粉末冶金固体润滑轴承

2013-09-13供稿贾成厂柳学全JIAChengchangLIUXuequan

金属世界 2013年5期

供稿|贾成厂,柳学全 / JIA Cheng-chang,LIU Xue-quan

内容导读

固体润滑材料是指利用固体来减少两承载表面间的摩擦磨损作用,以降低摩擦与磨损的专用材料.固体润滑轴承是利用固体润滑剂的自润滑性能所制备的轴承,在使用过程中无需加润滑油维护.特别适用于无油、高温、高负载、防污、防蚀、防辐射以及在水中或真空溶液浸润而根本无法加润滑油的特殊工况条件下使用.常见的粉末冶金固体自润滑材料有铜基、铁基、铝基、镍基、钛基等.固体润滑轴承广泛应用于冶金轧钢设备、灌装设备、水轮机、气轮机、仪器仪表、矿山机械、船舶机械、纺织机械、船舶工业、航天航海等领域.

固体润滑材料

固体润滑材料是指利用固体的特性来减少两承载表面间的摩擦磨损作用的专用材料,包括粉末、薄膜或某些整体材料.在润滑过程中,固体润滑材料与摩擦表面发生作用,形成固体润滑膜,降低摩擦与磨损.

◆ 足够的黏附力

固体润滑材料应该与摩擦表面牢固地附着,且具有良好的成膜能力,能与摩擦表面形成牢固的化学吸附膜或物理吸附膜,防止相对摩擦的表面之间产生严重的熔焊或物质的相互转移.

◆ 较低的抗剪强度

抗剪强度较低时能够减小摩擦副的摩擦因数、功率损耗与温度上升,且抗剪强度应不随温度变化而发生大的变化,应用领域较广.

◆ 稳定性好

包括物理热稳定、化学热稳定与时效稳定.物理热稳定是指在没有活性物质参与下,温度改变不会引起相变或晶格的各种变化,不引起抗剪强度的变化与摩擦性能的改变.化学热稳定是指在各种活性介质中温度的变化不会引起强烈的化学反应,不产生腐蚀及其他有害的作用,对轴承和有关部件无腐蚀性、对人畜无毒害,不污染环境.时效稳定是指要求固体润滑剂长期放置而不变质,以便长期使用.

◆ 较高的承载能力

由于固体润滑剂往往在严酷工况与环境条件下使用,因此要求它具有较高的承载能力.

◆ 二硫化钼

其特点为:低摩擦特性、高承载能力、良好的热稳定性、强的化学稳定性、抗辐照性、耐高真空性能.

◆ 石墨

在摩擦状态下,石墨能沿着晶体层间滑移,并沿着摩擦方向定向.石墨与钢、铬和橡胶等的表面有良好的黏附能力.图1为石墨的晶体结构.

◆ 氟化石墨

耐磨性好,层与层之间的距离比石墨大得多,更容易在层间发生剪切.由于氟的引入,使它在高温、高速、高负荷条件下的性能优于石墨或二硫化钼.

◆ 六方氮化硼

密度为2.27 g/cm3,熔点为3100~3300℃;莫氏硬度为2;在空气中摩擦因数为0.2,而在真空中为0.3;在空气中热稳定性为700℃,而在真空中为1587℃;耐腐蚀且电绝缘性很好,比电阻大于10-6Ω.cm;压缩强度为170 MPa;在c轴方向上的热膨胀系数为41X10-6/℃,而在d轴方向上为-2.3X10-6/℃;在氧化气氛下最高使用温度为900℃,而在非活性还原气氛下可达2800℃.

◆ 氮化硅

属于六方晶系,是一种陶瓷材料,不具备石墨那样的层状构造,也没有氧化铅那样的塑性流动性,硬度高,在粉末状态不具有润滑性.但其成形体的表面经过适当精加工可呈现出低摩擦因数.氮化硅陶瓷表面进行精加工后,与摩擦面接触的微凸体点数减少,摩擦因数可大幅度降低,表面精加工至0.05~0.025 μm时,摩擦因数可达0.01.

◆ 聚四氟乙烯

有很好的化学稳定性和热稳定性.在高温下与浓酸、浓碱、强氧化剂均不发生反应.在很宽的温度范围和几乎所有的环境气氛下,都能保持良好化学稳定性、热稳定性以及润滑性.具有各向异性的特性,在滑动摩擦条件下,也能发生良好的定向.它的摩擦因数比石墨、MoS2都低.摩擦因数随负荷的增加而降低,对钢的摩擦因数为0.04,在高负荷条件下摩擦因数会降低到0.016.

◆ 尼龙

摩擦因数随负荷的增加而降低,在高负荷条件下,摩擦因数可以降至0.1~0.15.耐磨损性好,特别是在有大量尘土、泥砂的环境中它所表现出来的耐磨损性是其他塑料无法与之相比的.尼龙的缺点是:吸潮性强、吸水性大、尺寸稳定性较差.

◆ 聚甲醛

是一种具有良好的综合性和差色性的高熔点、高结晶性的热塑性工程塑料,尺寸稳定性好,耐冲击、耐水、耐油、耐化学药品及耐磨性等都非常优良.它的摩擦因数和磨耗量较低.

◆ 聚酰亚胺

具有优良的耐摩擦、耐磨损性能和尺寸稳定性.在高温下仍具有优良的介电性能.但它不耐碱,生产成本也较高.

◆ 聚对羟基苯甲酸酯

与金属的性能接近,是塑料中热导率和空气中的热稳定性最高的品种.它是一种摩擦因数极低的自润滑材料,摩擦因数可达到0.005,甚至比用润滑油、脂润滑时的还低.

◆ 软金属

锡、铅、镁、铟等软金属可作为固体润滑剂使用.软金属可以单独或是和其他润滑剂一起使用.与润滑油并用时,可降低其摩擦因数.

◆ 制成整体零件

摩擦因数较低,成形加工性和化学稳定性好,电绝缘性优良,抗冲击能力强的聚四氟乙烯、聚缩醛、聚甲醛、聚碳酸脂、聚酰胺、聚砜、聚酰亚胺、氯化聚醚、聚苯硫醚和聚对苯二甲酸酯等,可以制成整体零部件.例如齿轮、轴承、导轨、凸轮、滚动轴承保持架等.

◆ 制成各种覆盖膜

通过物理方法将固体润滑剂施加到摩擦界面或表面,使之成为具有一定自润滑性能的干膜.成膜的方法有:溅射、电泳沉积、等离子喷镀、离子镀、电镀、黏结剂黏结、化学生成、挤压、浸渍、滚涂等.

◆ 制成复合或组合材料

组合或复合的目的是要获得种性能更优越的新材料,即复合材料.组合材料的物理、化学性质以及形状都不同.

◆ 作为固体润滑粉末

将固体润滑粉末(如MoS2)以适量添加到润滑油或润滑脂中,可提高润滑油脂的承载能力及改善边界润滑状态.

固体润滑轴承

利用固体润滑剂的自润滑性能,使轴承在使用过程中无需加油维护.固体润滑剂用以润滑不能应用润滑油或润滑脂的机械摩擦部分的无机固体物质.种类很多,最重要的是石墨、二硫化钼和滑石粉.一氮化四硼的粉末(熔点2350℃),也可用作固体润滑剂的组分.固体润滑剂的粒子有晶体层格结构,可能互相滑过而发生润滑作用.

固体润滑轴承特别适用于无油、高温、高负载、低速度、防污、防蚀、防辐射以及在水中或真空溶液浸润而根本无法加润滑油膜的特殊工况条件下使用,固体润滑轴承广泛应用于冶金轧钢设备、灌装设备、水轮机、气轮机、仪器仪表、矿山机械、船舶机械、纺织机械、船舶工业、航天航海等领域,同时固体润滑轴承也越来越广泛地使用在其他工农业机械中.图2为固体润滑轴承的例图.

图1 石墨的晶体结构

图2 固体润滑轴承

粉末冶金固体润滑轴承是指采用粉末冶金方法制造的金属基固体自润滑材料.因为粉末冶金在制备工艺、结构组成等方面具有许多独特的优越性,所以粉末冶金固体润滑轴承组织均匀、几乎无偏析,且热加工性能良好.特别是在耐磨性方面大大优于传统铸造材料.在许多特殊工况下有着广阔的应用前景.

◆ 分类

常见的粉末冶金固体自润滑材料有铜基、铁基、铝基等,在航空航天上也会用到镍基、钛基等.

铜本身就是一种固体润滑剂,因此铜基粉末冶金固体自润滑材料具有较高的减摩性能,并且具有良好的耐蚀性和导电性.常用的铜基粉末冶金固体自润滑材料为铜-石墨复合材料,也有铜-铁、铜-铝、铜-镍等双金属材料.通过合金化及添加剂改善铁基体的减摩性能,可比铜基材料有更高的减摩性能和承载能力.

粉末冶金铜基-石墨自润滑材料由于具有良好的导热性、低噪音、磨合性,摩擦因数低及无污染等优点,已广泛应用于缝纫机械、制药机械和食品机械工业中的摩擦零件的制造.由于这些行业的产品对油污染具有严格的要求,因此迫切需要研究出具有无油或者少油条件下能够自润滑的新材料,以适应环境友好发展和解决产品油污染难题的需求.

铜基自润滑材料的典型组元为铜合金基体+减摩作用的固体润滑相+孔隙构成.铜强度低,需要在铜中加入合金元素形成铜合金进行基体强化来提高材料的硬度、强度性能.而自润滑摩擦性能的提高主要是通过固体润滑相发挥作用来实现的,常用的固体润滑组元主要有石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等.新的铜基自润滑复合材料是在无油或少油条件下运行的,对材料的耐磨和自润滑性能的要求与传统的自润滑材料在组织结构、成分配比和制备方法上有所不同.为了获得真正具有高耐磨高自润滑功能的粉末冶金铜基自润滑材料,自润滑性能提高方面的深入研究成为重点研究方向.

铁基体添加了石墨、铜等添加剂后,其摩擦性能与铜基体不相上下,但其力学性能如拉伸强度、弯曲强度等明显优于铜基体.

铝具有密度小、导热性好、耐蚀性高的优点,因此铝基粉末冶金固体自润滑材料作为一种轻量化的材料引起了人们很大的兴趣.铝本身的强度和硬度都比较低,需要添加合金化元素进行强化.通常添加的元素主要有铜、镁、硅等.添加这些元素主要是可以形成某些强化相,从而使基体具有高强度,并且具有高模量、耐腐蚀.

钛基材料密度低、密封性好,主要用来制造各类飞行器的轴承、密封件等部件,成本也相当的高.

银基自润滑材料具有摩擦因数低、接触电阻小而稳定、电导率高等优点.银-石墨复合材料广泛用于电接触零件、电刷、轴瓦、滑块、触点和化学溶液中的衬套等.Ag-MoS2系自润滑复合轴承材料可在超高真空、强辐射等特殊工况下使用.Ag-Ta-MoS2石墨系自润滑电刷材料,可用于宇宙空间电力输送与信号传递机构.

其他基体粉末冶金固体自润滑材料如镍基,其使用温度可以达到500~1000 ℃,但是由于镍的成本昂贵,故其应用范围受到了很大的限制.

◆ 新技术简介--包覆技术

在传统的粉末冶金自润滑材料中,直接将固体润滑剂粉末与基体粉末混合压制烧结,存在着某些固体润滑剂与基体的浸润性差,物理和力学性能相差很远,且它们的密度差大,使得用传统粉末冶金方法制备复合材料存在着混料不均匀、界面结合强度低、对金属基体有较强的割裂作用等问题.在烧结过程中固体润滑剂也由于高温而发生分解或氧化,使材料的润滑性能降低,同时使其使用寿命难以提高.这些问题限制了粉末冶金固体自润滑材料的应用,但是包覆技术却可以有效地解决这些问题.

包覆技术是将固体润滑剂用镍或铜包覆起来形成包覆粉.镍包覆主要是通过化学气相反应或化学镀生成.铜包覆主要通过过饱和溶液或电镀制备.将这种包覆粉加入到基体中去,可以增加固体润滑剂的密度,减少偏析,并且包覆层可以起到保护固体润滑剂免受高温引起的蒸发或氧化的作用.

合肥工业大学摩擦学研究所和材料学院研究了镀铜和镀镍石墨粉对铜基固体自润滑材料摩擦磨损及力学性能的影响.加入镀铜石墨粉可以使石墨分布更均匀,能明显改善石墨和铜的界面结合和复合材料的组织结构,其抗弯强度能提高40%~60%,使复合材料的性能显著提高.加入石墨的铜基材料在一定力的作用下经历了从轻微磨损、中等磨损到严重磨损3个过程.而加入镀镍石墨的铜基材料只经历了轻微磨损和中等磨损2个过程.镀镍使石墨与基体的结合更牢固紧密,形成的自润滑膜不易脱落且更完整,并且明显提高了铜基石墨复合材料的强度、韧性及高温强度而对复合材料硬度影响不大.研究表明,加入适量SiO2增强相可以起到弥散强化的作用,能够减缓高温强度下降的趋势,提高铜基石墨复合材料的高温强度.

徐峰、王绪然等研究了石墨表面镀铜对铁基材料摩擦性能的影响.研究表明通过包覆技术可以改变石墨颗粒表面的物理和化学状态,使石墨颗粒与基体容易均匀混合,克服了颗粒的偏聚现象,颗粒分布均匀,并且改善了铁基复合材料的组织结构,使复合材料的摩擦因数有所降低,同时使得摩擦磨损性能提高了20%~30%.

中南大学的李溪宾教授研究了镍包覆MoS2粉末对Ni2Cr高温固体自润滑材料的影响:由于Ni元素均匀地沉积在MoS2颗粒周围,提高了金属基体与非金属颗粒的结合强度,同时部分地阻止了Mo的分解以及与基体的反应,从而提高了材料的力学性能,抗弯强度和抗压强度比添加未包覆镍的等量MoS2的材料相应提高约25%,并且改善了材料的自润滑性能,具有较低的摩擦因数和磨损率,具有很好的宽温带摩擦学性能.

钢铁研究总院采用羰基的办法将镍包覆于石墨上,再添加到铁基材料中去.由于镍与铁可以互溶,因此可以有效地提高材料界面结合强度,并且起到均匀组织的作用.经证明用这种办法制得的粉末冶金自润滑材料比等量未经包覆石墨的复合材料不仅可以提高力学性能,还可以提高其摩擦学性能.随着润滑剂镍包覆石墨含量的增加,材料的力学性能不断降低,摩擦因数也随之降低,但磨损率呈现先降低后又逐渐升高的趋势,当镍包覆石墨含量为某一值时,磨损率降为最低,可以获得较好的综合性能

◆ 新材料简介--高温金属基自润滑轴承

对于能在较高温度或高温下工作的减摩材料,必须能够保证高的热强性、抗氧化性和良好的减摩性能.能满足这些要求的只有多元复合材料.粉末冶金高温金属基自润滑材料中的固体润滑剂是以一种结构组元加入到复合材料之中的.固体润滑剂的加入能够改善材料的减摩性能,同时又影响到材料的物理和力学性能.根据润滑剂的性质,可以以粉末的形式添加到原始混料中,或者烧结后添加到材料的孔隙中.根据加入的方法不同,润滑剂可以在材料制备过程中,在烧结时与材料基体相互作用,部分或完全转化成新的形态.

粉末冶金高温金属基固体自润滑材料的高温摩擦磨损性能取决于基体组织的性质(强度、抗氧化性等) 、固体润滑剂(性质、种类、尺寸、形状、体积分数等) 以及在摩擦过程所形成的润滑特性,包括膜的性质、厚度、覆盖程度等.一般认为,在450~500 ℃下工作的大多数材料是由铜基和铁基组成;在工作温度高于700 ℃以上时,通常采用镍基,钴基;而当温度高达1200~1300 ℃时,则需采用难熔金属基合金.

在基体金属粉末中加入的固体润滑剂可明显改善材料的耐磨性.由于材料本身含有固体润滑剂,在运动时由于热作用和受摩擦,使自身的固体润滑剂在相对滑动表面形成一层较为稳定的润滑膜,并且靠本身的"自耗"来不断补充和提供固体润滑剂,修复被撕裂或破伤的润滑膜,从而达到润滑和减摩作用.基体金属的硬度等性质不再明显地影响此种复合材料的摩擦学特性.在此条件下,材料的摩擦与磨损主要受到固体润滑剂本身性质的影响.

镍、钴是高温自润滑合金中常用的基材,占有特殊重要的地位.镍基合金在500 ℃以上仍具有优良的机械性能,能在高温,高应力下工作,而且镍表面易被氧化形成具有较好可塑性和附着性的NiO层,有利于减少磨损,同时本身也是一种高温固体润滑剂.镍基高温自润滑合金的研究十分引人瞩目.

Ni-Cu 固溶体具有良好的抗腐蚀性能和抗冷变形性能,还具有相当高的强度和耐热性.以镍铜为骨架,石墨为固体润滑剂,经粉末冶金复压复烧方法制成的高温自润滑材料,作为高温轴承保持架能满足核反应堆驱动机构对轴承的各项技术要求,并已在工程中获得了实际应用.

以金属氟化物作为固体润滑剂的铁基材料,能够在高载荷和较高温度下,以及无润滑或真空条件下工作,因此这种材料可用于连续铸锭设备轴承等.铁-石墨-钼材料可实现高温、无润滑摩擦,具有很低摩擦因数.制作的精密电机轴承,可实现在400 ℃温度下无润滑摩擦.

关于粉末冶金高温金属基固体自润滑材料的研究正在快速发展,并取得了较为成功的应用,被广泛应用于航空航天、机械工业等诸多领域.

◆ 航天领域

由于太空环境是一个极为特殊的环境,一些卫星、飞船等太空飞行器的轴承将受到高真空、高低温、辐射等影响,常规的油、脂润滑难以满足要求,而采用固体润滑方式则较好地解决了这一问题.固体润滑轴承在国外已被广泛地应用到航天领域,我国从20世纪70年代起开始将固体润滑轴承应用于航空航天领域.

固体润滑比油脂润滑的化学稳定性好,不会因辐射而发生变质,真空条件下放气量很小,因而使轴承润滑系统简单,又不造成对其他相邻部件的污染问题,因此在宇航领域广泛应用.固体润滑材料对宇航环境有比较好的适应性,对超高真空环境更为适宜,对温度也有足够的适应范围.

固体润滑轴承在航天领域的应用场合主要有:(1)高温应用场合.当温度超过250℃时,采用固体润滑轴承,例如:磁控管轴承和工程用高温阀门轴承(400℃以下);(2)低温应用场合.当温度低于-70℃时,采用固体润滑轴承.工作温度可达-253 ℃,能满足高速、重载、高可靠性要求;(3)高真空度应用场合.在高真空度下(<10-7Pa)油极易挥发,而难以长期保持,故采用固体润滑;(4)光学应用场合.为保持光学系统免受污染,保证图像清晰,采用固体润滑轴承.

二硫化钼在真空中的润滑性能最好,用于滚动轴承时,具有转矩变化小的特点.因此,人造卫星的各种驱动装置中使用的滚动轴承,常用二硫化钼喷溅固体润滑膜.多通道扫描辐射计是气象卫星全新遥感探测系统,它集中了光、机、电和信息处理等高新技术学科,是气象卫星的重要系统部件.新开发的固体润滑轴承是该扫描装置的支承部件.二硫化钼轴承作为轴系的关键部件,广泛应用于多个型号的卫星中,卫星上使用典型固体润滑轴承,质量要求高、寿命试验长、实验费用高.图3为使用了固体润滑材料的航天器.图4为神七航天员出舱取固体润滑材料.

图3 使用了固体润滑材料的航天器

图4 神七航天员出仓舱取固体润滑材料

◆ 冶金领域

冶金设备长期处在高温、重载荷、受冲击、粉尘多和水分多的恶劣环境下,润滑油脂往往失效.固体自润滑轴承却发挥了特别好的效能,使现代化的冶金设备提高连续运转率.在冶金企业轧钢、冶炼设备的机械传动中,轴承的使用相当普遍,选用原则是依据机械传动中的载荷大小、转速高低、工作环境等因素,同时兼顾检修及维护方面的要求,并对产品的功能特点、使用条件进行综合比较来确定选用对象.采用固体润滑材料,在同等条件下,使用寿命平均提高l0倍以上.固体润滑材料呈现机械强度高、韧性好、低摩擦、耐磨损且不损伤对偶的摩擦学特性.

烧结机台车(图5)的轴套、隔离环通常采用铜材制成,靠轴端部油孔打油润滑.在生产运行中,因工作温度高、粉尘大,造成油脂流失、结焦、油孔堵塞等,极易产生干摩擦现象,导致滑动体之间产生很大的摩擦力,致使轴套、轴颈严重磨损而报废;或轴、轴套、卡轮间咬死;卡轮在与烧结机星轮相啮合时为滑动摩擦,产生相当大的摩擦阻力,卡轮局部和星轮齿板严重磨损,造成烧结机驱动电流增大、台车跑偏等,给生产及维护带来很大困难.采用固体润滑轴承能够解决上述难题.

图5 烧结机台车

图6 炼钢厂方坯连铸机

炼钢厂方坯连铸机(图6)许多部位使用大量油脂润滑的转动或滑动摩擦件.由于连铸机作业温度或过早干涩、碳化,使这影响连铸机作业率.经过磨固体自润滑材料及制体自润滑轴承.在方坯连铸机的几个部位使用效果良好.

◆ 自控领域.

日本精工针对从事FPD等面板搬运的真空机器人开发出了在超高真空环境下耐久性更高的角接触球轴承"真空机器人用固体润滑角接触球轴承"(图7).此次通过重新开发保持架的机械装置,成功实现了角接触球轴承的固体润滑.由此,不仅可以提高轴承的耐久性,还可满足日益大型化的真空机器人负荷容量增加的要求.固体润滑角接触球轴承的耐久性达到普通固体润滑轴承的5倍.

图7 机器人

◆ 微特电机领域

微特电机(图8)应用轴承发展到现在经过了滑动轴承-滚动轴承-滑动轴承两个大阶段,每阶段在性能、寿命或成本方面都有较大提高.西德、英国等应用了固体自润滑轴承的微特电机,其寿命可达1万h左右,而轴承的成本降低数十倍到上百倍.此类轴承的特点是具有良好的自润滑性能,不需另加润滑剂,磨损小,寿命长.固体自润滑轴承的材料主要分为:金属基自润滑复合材料,如青铜-固体润滑剂、银-固体润滑剂等;粉末冶金基自润滑复合材料,如粉冶多孔青铜-氟塑料-固体润滑剂等.