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關(guān)于石墨軸承你不知道的那些事

 1、石墨軸承的簡(jiǎn)單介紹

軸承是機(jī)械工業(yè)中常用的一種滑動(dòng)機(jī)件。石墨軸承是隨著機(jī)械設(shè)備的性能要求，在金屬軸承的基礎(chǔ)上開發(fā)并發(fā)展起來的炭質(zhì)軸承。炭質(zhì)軸承有不同于金屬軸承的特性，如自潤(rùn)滑、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)輕等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們又開發(fā)了陶瓷球軸承、炭化硅軸承等，石墨軸承也得到了進(jìn)一步的拓展，制造出了青銅石墨含油軸承、鑲嵌石墨軸承。因?yàn)槭S承在制造工藝上和技術(shù)性能上都有其獨(dú)特的方面，在今后的發(fā)展中有一定的擴(kuò)展性，在此做進(jìn)一步分析研究，為的是得到進(jìn)一步開發(fā)，在應(yīng)用中得到更加廣闊的市場(chǎng)。



2、石墨軸承的潤(rùn)滑基理、分類和性能分析

從碳原子結(jié)構(gòu)分析石墨材料的潤(rùn)滑性。石墨材料本身就存在潤(rùn)滑性能，這是石墨的晶體結(jié)構(gòu)所決定的。石墨的潤(rùn)滑性能除晶格的特定原因有先天可供潤(rùn)滑的結(jié)構(gòu)外，就是水和空氣對(duì)它的良好潤(rùn)滑作用的發(fā)揮。水和空氣的存在使石墨的工作面上吸附了水和氣體分子，增大了石墨互相滑動(dòng)的解理面間的距離，從而減弱了它們間的結(jié)合力。軸承有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承之分，材質(zhì)上又有金屬、非金屬、復(fù)合材料之別。

石墨軸承以石墨材料為主要基材，應(yīng)用于食品、飲料、紡織、化工等工業(yè)部門中的運(yùn)輸機(jī)、干燥機(jī)、紡織機(jī)、潛水泵電機(jī)等軸承方面，這些部位如用油脂潤(rùn)滑劑不可避免會(huì)引起污染，而石墨軸承的自潤(rùn)滑性很強(qiáng)，耐腐蝕，可不使用潤(rùn)滑油而進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高制品的機(jī)械強(qiáng)度，特別是為了提高耐沖擊韌性，常用一些耐磨性能好的易熔金屬進(jìn)行浸漬處理。浸銻石墨軸承允許的工作溫度可達(dá)500C，銻與銅對(duì)磨時(shí)不易沾著，在大負(fù)荷和快速的情況下工作，其耐磨性能可提高2--3倍。石墨材料的強(qiáng)度隨溫度升高而增加的趨勢(shì)一直保持到2600C左右，在高溫時(shí)強(qiáng)度是室溫的3倍。

滑動(dòng)軸承存在著兩種摩擦形式，即靜摩擦和動(dòng)摩擦，一般炭石墨軸承的靜摩擦比同樣情況下的金屬軸承要小一些。普通炭石墨軸承在干運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，動(dòng)摩擦系數(shù)在0.08-0.3之間，濕運(yùn)轉(zhuǎn)情況下由于存在著邊界潤(rùn)滑，所以動(dòng)摩擦系數(shù)一般在0.01-0.1范圍內(nèi)。在炭刷與換向器的摩擦中，換向器表面可產(chǎn)生一層褐色、深紫色、淺蘭色的薄膜，這層薄膜可起潤(rùn)滑過程中的保護(hù)作用。分析可知，這層薄膜主要由兩部分組成，其一是與金屬結(jié)合在一起的金屬氧化膜和金屬氫氧化物，稱為氧化薄膜。其二是炭素薄膜，在運(yùn)行過程中的炭塊上剝離下來的極其細(xì)小的炭、石墨粒子、炭塊材料中所含的不純物、空氣中浮游的塵被吸附的水分和氧所組成。

鑲嵌石墨軸承的制造是以金屬材料為基體，它的機(jī)械強(qiáng)度基本取決于采用的金屬材質(zhì)的機(jī)械性能，石墨作為一種固體潤(rùn)滑材料鑲嵌在軸承的摩擦面金屬基體上，用于軸承工作狀態(tài)下的潤(rùn)滑材料，但石墨也有含油效果。石墨的鑲嵌可采取二種方法，一種是熔融金屬液澆鑄法，另一種是在金屬基材上先按照一定的排列方式加工一些孔洞，然后將固體潤(rùn)滑劑嵌入其中，鑲嵌石墨軸承的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)一般取決于基體金屬材質(zhì)。但鑲嵌石墨軸承的強(qiáng)度大大提高，可在重載荷下運(yùn)行。

3、石墨軸承的設(shè)計(jì)與制造

炭材料結(jié)構(gòu)的多樣性來源于炭/炭原子間化學(xué)鍵合的多樣性，由此也提供了炭材料的可設(shè)計(jì)性。石墨軸承由于它的生產(chǎn)工藝和原材料的可設(shè)計(jì)性為設(shè)計(jì)與制造提供了一定空間，從而可制造出性能各異，適用于多種技術(shù)條件和使用環(huán)境的石墨軸承。PV值是軸承設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)PV=P*V，P--單位面積載荷壓力，MPa；V--軸的線速度,m/s

PV值超過各種材料的極限值時(shí)，就會(huì)引起異常的升溫和磨損，一般設(shè)計(jì)要有余量，參PV值應(yīng)在極限值的50%--70%。在實(shí)際工作中，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)因環(huán)境不同又有干運(yùn)轉(zhuǎn)和濕運(yùn)轉(zhuǎn)之分。在干運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，石墨軸承允許的最大載荷受到軸承的強(qiáng)度和允許的磨損速率的限制。其允許的最大線速度則受到軸承摩擦面上所產(chǎn)生熱量的限制。而磨損速率又受到軸承材質(zhì)、軸和軸承表面加工情況、載荷、速度及周圍介質(zhì)等條件的影響。在干運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，軸承允許的PV值還直接受到軸承材質(zhì)的影響，

石墨軸承設(shè)計(jì)種類有圓柱形、圓柱代凸緣形、圓形、特殊結(jié)構(gòu)，但從石墨軸承的強(qiáng)度考慮，炭軸承的厚度必須比金屬軸承大，厚度以內(nèi)徑1/5-1/7為合適，最小限度為3mm以上，軸承的長(zhǎng)度是內(nèi)徑的2倍以上。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度將會(huì)升高，運(yùn)轉(zhuǎn)間隙，可根據(jù)軸和軸承的熱膨脹來決定，一般是軸徑0.3%左右。

炭石墨軸承的制造工藝與其他炭制品大致相同，基本工藝過程包括：原料的選擇、原料的預(yù)處理、原料的破碎、篩分分級(jí)、顆粒狀與粉狀材料的配料、粘結(jié)劑的選擇、混勻、混捏、輥壓、磨粉壓制成型、焙燒、人造石墨制品還須石墨化處理，浸漬、機(jī)械加工等，部分石墨軸承為了增加機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性，還需金屬(如銻、銅、鉛等)浸漬，最終達(dá)到所要求的技術(shù)性能，再進(jìn)行機(jī)械加工成所要求的幾何尺寸。

4、討論

綜上所述，對(duì)炭/石墨軸承進(jìn)行了簡(jiǎn)要研究與分析，由此證實(shí)了炭石墨軸承的優(yōu)良特性，針對(duì)不同條件下特殊潤(rùn)滑要求，可研究、制造出性能各異、適合各種條件的滑動(dòng)石墨軸承。目前在食品、紡織、印染、化工工業(yè)中的輸送機(jī)軸承、離心泵軸承、潛水泵軸承、齒輪軸承和汽車、航空、農(nóng)業(yè)機(jī)械等方面都不同程度地得到了應(yīng)用。

再者，可在炭材料的改性方面作進(jìn)一步的研究，開發(fā)拓展一些新材料。如采用碳合金法，對(duì)炭質(zhì)材料的表面和本體進(jìn)行化學(xué)改性，其結(jié)果必將影響所得材料的結(jié)構(gòu)和性能，極有可能開創(chuàng)出新的功能材料用于潤(rùn)滑石墨軸承的制造。再如炭化硅軸承的研究，它有較強(qiáng)的硬度、耐高溫等特性，但成本很高還沒能推廣。用粉末冶金法這一傳統(tǒng)方法制造軸承，如能進(jìn)一步提高抗壓強(qiáng)度和精度也是有較大發(fā)展的。

炭石墨軸承有著強(qiáng)大的生命力。在石墨軸承開發(fā)的同時(shí)再研究插層石墨、石墨涂層軸承等新技術(shù)，擴(kuò)大其研究與應(yīng)用領(lǐng)域，石墨軸承將在今后得到更大、更廣、更新的發(fā)展。