鑲嵌型滑動(dòng)軸承固體潤(rùn)滑材料應(yīng)用概況

黃彧，王文東，張柯

(1.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200082；2.上海材料研究所，上海 200437； 3.上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

鑲嵌型軸承早在20世紀(jì)20年代初就已經(jīng)出現(xiàn)[1-2]，其是指在軸承基體上預(yù)先設(shè)計(jì)、加工一定面積比例的孔洞或溝槽，在其中嵌入一些固體潤(rùn)滑材料，經(jīng)過特殊工藝將其結(jié)合成一個(gè)整體。軸承工作時(shí)嵌入的固體潤(rùn)滑材料在交變應(yīng)力和摩擦熱的作用下可微凸出基體表面，在對(duì)偶面形成固體潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，使摩擦副表面不直接接觸，從而起到潤(rùn)滑、減摩作用。

除自潤(rùn)滑性能較好外，鑲嵌型軸承還有許多明顯優(yōu)于其他自潤(rùn)滑軸承的獨(dú)特性能，如承載力強(qiáng)，適用溫度范圍廣，其在特殊環(huán)境中的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視[3-4]。本文介紹了聚合物類、石墨類和二硫化鉬(MoS2)類鑲嵌型滑動(dòng)軸承用固體潤(rùn)滑材料研究的進(jìn)展。

1 聚合物類鑲嵌型滑動(dòng)軸承用固體潤(rùn)滑材料

1.1 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯(PTFE)具有耐化學(xué)侵蝕性好，耐高溫，摩擦因數(shù)低，通常用于軸承和密封中，但PTFE的力學(xué)性能較差，線膨脹系數(shù)大，抗蠕變性差[5-6]，純PTFE在軸承中的使用會(huì)受到很大限制，因此，當(dāng)PTFE作為軸承的固體潤(rùn)滑材料時(shí)通常要添加填充物對(duì)其進(jìn)行改性[7-9]。在PTFE中填充石墨、玻璃纖維、碳纖維、MoS2、金屬和金屬氧化物后硬度和耐磨性會(huì)提高，比磨損率下降至未填充的1/100以下[10]。

文獻(xiàn)[11]研發(fā)了一種鑲嵌型水輪發(fā)電機(jī)軸承，該軸承以PTFE為固體潤(rùn)滑材料基體，加入石墨、MoS2和碳纖維等填充物，對(duì)該軸承進(jìn)行的摩擦磨損試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了該鑲嵌型軸承能使水輪發(fā)電機(jī)在重載、泥水等特殊工況下正常服役。

文獻(xiàn)[12]以PTFE和40 nm氧化鋁(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～20%)為原料，采用模壓成型的方法制備了一種固體潤(rùn)滑材料。在接觸壓力6.4 MPa，行程長(zhǎng)度50 mm，滑動(dòng)速度50 mm/s下進(jìn)行往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明該復(fù)合材料的耐磨性隨氧化鋁的增加而增加，氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)材料最耐磨，比未填充時(shí)高出600倍。說明該潤(rùn)滑材料可作為鑲嵌型關(guān)節(jié)軸承的自潤(rùn)滑材料。

文獻(xiàn)[13]以PTFE為潤(rùn)滑基體，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的納米蒙脫石后進(jìn)行混料，采用模壓成型的方法鑲嵌在鋁合金中，制成PTFE-鋁合金鑲嵌型潤(rùn)滑材料，然后進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明：該復(fù)合材料穩(wěn)態(tài)后摩擦溫度為51 ℃，摩擦因數(shù)為0.087，磨損率為0.38×10-3mm3·N-1·m-1，與非鑲嵌型PTFE基復(fù)合材料對(duì)比發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱性和耐磨性大大提高，而摩擦因數(shù)無(wú)明顯增加。該復(fù)合材料摩擦磨損性能優(yōu)良，抗壓強(qiáng)度高，密度小，可作為航空航天用鑲嵌型軸承潤(rùn)滑材料。

文獻(xiàn)[14]用鉛粉、石墨、玻璃纖維填充PTFE制成銅基鑲嵌型關(guān)節(jié)軸承材料，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑材料組成為40%PTFE+20%鉛粉+20%石墨+20%玻璃纖維時(shí)關(guān)節(jié)軸承具有較好的摩擦磨損性能。

文獻(xiàn)[15]研究出一種新型鋼基鑲嵌型PTFE自潤(rùn)滑軸承，金屬基體采用GCr15軸承鋼，固體潤(rùn)滑材料基體為PTFE，填充物為石墨、MoS2和中性氧化鋁粉末。摩擦試驗(yàn)表明這種新型軸承的承載能力可達(dá)到90 MPa，摩擦因數(shù)低于0.15，滿足苛刻工況下軸承的力學(xué)性能要求。

文獻(xiàn)[1]通過對(duì)比石墨基、含鉛PTFE、無(wú)鉛PTFE固體潤(rùn)滑劑與銅合金復(fù)合制成的3種鑲嵌型軸承的摩擦學(xué)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)鉛PTFE鑲嵌型軸承在工作時(shí)形成的轉(zhuǎn)移膜最完整、均勻，耐磨性最好，臺(tái)架試驗(yàn)表明無(wú)鉛PTFE鑲嵌型軸承用于水利工程預(yù)計(jì)具有50年的安全使用壽命。

文獻(xiàn)[16]對(duì)幾種石墨和PTFE復(fù)合固體潤(rùn)滑材料鑲嵌在銅合金上進(jìn)行端面摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明：添加適量的石墨可使摩擦表面形成均勻的轉(zhuǎn)移膜，減少基體銅合金在摩擦表面的裸露，從而使該復(fù)合材料制成的關(guān)節(jié)軸承能夠在工作時(shí)有效減小摩擦副接觸界面由黏著引起的機(jī)械破壞式磨損。

1.2 聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)力學(xué)性能優(yōu)良，耐腐蝕性較好，熱穩(wěn)定性以及摩擦磨損性能良好，是繼PTFE后另一種受歡迎的減摩耐磨材料,與PTFE相比具有更好的承載力和耐磨性，可在無(wú)潤(rùn)滑和粉塵等工況下使用，能夠替代不少傳統(tǒng)金屬材料[17-19]。

文獻(xiàn)[20]研究了填充PTFE的PEEK自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦磨損性能，結(jié)果表明PTFE的填充減小了PEEK的摩擦，但硬度略微下降，當(dāng)其作為軸承固體潤(rùn)滑材料時(shí)，為使軸承獲得最良好的摩擦學(xué)性能，填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%的PTFE最合適。

文獻(xiàn)[21]用PTFE、石墨等填充PEEK制成了鑲嵌型軸承，研究了不同的填充物和填充量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，確定了材料的比磨損率與工作極限PV值的關(guān)系，結(jié)果表明:常溫下PEEK的摩擦因數(shù)為0.48，制成PEEK復(fù)合材料后，隨著試驗(yàn)溫度的升高，材料摩擦因數(shù)減小，約為0.20～0.25，填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%PTFE和15%石墨的PEEK材料摩擦磨損性能最優(yōu)，說明該自潤(rùn)滑復(fù)合材料在高溫條件下性能更好，可作為自潤(rùn)滑鑲嵌型軸承的固體潤(rùn)滑材料。

文獻(xiàn)[22-23]研究了PEEK和PTFE混合物的摩擦磨損性能，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%的PEEK的磨損率最低為2×10-9mm3·N-1·m-1，該混合物的磨損率是未填充PEEK的0.11%，是未填充PTFE的0.000 4%，證明該復(fù)合材料可以作為鑲嵌型軸承用固體潤(rùn)滑材料。

1.3 聚酰亞胺

聚酰亞胺(PI)是目前有機(jī)高分子聚合物材料中熱穩(wěn)定性能較好的材料之一[24-26]。PI作為綜合性能優(yōu)異的特種工程塑料，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，突出的耐輻照性能和優(yōu)異的減摩耐磨性能，干摩擦?xí)r可在對(duì)偶面形成轉(zhuǎn)移膜, 起到自潤(rùn)滑作用。在高溫、高壓的減摩耐磨工況下應(yīng)用廣泛[27-29]。

文獻(xiàn)[30]采用PI復(fù)合材料制造耐高溫自潤(rùn)滑軸承襯套，其具有節(jié)能，不污染環(huán)境，使用壽命可提高2～3倍的特點(diǎn)，能替代粉末冶金含油軸承、金屬滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，可滿足高溫、高載荷、高轉(zhuǎn)速和多粉塵等苛刻工況。

文獻(xiàn)[31]以PI為基體，石墨為填充物研究出一種固體潤(rùn)滑材料，試驗(yàn)結(jié)果表明石墨的填充可改善PI的摩擦磨損性能，隨石墨填充量的增加，摩擦因數(shù)減小，磨痕寬度減小，沖擊強(qiáng)度降低。當(dāng)PI中添加石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，該潤(rùn)滑材料的摩擦磨損性能最優(yōu)，可作為鑲嵌型軸承的固體潤(rùn)滑材料。

1.4 小結(jié)

軸承中用聚合物類自潤(rùn)滑材料替代普通金屬制品應(yīng)用的研究日益廣泛，聚合物摩擦磨損性能與在對(duì)偶面上形成轉(zhuǎn)移膜的能力及轉(zhuǎn)移膜特性相關(guān)。因?yàn)閱我痪酆衔锬承┬阅茌^差，直接應(yīng)用到滑動(dòng)軸承中綜合性能一般，所以廣大學(xué)者重點(diǎn)研究聚合物、填充物和摩擦副組成的摩擦復(fù)合體系中各種因素之間的相互影響關(guān)系，摩擦磨損、微觀機(jī)理以及溫度、潤(rùn)滑、速度等條件的影響等。

2 石墨類鑲嵌型滑動(dòng)軸承用固體潤(rùn)滑材料

石墨是碳的一種結(jié)晶形態(tài)，具有六方晶格，由于層與層之間分子鍵的結(jié)合作用力較小，故容易在層與層之間發(fā)生滑移[32]，所以石墨的強(qiáng)度和硬度低，但其潤(rùn)滑性能好，價(jià)格低廉，并且對(duì)環(huán)境無(wú)危害，在減摩耐磨材料中廣泛應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，一般的潤(rùn)滑油無(wú)法在高溫、高速、高壓的條件下使用，而石墨可在-200～2 000 ℃下使用，并且能應(yīng)用于高速工況，因此石墨經(jīng)常被鑲嵌在金屬基體上作為潤(rùn)滑材料使用[33]。

2.1 銅合金基體

銅合金石墨復(fù)合材料于20世紀(jì)初問世，這種材料由純銅或銅合金作為基體鑲嵌石墨組成。銅合金石墨復(fù)合材料既具備銅合金基體的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好，強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)也兼具石墨在常溫和高溫下都具有良好潤(rùn)滑性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于無(wú)油或少油的工況[34-36]。

文獻(xiàn)[37-38]發(fā)現(xiàn)，把石墨等潤(rùn)滑材料鑲嵌在銅合金中，由于受摩擦擠壓和熱的作用，可使材料自身在相對(duì)滑動(dòng)表面形成一層較穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，并且依靠石墨不斷向外擠壓來(lái)修復(fù)被損傷的潤(rùn)滑膜，起到潤(rùn)滑和減摩作用，當(dāng)石墨的體積分?jǐn)?shù)超過20%時(shí)，有利于形成完整和連續(xù)的石墨潤(rùn)滑膜。研究表明，這種銅合金鑲嵌石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)接近石墨的摩擦因數(shù)而與基體無(wú)關(guān)。

文獻(xiàn)[39]在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)錫青銅、鋁青銅、鋁黃銅鑲嵌型石墨軸承試樣進(jìn)行了常溫下干摩擦對(duì)比試驗(yàn)，探討了不同銅合金基體對(duì)鑲嵌型軸承摩擦磨損性能的影響,結(jié)果表明:錫青銅鑲嵌型軸承在各種試驗(yàn)條件下均表現(xiàn)出了優(yōu)良的摩擦磨損性能；鋁黃銅和鋁青銅鑲嵌型軸承的摩擦磨損性能較差，尤其是在載荷較大時(shí)性能更差。

文獻(xiàn)[40]發(fā)明了一種在銅合金關(guān)節(jié)軸承表面鑲嵌石墨的工藝，該工藝以銅合金為基材在表面設(shè)置盲孔或通孔，加熱擴(kuò)大表面銅合金的盲孔或通孔直徑，然后將石墨用壓頭嵌入孔中，再對(duì)銅合金進(jìn)行冷卻使孔徑恢復(fù)到原尺寸，從而實(shí)現(xiàn)石墨與合金的牢固連接。試驗(yàn)表明該銅合金鑲嵌石墨技術(shù)與原有技術(shù)相比產(chǎn)品摩擦因數(shù)小，承載能力高，可在較大的溫度范圍長(zhǎng)期服役。

文獻(xiàn)[41]以錫青銅為金屬基體，石墨、MoS2和其他材料的混合物作為固體潤(rùn)滑材料，研發(fā)出一種可用于20多種機(jī)械設(shè)備的鑲嵌型自潤(rùn)滑軸承。試驗(yàn)表明載荷、速度和溫度對(duì)軸承的摩擦因數(shù)影響不明顯，說明此鑲嵌型自潤(rùn)滑軸承在高溫工況下可形成具有減摩耐磨作用的潤(rùn)滑膜，該軸承的實(shí)際壽命約為一般軸承的10倍。

2.2 鐵基基體

鐵基材料有一定的耐磨性，強(qiáng)度、硬度較高，易加工，成本較低，而且可根據(jù)制備的工藝要求添加碳元素或其他合金元素來(lái)調(diào)整其力學(xué)性能和耐腐蝕性能，以適應(yīng)于不同的工作環(huán)境[42]。

文獻(xiàn)[43]在鐵基石墨鑲嵌型關(guān)節(jié)軸承中加入銅作為第二相來(lái)改善摩擦特性，結(jié)果表明加入適當(dāng)?shù)你~能增加材料的表面硬度，提高鐵基材料的耐磨性，降低磨損率。

為研究不同鐵基材料鑲嵌石墨的效果，文獻(xiàn)[44]在端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)45#鋼、不銹鋼、鑄鐵鑲嵌型石墨軸承試樣進(jìn)行干摩擦對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：45#鋼的耐磨性和承載性最差，在重載下磨損量最大；在載荷較大時(shí)，不銹鋼鑲嵌型石墨軸承試樣的摩擦性能較好，磨損量較小，雖在載荷較小時(shí)易發(fā)生咬合，但與其他2種鐵基材料相比摩擦因數(shù)總體比較平穩(wěn)。

2.3 小結(jié)

目前，銅合金鑲嵌石墨技術(shù)因?yàn)榧鎮(zhèn)溷~合金優(yōu)異的力學(xué)性能和石墨低摩擦、自潤(rùn)滑性能，已被大量應(yīng)用于核電、航空、航天等特殊工況的軸承中，為達(dá)到最優(yōu)的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，應(yīng)考慮石墨含量與固體潤(rùn)滑劑復(fù)配及銅合金種類等因素，這也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前主要研究的方向。而鐵基石墨鑲嵌型軸承的金屬基體趨于合金化，以改善其摩擦磨損性能及耐腐蝕性能。

3 MoS2類鑲嵌型滑動(dòng)軸承用固體潤(rùn)滑材料

MoS2是一種非常柔軟的固體，不易傷害金屬表面，穩(wěn)定性較好，MoS2晶體具有由多個(gè)堆疊層形成的層狀結(jié)構(gòu)，且每片由嵌在2個(gè)硫原子平面之間的鉬原子平面組成。一層中S-Mo-S共價(jià)鍵的強(qiáng)度非常高，而由范德華力引起的2個(gè)相鄰層之間的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較小[45]。因此，很難破壞S-Mo-S層內(nèi)之間的結(jié)合，而層與層之間容易滑動(dòng)，MoS2的潤(rùn)滑機(jī)理與石墨非常相似[46-47]。

文獻(xiàn)[48]研制出一種替代船閘閘門軸承的新型鑲嵌型關(guān)節(jié)軸承(MoS2作為固體潤(rùn)滑劑)，試驗(yàn)結(jié)果表明該鑲嵌型關(guān)節(jié)軸承工作一段時(shí)間后在接觸表面形成固體潤(rùn)滑膜，靜摩擦因數(shù)顯著降低。

文獻(xiàn)[49]通過疲勞壽命試驗(yàn)和實(shí)例論證了MoS2在鑲嵌型關(guān)節(jié)軸承跑和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能減少運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦，從而延長(zhǎng)軸承的使用壽命，降低軸承工作時(shí)的噪聲。

在鑲嵌型滑動(dòng)軸承中采用MoS2為固體潤(rùn)滑材料，可在滑動(dòng)表面形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，從而起到減摩耐磨的作用，可滿足高溫、高壓環(huán)境的使用條件,但不適用于高速、輕載、低溫的工況。

4 發(fā)展方向與展望

隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，應(yīng)用于各種工況的鑲嵌型軸承自潤(rùn)滑材料也在不斷被研究和探索。目前幾類自潤(rùn)滑材料在今后的研究重點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

1)聚合物類鑲嵌型軸承用固體潤(rùn)滑材料添加填充物改性方面，可開發(fā)性能優(yōu)異的納米潤(rùn)滑材料并研究其協(xié)同減摩效應(yīng),研究耐高溫、高性價(jià)比、低成本的新型樹脂與共混樹脂基體使填充物復(fù)合化，以達(dá)到最優(yōu)的減摩耐磨效果[50]。

2)聚合物類鑲嵌型軸承用固體潤(rùn)滑材料性能方面，在能夠適應(yīng)高溫、高壓等特殊工況的前提下，可開發(fā)潤(rùn)滑材料的新型制備工藝以充分發(fā)揮其優(yōu)良的潤(rùn)滑、耐磨性能和力學(xué)性能，如采用原位聚合插層、熔融插層或溶液回流插層等工藝制備層狀納米結(jié)構(gòu)減摩復(fù)合材料來(lái)應(yīng)用于鑲嵌型滑動(dòng)軸承。

3)如今智能潤(rùn)滑的理念已進(jìn)入人們視野，筆者認(rèn)為這一理念未來(lái)在鑲嵌型軸承潤(rùn)滑材料上大有可為。智能潤(rùn)滑是指改變潤(rùn)滑材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而在功能上有所改進(jìn)。在潤(rùn)滑材料微觀結(jié)構(gòu)的選取與改進(jìn)上，應(yīng)用最廣泛的是核殼顆粒，通過改變核殼比可調(diào)節(jié)復(fù)合材料的力學(xué)性能和潤(rùn)滑性能，適當(dāng)?shù)暮藲け扔欣讷@得理想的綜合性能。核殼結(jié)構(gòu)所賦予的約束效應(yīng)、改善分散能力等性能，有效提高增強(qiáng)相的分散性，提高了轉(zhuǎn)移膜對(duì)摩擦表面的結(jié)合力，阻斷聚合物類復(fù)合材料的磨損過程。根據(jù)這一理念，可嘗試將聚合物類、石墨類以及MoS2幾種潤(rùn)滑材料制備成核殼材料，通過改變核殼比來(lái)自主控制潤(rùn)滑性能，最終研究出高性能的固體潤(rùn)滑材料并應(yīng)用于鑲嵌型滑動(dòng)軸承上。