電機石墨軸承的由來

電機石墨軸承的由來

1、石墨軸承的簡單介紹

軸承是機械工業中常用的一種滑動機件。石墨軸承是隨著機械設備的性能要求，在金屬軸承的基礎上開發并發展起來的炭質軸承。炭質軸承有不同于金屬軸承的特性，如自潤滑、耐高溫、耐腐蝕、質輕等。隨著科學技術的發展，人們又開發了陶瓷球軸承、炭化硅軸承等，石墨軸承也得到了進一步的拓展，制造出了青銅石墨含油軸承、鑲嵌石墨軸承。因為石墨軸承在制造工藝上和技術性能上都有其獨特的方面，在今后的發展中有一定的擴展性，在此做進一步分析研究，為的是得到進一步開發，在應用中得到更加廣闊的市場。

2、石墨軸承的設計與制造

炭材料結構的多樣性來源于炭/炭原子間化學鍵合的多樣性，由此也提供了炭材料的可設計性。石墨軸承由于它的生產工藝和原材料的可設計性為設計與制造提供了一定空間，從而可制造出性能各異，適用于多種技術條件和使用環境的石墨軸承。PV值是軸承設計時的重要參數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，就會引起異常的升溫和磨損，一般設計要有余量，參PV值應在極限值的50%--70%。在實際工作中，軸承的運轉因環境不同又有干運轉和濕運轉之分。在干運轉的情況下，石墨軸承允許的最大載荷受到軸承的強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生熱量的限制。而磨損速率又受到軸承材質、軸和軸承表面加工情況、載荷、速度及周圍介質等條件的影響。在干運轉的情況下，軸承允許的PV值還直接受到軸承材質的影響，

石墨軸承設計種類有圓柱形、圓柱代凸緣形、圓形、特殊結構，但從石墨軸承的強度考慮，炭軸承的厚度必須比金屬軸承大，厚度以內徑1/5-1/7為合適，最小限度為3mm以上，軸承的長度是內徑的2倍以上。軸承運轉時溫度將會升高，運轉間隙，可根據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、原料的預處理、原料的破碎、篩分分級、顆粒狀與粉狀材料的配料、粘結劑的選擇、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、機械加工等，部分石墨軸承為了增加機械強度和抗沖擊性，還需金屬(如銻、銅、鉛等)浸漬，最終達到所要求的技術性能，再進行機械加工成所要求的幾何尺寸。

3、石墨軸承的潤滑基理、分類和性能分析

從碳原子結構分析石墨材料的潤滑性。石墨材料本身就存在潤滑性能，這是石墨的晶體結構所決定的。石墨的潤滑性能除晶格的特定原因有先天可供潤滑的結構外，就是水和空氣對它的良好潤滑作用的發揮。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的解理面間的距離，從而減弱了它們間的結合力。軸承有滾動軸承和滑動軸承之分，材質上又有金屬、非金屬、復合材料之別。

石墨軸承以石墨材料為主要基材，應用于食品、飲料、紡織、化工等工業部門中的運輸機、干燥機、紡織機、潛水泵電機等軸承方面，這些部位如用油脂潤滑劑不可避免會引起污染，而石墨軸承的自潤滑性很強，耐腐蝕，可不使用潤滑油而進行長期運轉。為了提高制品的機械強度，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行浸漬處理。浸銻石墨軸承允許的工作溫度可達500C，銻與銅對磨時不易沾著，在大負荷和快速的情況下工作，其耐磨性能可提高2--3倍。石墨材料的強度隨溫度升高而增加的趨勢一直保持到2600C左右，在高溫時強度是室溫的3倍。

滑動軸承存在著兩種摩擦形式，即靜摩擦和動摩擦，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轉情況下，動摩擦系數在0.08-0.3之間，濕運轉情況下由于存在著邊界潤滑，所以動摩擦系數一般在0.01-0.1范圍內。在炭刷與換向器的摩擦中，換向器表面可產生一層褐色、深紫色、淺蘭色的薄膜，這層薄膜可起潤滑過程中的保護作用。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，在運行過程中的炭塊上剝離下來的極其細小的炭、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，它的機械強度基本取決于采用的金屬材質的機械性能，石墨作為一種固體潤滑材料鑲嵌在軸承的摩擦面金屬基體上，用于軸承工作狀態下的潤滑材料，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，然后將固體潤滑劑嵌入其中，鑲嵌石墨軸承的抗壓強度、抗折強度、熱膨脹系數一般取決于基體金屬材質。但鑲嵌石墨軸承的強度大大提高，可在重載荷下運行。

4、討論

綜上所述，對炭/石墨軸承進行了簡要研究與分析，由此證實了炭石墨軸承的優良特性，針對不同條件下特殊潤滑要求，可研究、制造出性能各異、適合各種條件的滑動石墨軸承。目前在食品、紡織、印染、化工工業中的輸送機軸承、離心泵軸承、潛水泵軸承、齒輪軸承和汽車、航空、農業機械等方面都不同程度地得到了應用。

再者，可在炭材料的改性方面作進一步的研究，開發拓展一些新材料。如采用碳合金法，對炭質材料的表面和本體進行化學改性，其結果必將影響所得材料的結構和性能，極有可能開創出新的功能材料用于潤滑石墨軸承的制造。再如炭化硅軸承的研究，它有較強的硬度、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方法制造軸承，如能進一步提高抗壓強度和精度也是有較大發展的。

炭石墨軸承有著強大的生命力。在石墨軸承開發的同時再研究插層石墨、石墨涂層軸承等新技術，擴大其研究與應用領域，石墨軸承將在今后得到更大、更廣、更新的發展。