑性好,但机械强度和耐磨性较差。轴承合金的强度较低,不宜单独制作轴瓦,通常须贴附在铜、钢或铸铁轴瓦上作为轴衬,用于重载及中、高速场合,在大型船用柴油机、涡轮机、交流发电机,以及其他矿山机械和大型旋转机械等领域应用广泛。铜合金作为轴承材料具有较高的强度,较好的减摩性和耐磨性,其中青铜的性能比黄铜好,最为常用,又称为轴承青铜。常用的轴承青铜有锡青铜、铅青铜和磷青铜等几种,其中锡青铜的减摩性最好,应用较广。与轴承合金(巴氏合金)相比,锡青铜硬度高但磨合性及嵌入性较差,适用于重载及中速场合;铅青铜抗黏附能力强,适用于高速、重载轴承;铝青铜的强度及硬度较高,但抗黏附能力较差,适用于低速、重载轴承。此外,还发展出含少量硅(≤3.50%质量分数)和锰或镍的硅青铜;铜和铝的二元合金及其中再加入锰、铁、镍等的铝青铜;铜和铍的二元合金及其中再加入钴、镍、铝、硅、铁等的铍青铜;含锰量为4.5%~5.5%(质量分数)的锰青铜等。铝基合金作为轴承材料有相当好的耐蚀性和较高的疲劳强度,摩擦性能亦较好,这些品质使铝基合金在部分领域取代了较贵的轴承合金和铜合金。常用的铝基轴承合金有铝锡合金、铝硅合金、铝铅合金、铝锑合金、铝镍合金、铝铜合金等。铝基合金既可以制成单金属轴承零件(如轴套、轴瓦等),也可制成双金属零件,例如双金属轴瓦就是以铝基合金为轴衬,以钢作衬背制成。锌基轴承合金也是一种可用于轴承的合金材料,一般含8%~30%(质量分数)的铝和少量的铜、镁等,当含铝量较高时,亦称锌铝合金。在一定工况条件下,铸铁也可以用作轴承材料,包括普通灰铁,加有镍、铬、钛等合金成分的耐磨灰铸铁,或球墨铸铁等。在轴承运行过程中,这类铸铁材料所含的片状或球状石墨能够在摩擦副材料表面涂抹覆盖,以形成起润滑作用的石墨层,故具有一定的减摩性和耐磨性。此外,石墨能够吸附碳氢化合物,有助于提高边界润滑性能,故采用灰铸铁作轴承材料时,一般须施加润滑油。由于铸铁性脆、磨合性差,故只适用于不受冲击载荷的轻载、低速场合。

用于轴承材料的多孔质金属材料,通常采用某些种类的金属粉末,经过压制、烧结工艺制备而成。这种材料为体积孔隙率约10%~35%的多孔结构,使用前可将其在热油中浸渍数小时,使孔隙中充满润滑油,通常把用这种材料制成的轴承称作含油轴承。工作时,由于轴颈转动的抽吸作用及轴承发热时油的膨胀作用,油便进入摩擦表面间起润滑作用,相当于具有一定的自润滑性;不工作时,因毛细管作用,油便被吸回并保持于轴承内部,在很长时间内仍能很好地工作;如果定期供给润滑油,则使用效果更佳。这类粉末冶金制备的多孔质金属材料的韧性较差,故宜用于平稳无冲击载荷及中低速度轴承。常用的有多孔铁和多孔青铜,多孔铁常用来制作磨粉机轴套、机床油泵衬套、内燃机凸轮轴衬套等;多孔青铜常用来制作电唱机、电风扇、纺织机械及汽车发电机的轴承。

许多非金属材料也可用于轴承,其中应用最多的是各种工程塑料(聚合物材料),如酚醛树脂、尼龙、聚四氟乙烯等。聚合物作为轴承材料的特性是:具有一定的自润滑性,可以在无油润滑条件下工作,甚至在一定高温条件下仍可以减摩;顺应性、嵌入性、耐磨性都比较好,尤其是与许多化学物质不发生反应,抗腐蚀能力特别强。作为能在不良环境中运行的轴承材料,碳-石墨是不错的选择,其中石墨含量越多,材料越软,与对偶件配副获得的摩擦系数愈小。在碳-石墨材料中还可以加入金属、聚四氟乙烯或二硫化钼等组分,也可以浸渍液体润滑剂。碳-石墨与含有碳氢化合物的润滑剂有亲和力,加入润滑剂有助于提高其边界润滑性能。碳-石墨轴承的自润性和减摩性取决于吸附的水蒸气量;它还可以用于水润滑的轴承材料。此外,橡胶作为轴承材料,主要用于以水作润滑剂而且运行于环境脏污或拌有泥沙的工况条件。木材具有多孔质结构,一定条件下也可用于轴承材料,通常采用填充剂来改善其性能,例如填充聚合物能提高木材的尺寸稳定性、减少吸湿量,并提高强度,有些轴承可在灰尘极多的条件下工作。

  • 王成彪,刘家浚,韦淡平,等.摩擦学材料及表面工程.北京:国防工业出版社,2012.
  • 温诗铸.摩擦学原理.第3版.北京:清华大学出版社,2008.
  • 谢友柏.摩擦学科学与工程前沿.北京:高等教育出版社,2005.

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