镶嵌型滑动轴承固体润滑材料应用概况

黄彧，王文东，张柯

(1.上海理工大学 材料科学与工程学院，上海 200082；2.上海材料研究所，上海 200437； 3.上海市工程材料应用与评价重点实验室，上海 200437)

镶嵌型轴承早在20世纪20年代初就已经出现[1-2]，其是指在轴承基体上预先设计、加工一定面积比例的孔洞或沟槽，在其中嵌入一些固体润滑材料，经过特殊工艺将其结合成一个整体。轴承工作时嵌入的固体润滑材料在交变应力和摩擦热的作用下可微凸出基体表面，在对偶面形成固体润滑转移膜，使摩擦副表面不直接接触，从而起到润滑、减摩作用。

除自润滑性能较好外，镶嵌型轴承还有许多明显优于其他自润滑轴承的独特性能，如承载力强，适用温度范围广，其在特殊环境中的应用越来越受到人们的重视[3-4]。本文介绍了聚合物类、石墨类和二硫化钼(MoS2)类镶嵌型滑动轴承用固体润滑材料研究的进展。

1 聚合物类镶嵌型滑动轴承用固体润滑材料

1.1 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯(PTFE)具有耐化学侵蚀性好，耐高温，摩擦因数低，通常用于轴承和密封中，但PTFE的力学性能较差，线膨胀系数大，抗蠕变性差[5-6]，纯PTFE在轴承中的使用会受到很大限制，因此，当PTFE作为轴承的固体润滑材料时通常要添加填充物对其进行改性[7-9]。在PTFE中填充石墨、玻璃纤维、碳纤维、MoS2、金属和金属氧化物后硬度和耐磨性会提高，比磨损率下降至未填充的1/100以下[10]。

文献[11]研发了一种镶嵌型水轮发电机轴承，该轴承以PTFE为固体润滑材料基体，加入石墨、MoS2和碳纤维等填充物，对该轴承进行的摩擦磨损试验和台架试验验证了该镶嵌型轴承能使水轮发电机在重载、泥水等特殊工况下正常服役。

文献[12]以PTFE和40 nm氧化铝(质量分数为0～20%)为原料，采用模压成型的方法制备了一种固体润滑材料。在接触压力6.4 MPa，行程长度50 mm，滑动速度50 mm/s下进行往复式摩擦磨损试验，结果表明该复合材料的耐磨性随氧化铝的增加而增加，氧化铝的质量分数为20%时材料最耐磨，比未填充时高出600倍。说明该润滑材料可作为镶嵌型关节轴承的自润滑材料。

文献[13]以PTFE为润滑基体，加入质量分数为10%的纳米蒙脱石后进行混料，采用模压成型的方法镶嵌在铝合金中，制成PTFE-铝合金镶嵌型润滑材料，然后进行摩擦磨损试验，结果表明：该复合材料稳态后摩擦温度为51 ℃，摩擦因数为0.087，磨损率为0.38×10-3mm3·N-1·m-1，与非镶嵌型PTFE基复合材料对比发现导热性和耐磨性大大提高，而摩擦因数无明显增加。该复合材料摩擦磨损性能优良，抗压强度高，密度小，可作为航空航天用镶嵌型轴承润滑材料。

文献[14]用铅粉、石墨、玻璃纤维填充PTFE制成铜基镶嵌型关节轴承材料，试验发现润滑材料组成为40%PTFE+20%铅粉+20%石墨+20%玻璃纤维时关节轴承具有较好的摩擦磨损性能。

文献[15]研究出一种新型钢基镶嵌型PTFE自润滑轴承，金属基体采用GCr15轴承钢，固体润滑材料基体为PTFE，填充物为石墨、MoS2和中性氧化铝粉末。摩擦试验表明这种新型轴承的承载能力可达到90 MPa，摩擦因数低于0.15，满足苛刻工况下轴承的力学性能要求。

文献[1]通过对比石墨基、含铅PTFE、无铅PTFE固体润滑剂与铜合金复合制成的3种镶嵌型轴承的摩擦学特性，结果发现无铅PTFE镶嵌型轴承在工作时形成的转移膜最完整、均匀，耐磨性最好，台架试验表明无铅PTFE镶嵌型轴承用于水利工程预计具有50年的安全使用寿命。

文献[16]对几种石墨和PTFE复合固体润滑材料镶嵌在铜合金上进行端面摩擦磨损试验，结果表明：添加适量的石墨可使摩擦表面形成均匀的转移膜，减少基体铜合金在摩擦表面的裸露，从而使该复合材料制成的关节轴承能够在工作时有效减小摩擦副接触界面由黏着引起的机械破坏式磨损。

1.2 聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)力学性能优良，耐腐蚀性较好，热稳定性以及摩擦磨损性能良好，是继PTFE后另一种受欢迎的减摩耐磨材料,与PTFE相比具有更好的承载力和耐磨性，可在无润滑和粉尘等工况下使用，能够替代不少传统金属材料[17-19]。

文献[20]研究了填充PTFE的PEEK自润滑复合材料的摩擦磨损性能，结果表明PTFE的填充减小了PEEK的摩擦，但硬度略微下降，当其作为轴承固体润滑材料时，为使轴承获得最良好的摩擦学性能，填充质量分数为 10%的PTFE最合适。

文献[21]用PTFE、石墨等填充PEEK制成了镶嵌型轴承，研究了不同的填充物和填充量对复合材料摩擦磨损性能的影响，确定了材料的比磨损率与工作极限PV值的关系，结果表明:常温下PEEK的摩擦因数为0.48，制成PEEK复合材料后，随着试验温度的升高，材料摩擦因数减小，约为0.20～0.25，填充质量分数为15%PTFE和15%石墨的PEEK材料摩擦磨损性能最优，说明该自润滑复合材料在高温条件下性能更好，可作为自润滑镶嵌型轴承的固体润滑材料。

文献[22-23]研究了PEEK和PTFE混合物的摩擦磨损性能，质量分数为32%的PEEK的磨损率最低为2×10-9mm3·N-1·m-1，该混合物的磨损率是未填充PEEK的0.11%，是未填充PTFE的0.000 4%，证明该复合材料可以作为镶嵌型轴承用固体润滑材料。

1.3 聚酰亚胺

聚酰亚胺(PI)是目前有机高分子聚合物材料中热稳定性能较好的材料之一[24-26]。PI作为综合性能优异的特种工程塑料，具有优良的热稳定性，突出的耐辐照性能和优异的减摩耐磨性能，干摩擦时可在对偶面形成转移膜, 起到自润滑作用。在高温、高压的减摩耐磨工况下应用广泛[27-29]。

文献[30]采用PI复合材料制造耐高温自润滑轴承衬套，其具有节能，不污染环境，使用寿命可提高2～3倍的特点，能替代粉末冶金含油轴承、金属滑动轴承和滚动轴承，可满足高温、高载荷、高转速和多粉尘等苛刻工况。

文献[31]以PI为基体，石墨为填充物研究出一种固体润滑材料，试验结果表明石墨的填充可改善PI的摩擦磨损性能，随石墨填充量的增加，摩擦因数减小，磨痕宽度减小，冲击强度降低。当PI中添加石墨的质量分数为15%时，该润滑材料的摩擦磨损性能最优，可作为镶嵌型轴承的固体润滑材料。

1.4 小结

轴承中用聚合物类自润滑材料替代普通金属制品应用的研究日益广泛，聚合物摩擦磨损性能与在对偶面上形成转移膜的能力及转移膜特性相关。因为单一聚合物某些性能较差，直接应用到滑动轴承中综合性能一般，所以广大学者重点研究聚合物、填充物和摩擦副组成的摩擦复合体系中各种因素之间的相互影响关系，摩擦磨损、微观机理以及温度、润滑、速度等条件的影响等。

2 石墨类镶嵌型滑动轴承用固体润滑材料

石墨是碳的一种结晶形态，具有六方晶格，由于层与层之间分子键的结合作用力较小，故容易在层与层之间发生滑移[32]，所以石墨的强度和硬度低，但其润滑性能好，价格低廉，并且对环境无危害，在减摩耐磨材料中广泛应用。在机械工业中，一般的润滑油无法在高温、高速、高压的条件下使用，而石墨可在-200～2 000 ℃下使用，并且能应用于高速工况，因此石墨经常被镶嵌在金属基体上作为润滑材料使用[33]。

2.1 铜合金基体

铜合金石墨复合材料于20世纪初问世，这种材料由纯铜或铜合金作为基体镶嵌石墨组成。铜合金石墨复合材料既具备铜合金基体的导热、导电性好，强度高的特点，同时也兼具石墨在常温和高温下都具有良好润滑性的特点，广泛应用于无油或少油的工况[34-36]。

文献[37-38]发现，把石墨等润滑材料镶嵌在铜合金中，由于受摩擦挤压和热的作用，可使材料自身在相对滑动表面形成一层较稳定的润滑膜，并且依靠石墨不断向外挤压来修复被损伤的润滑膜，起到润滑和减摩作用，当石墨的体积分数超过20%时，有利于形成完整和连续的石墨润滑膜。研究表明，这种铜合金镶嵌石墨复合材料的摩擦因数接近石墨的摩擦因数而与基体无关。

文献[39]在摩擦磨损试验机上对锡青铜、铝青铜、铝黄铜镶嵌型石墨轴承试样进行了常温下干摩擦对比试验，探讨了不同铜合金基体对镶嵌型轴承摩擦磨损性能的影响,结果表明:锡青铜镶嵌型轴承在各种试验条件下均表现出了优良的摩擦磨损性能；铝黄铜和铝青铜镶嵌型轴承的摩擦磨损性能较差，尤其是在载荷较大时性能更差。

文献[40]发明了一种在铜合金关节轴承表面镶嵌石墨的工艺，该工艺以铜合金为基材在表面设置盲孔或通孔，加热扩大表面铜合金的盲孔或通孔直径，然后将石墨用压头嵌入孔中，再对铜合金进行冷却使孔径恢复到原尺寸，从而实现石墨与合金的牢固连接。试验表明该铜合金镶嵌石墨技术与原有技术相比产品摩擦因数小，承载能力高，可在较大的温度范围长期服役。

文献[41]以锡青铜为金属基体，石墨、MoS2和其他材料的混合物作为固体润滑材料，研发出一种可用于20多种机械设备的镶嵌型自润滑轴承。试验表明载荷、速度和温度对轴承的摩擦因数影响不明显，说明此镶嵌型自润滑轴承在高温工况下可形成具有减摩耐磨作用的润滑膜，该轴承的实际寿命约为一般轴承的10倍。

2.2 铁基基体

铁基材料有一定的耐磨性，强度、硬度较高，易加工，成本较低，而且可根据制备的工艺要求添加碳元素或其他合金元素来调整其力学性能和耐腐蚀性能，以适应于不同的工作环境[42]。

文献[43]在铁基石墨镶嵌型关节轴承中加入铜作为第二相来改善摩擦特性，结果表明加入适当的铜能增加材料的表面硬度，提高铁基材料的耐磨性，降低磨损率。

为研究不同铁基材料镶嵌石墨的效果，文献[44]在端面摩擦磨损试验机上对45#钢、不锈钢、铸铁镶嵌型石墨轴承试样进行干摩擦对比试验，结果表明：45#钢的耐磨性和承载性最差，在重载下磨损量最大；在载荷较大时，不锈钢镶嵌型石墨轴承试样的摩擦性能较好，磨损量较小，虽在载荷较小时易发生咬合，但与其他2种铁基材料相比摩擦因数总体比较平稳。

2.3 小结

目前，铜合金镶嵌石墨技术因为兼备铜合金优异的力学性能和石墨低摩擦、自润滑性能，已被大量应用于核电、航空、航天等特殊工况的轴承中，为达到最优的力学性能和摩擦学性能，应考虑石墨含量与固体润滑剂复配及铜合金种类等因素，这也是国内外学者目前主要研究的方向。而铁基石墨镶嵌型轴承的金属基体趋于合金化，以改善其摩擦磨损性能及耐腐蚀性能。

3 MoS2类镶嵌型滑动轴承用固体润滑材料

MoS2是一种非常柔软的固体，不易伤害金属表面，稳定性较好，MoS2晶体具有由多个堆叠层形成的层状结构，且每片由嵌在2个硫原子平面之间的钼原子平面组成。一层中S-Mo-S共价键的强度非常高，而由范德华力引起的2个相邻层之间的结合强度相对较小[45]。因此，很难破坏S-Mo-S层内之间的结合，而层与层之间容易滑动，MoS2的润滑机理与石墨非常相似[46-47]。

文献[48]研制出一种替代船闸闸门轴承的新型镶嵌型关节轴承(MoS2作为固体润滑剂)，试验结果表明该镶嵌型关节轴承工作一段时间后在接触表面形成固体润滑膜，静摩擦因数显著降低。

文献[49]通过疲劳寿命试验和实例论证了MoS2在镶嵌型关节轴承跑和运转时能减少运转时产生的摩擦，从而延长轴承的使用寿命，降低轴承工作时的噪声。

在镶嵌型滑动轴承中采用MoS2为固体润滑材料，可在滑动表面形成稳定的转移膜，从而起到减摩耐磨的作用，可满足高温、高压环境的使用条件,但不适用于高速、轻载、低温的工况。

4 发展方向与展望

随着科技的不断进步和发展，应用于各种工况的镶嵌型轴承自润滑材料也在不断被研究和探索。目前几类自润滑材料在今后的研究重点有以下几个方面：

1)聚合物类镶嵌型轴承用固体润滑材料添加填充物改性方面，可开发性能优异的纳米润滑材料并研究其协同减摩效应,研究耐高温、高性价比、低成本的新型树脂与共混树脂基体使填充物复合化，以达到最优的减摩耐磨效果[50]。

2)聚合物类镶嵌型轴承用固体润滑材料性能方面，在能够适应高温、高压等特殊工况的前提下，可开发润滑材料的新型制备工艺以充分发挥其优良的润滑、耐磨性能和力学性能，如采用原位聚合插层、熔融插层或溶液回流插层等工艺制备层状纳米结构减摩复合材料来应用于镶嵌型滑动轴承。

3)如今智能润滑的理念已进入人们视野，笔者认为这一理念未来在镶嵌型轴承润滑材料上大有可为。智能润滑是指改变润滑材料的微观结构，从而在功能上有所改进。在润滑材料微观结构的选取与改进上，应用最广泛的是核壳颗粒，通过改变核壳比可调节复合材料的力学性能和润滑性能，适当的核壳比有利于获得理想的综合性能。核壳结构所赋予的约束效应、改善分散能力等性能，有效提高增强相的分散性，提高了转移膜对摩擦表面的结合力，阻断聚合物类复合材料的磨损过程。根据这一理念，可尝试将聚合物类、石墨类以及MoS2几种润滑材料制备成核壳材料，通过改变核壳比来自主控制润滑性能，最终研究出高性能的固体润滑材料并应用于镶嵌型滑动轴承上。