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(yè)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(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，如自潤滑、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)輕等。隨著科學技術的發(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(fā)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(fā)，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(chǎn)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(huán)境的石墨軸承。PV值是軸承設計時的重要參數(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，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(zhuǎn)因環(huán)境不同又有干運轉(zhuǎn)和濕運轉(zhuǎn)之分。在干運轉(zhuǎn)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(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(nèi)徑1/5-1/7為合適，最小限度為3mm以上，軸承的長度是內(nèi)徑的2倍以上。軸承運轉(zhuǎn)時溫度將會升高，運轉(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(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(zhì)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(yè)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)情況下，動摩擦系數(shù)在0.08-0.3之間，濕運轉(zhuǎn)情況下由于存在著邊界潤滑，所以動摩擦系數(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(zhì)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(tài)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(shù)一般取決于基體金屬材質(zhì)。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(yōu)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(yè)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(nóng)業(yè)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(fā)拓展一些新材料。如采用碳合金法，對炭質(zhì)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(chuàng)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(tǒng)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(fā)展的。

炭石墨軸承有著強大的生命力。在石墨軸承開發(fā)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(fā)展。