改性聚四氟乙烯基自润滑轴承保持架材料

王枫，孙小波，时连卫

(洛阳轴研科技股份有限公司 化工材料开发部，河南 洛阳 471039)

在无油润滑及超低温条件下，轴承通常采用固体润滑，除了轴承滚道采用镀膜、滚动体采用陶瓷材料外，保持架材料必须起到补充润滑作用，因为滚道的表面镀层很薄，只能作为初始润滑膜，需要通过保持架材料的转移在滚动体及滚道上持续形成转移膜，从而在轴承工作运转时起到润滑作用。这就要求保持架材料具有良好的自润滑性、一定的机械强度和较高的耐磨性。聚四氟乙烯具有结晶薄层与非结晶部分交替排列的带状结构，能迅速在对磨面形成转移膜，摩擦因数极低，对摩擦副起润滑作用，耐高、低温性及化学稳定性极好，在超低温条件下性能优异，是优良的超低温无油自润滑轴承保持架材料。但其存在耐磨性及耐冷流性差、硬度及承载能力低、传热性和尺寸稳定性较差等缺点，直接用其作保持架材料受到限制[1]。为了克服这些缺点，通常采取机械共混方式对其进行填充改性，这样既发挥了聚四氟乙烯的优异特性，又克服了聚四氟乙烯的耐冷流蠕变性差和不耐磨等缺点。通常采用改性聚四氟乙烯基轴承保持架材料，既能起到隔离滚动体并均衡载荷的作用，又能在运转过程中在对磨面形成转移膜，从而对整个轴承起到润滑作用，更为独特的是在超低温条件下聚四氟乙烯基复合材料的拉伸强度不但没有降低，反而是常温条件下的2～4倍，因此其在超低温自润滑轴承保持架材料领域成为国内、外轴承公司研究的热点。

1 改性聚四氟乙烯基复合材料的发展

聚四氟乙烯基自润滑轴承保持架材料基本特性为摩擦因数低(干摩擦因数小于0.30)，常温下拉伸强度不低于14 MPa，超低温条件下拉伸强度不低于45MPa，密度约1.7～3.2 g/cm3，有利于减轻保持架重量分布不平衡，耐高、低温性好，在轴承运转接触摩擦时，能在滚道和滚动体表面形成连续致密的转移润滑膜。

1. 1 第一代改性聚四氟乙烯基轴承保持架材料

该类材料主要有3种：聚四氟乙烯/玻璃纤维/二硫化钼改性复合材料(A)、铅粉改性聚四氟乙烯复合材料(B)和锡青铜粉改性聚四氟乙烯复合材料(C)。复合材料中的填料能阻止聚四氟乙烯带状结构的破坏，增强转移膜与摩擦对偶表面间的黏附性，增大复合材料的硬度及剪切强度，形成转移膜，有效提高聚四氟乙烯基复合材料的耐磨性，此外金属填充料还提高了复合材料的导热性。其性能对比见表1。

表1 第一代轴承保持架用聚四氟乙烯基复合材料性能对比

从表1可以看出，3种材料的常温拉伸强度相当；在液氮条件下，A的拉伸强度较高，但玻璃纤维在表层转移磨损后暴露出增强纤维端头，纤维端头划伤磨蚀接触面并破坏表面转移润滑薄膜，使其不能形成连续致密的转移润滑膜，而且磨损下来的颗粒堆积在滚道和兜孔内，造成轴承摩擦力矩增大，运转不灵活，严重的甚至会出现轴承卡死现象。C的抗压强度较好，表明此材料的承载能力较强。当摩擦试验转速为200 r/min时，3种材料磨损量均较小；但当试验转速提高到1 000 r/min时，B，C比A的摩擦因数及磨损量都要大得多，表明此试验条件已超出B，C适合的工况，即B，C只适合低转速工况。为满足高速高载轴承苛刻的工况条件，又陆续开发出第二代改性聚四氟乙烯基复合材料。

1.2 第二代改性聚四氟乙烯基轴承保持架材料

该类型材料主要有4种：聚四氟乙烯/芳纶纤维复合材料(D)、聚四氟乙烯/聚苯酯/聚酰亚胺/二硫化钼复合材料(E)、聚四氟乙烯/碳纤维/二硫化钼改性复合材料(F)和聚四氟乙烯/纳米Al2O3复合材料(G)，其性能对比见表2。

表2 第二代轴承保持架用聚四氟乙烯基复合材料性能对比

从表2可以看出，D，E，F的抗压强度比A或B大，表明增加了有机纤维如芳纶纤维或有机高分子材料如聚苯酯、聚酰亚胺等能提高复合材料的抗压强度，即提高了材料的承载能力。

D的磨损量最低，耐磨性好，原因在于芳纶纤维在复合材料中起到承受载荷和提高黏结性能等作用。在相同的摩擦磨损测试条件下，有机纤维芳纶浆粕纤维增强的聚四氟乙烯复合材料的磨损量最低，比常用玻璃纤维增强的聚四氟乙烯复合材料耐磨性有较大提高，但摩擦因数比玻璃纤维增强的聚四氟乙烯复合材料稍大，即材料的减摩性稍差，耐磨性最好。该复合材料适用于重载、高速、耐腐蚀、耐磨损及有高、低温要求的轴承使用工况。

聚苯酯作为一种新型特种工程塑料，具有相当好的自润滑性、耐磨性及耐高温性。采用其共混改性聚四氟乙烯对克服聚四氟乙烯的易蠕变性、不耐磨等缺点有明显效果，且不损伤对磨材料，还可提高使用温度。高分子有机材料在改善聚四氟乙烯耐磨性和冷流性的基础上，避免了填料与聚四氟乙烯基体之间相容性较差以及对轴承滚道和滚动体磨损等问题，而且也提高了转移膜的强度。而E的拉伸强度较低，是由于聚苯酯是脆性材料，与聚四氟乙烯的结构差别较大，在外力作用下，填料两极处易产生空穴，引起应力集中，从而导致保持架复合材料的伸长率和拉伸强度下降。该复合材料适用于轻载、中高速、耐腐蚀、耐磨损及有高、低温要求的轴承使用工况。

碳纤维密度低、模量高，且耐热性和化学性好。F的硬度、抗蠕变性及耐磨性明显优于纯聚四氟乙烯。F与E的减摩效果相当，但其耐磨性比A，D，E稍差。该复合材料适用于高速、耐腐蚀、耐磨损及超低温条件。

G的塑料强度、延伸率、耐磨性、抗老化性都有很大提高，可改善材料表面的光洁度。但是纳米材料由于表面积大，表面能高，吸附作用强，难以分散均匀，易产生团聚，一般用量不超过10%。且该材料硬度过高，加工会有一定困难。

2 国内、外研究及应用现状

俄罗斯曾采用不锈钢骨架提高纯聚四氟乙烯保持架的机械强度，以解决机械强度及润滑性问题，但这种保持架不是一个整体，增大了轴承质量，容易导致受力不均衡，且在高速运转过程中稳定性差。乌克兰和欧美国家多采用聚四氟乙烯材料整体改性技术，利用有机增强纤维或其他高分子材料与聚四氟乙烯共混形成复合材料，既不增加轴承比重，又提高了复合材料的机械强度、耐磨性及自润滑性，综合性能优良。

国内目前应用较多的主要为A，B，C。随着轴承转速、使用寿命、载荷及可靠性的提高，该类材料已不能满足应用需求。当轴承转速超过8 000 r/min时，对于A，由于玻璃纤维是一种无机纤维材料，与聚四氟乙烯基体之间的相容性较差，容易出现明显界面，磨损下来的玻璃纤维磨粒对轴承滚道及滚动体有磨蚀作用，摩擦因数及摩擦力矩增大引起轴承温度升高，使滚动体表面形成黑圈，滚道表面出现划伤，磨损量及轴承噪声增大，转移润滑膜发生热降解，大量的磨损物堆积在滚道和兜孔内，严重时会造成轴承卡死现象。对于B或C，增强金属材料密度较大，增加了轴承质量；复合材料的线膨胀系数也较大，造成加工尺寸稳定性较差，保持架的圆度及尺寸精度较难控制。

保持架采用第二代材料D的轴承已成功用在液氢介质，转速4×104r/min、轴向载荷4 kN、径向载荷4 kN的苛刻工作环境中，运转90 min后对轴承的各项精度进行测试，各项数据均达到规定标准。而保持架采用第一代材料A的轴承在该工况初始运行过程中，就出现滚动体产生黑色环带，轴承振动大，温升过高，磨损量较大的现象，从而导致轴承早期失效。

保持架采用第二代材料E的轴承已成功用在无磁、无油润滑、转速8 000 r/min、温度55 ℃和低温-196 ℃交变等苛刻条件下。该轴承满足停惯时间不低于50 s，轴承运转工作时间不小于100 h。

保持架采用第二代材料F的轴承，其承载能力强，运转可靠性强。这种轴承已成功用在冲击发动机涡轮泵，介质为煤油，转速为5×104r/min，工作温度为120 ℃，轴承载荷为1.5 kN，累计工作运转3 h后对轴承的各项精度进行测试，各项数据均达到规定标准。

3 研究展望

随着超低温固体自润滑轴承越来越被广泛的关注和应用，填充剂的种类和复合改性方向也越来越受到关注，不同填充剂具有不同的物理化学性质，能改善聚四氟乙烯的力学性能，加工性能，耐高、低温性能及摩擦磨损性能。今后会从以下方面进行研究。

(1)钛酸钾晶须是近年来涌现的一种新型无机纤维状材料。传统的玻璃纤维材料硬度高、脆性大等特点易造成其增强的聚四氟乙烯复合材料对对磨件的磨蚀作用严重，在重载下玻璃纤维易折断导致性能明显下降等现象。而钛酸钾晶须不仅强度高、硬度低，而且尺寸细微(长度仅与玻璃纤维的直径相当)，能与聚四氟乙烯基体充分混合，结合力明显增大，从而起到增强又增韧的效果，其还能明显改善聚四氟乙烯复合材料的耐热性、冲击强度和摩擦性能，减少对磨材料与聚四氟乙烯的直接接触，能够有效阻止聚四氟乙烯带状结构的大面积破坏，改变磨屑形成机理，降低磨损，从而提高轴承的可靠性，延长其使用寿命[2]。

(2) 采用耐高温高分子材料对聚四氟乙烯进行复合改性，如添加聚醚醚酮、聚苯砜、聚苯并咪唑、热固性聚酰亚胺及聚醚酰亚胺等来提高复合材料的强度、耐磨性或耐温性，而且这类改性复合材料对对磨件无磨蚀作用。

(3) 研究短切纤维(长度为0.1～1.5 mm)表面改性预处理工艺或添加偶联剂来增强短切纤维与聚四氟乙烯的混合均匀性，从而提高短切纤维与基体材料聚四氟乙烯之间的相容性，使短切纤维在复合材料中起到承受载荷和提高黏结性能等作用，从而提高复合材料的综合性能。

(4) 纤维织物(碳纤维或芳纶纤维)浸渍聚四氟乙烯乳液预制复合材料坯料，在卷管机上边加热边加压，将浸渍好聚四氟乙烯乳液的纤维布卷绕在芯轴上，当卷制成要求的管状物后加压放置到模具内，经过高温烧结过程，自然冷却至室温，脱模即得管状坯料。其拉伸强度大于100 MPa，抗压强度大于120 MPa，承载能力大，材料刚性及尺寸稳定性好，高、低温环境均能使用。但其卷管成型及在模具内制坯工艺较难控制，易出现层状摺皱开裂现象。