鑲嵌型滑動軸承固體潤滑材料應用概況

黃彧，王文東，張柯

(1.上海理工大學 材料科學與工程學院，上海 200082；2.上海材料研究所，上海 200437； 3.上海市工程材料應用與評價重點實驗室，上海 200437)

鑲嵌型軸承早在20世紀20年代初就已經出現[1-2]，其是指在軸承基體上預先設計、加工一定面積比例的孔洞或溝槽，在其中嵌入一些固體潤滑材料，經過特殊工藝將其結合成一個整體。軸承工作時嵌入的固體潤滑材料在交變應力和摩擦熱的作用下可微凸出基體表面，在對偶面形成固體潤滑轉移膜，使摩擦副表面不直接接觸，從而起到潤滑、減摩作用。

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

1 聚合物類鑲嵌型滑動軸承用固體潤滑材料

1.1 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯(PTFE)具有耐化學侵蝕性好，耐高溫，摩擦因數低，通常用于軸承和密封中，但PTFE的力學性能較差，線膨脹系數大，抗蠕變性差[5-6]，純PTFE在軸承中的使用會受到很大限制，因此，當PTFE作為軸承的固體潤滑材料時通常要添加填充物對其進行改性[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提高，比磨損率下降至未填充的1/100以下[10]。

文獻[11]研發了一種鑲嵌型水輪發電機軸承，該軸承以PTFE為固體潤滑材料基體，加入石墨、MoS2和碳纖維等填充物，對該軸承進行的摩擦磨損試驗和臺架試驗驗證了該鑲嵌型軸承能使水輪發電機在重載、泥水等特殊工況下正常服役。

文獻[12]以PTFE和40 nm氧化鋁(質量分數為0～20%)為原料，采用模壓成型的方法制備了一種固體潤滑材料。在接觸壓力6.4 MPa，行程長度50 mm，滑動速度50 mm/s下進行往復式摩擦磨損試驗，結果表明該復合材料的耐磨性隨氧化鋁的增加而增加，氧化鋁的質量分數為20%時材料最耐磨，比未填充時高出600倍。說明該潤滑材料可作為鑲嵌型關節軸承的自潤滑材料。

文獻[13]以PTFE為潤滑基體，加入質量分數為10%的納米蒙脫石后進行混料，采用模壓成型的方法鑲嵌在鋁合金中，制成PTFE-鋁合金鑲嵌型潤滑材料，然后進行摩擦磨損試驗，結果表明：該復合材料穩態后摩擦溫度為51 ℃，摩擦因數為0.087，磨損率為0.38×10-3mm3·N-1·m-1，與非鑲嵌型PTFE基復合材料對比發現導熱性和耐磨性大大提高，而摩擦因數無明顯增加。該復合材料摩擦磨損性能優良，抗壓強度高，密度小，可作為航空航天用鑲嵌型軸承潤滑材料。

文獻[14]用鉛粉、石墨、玻璃纖維填充PTFE制成銅基鑲嵌型關節軸承材料，試驗發現潤滑材料組成為40%PTFE+20%鉛粉+20%石墨+20%玻璃纖維時關節軸承具有較好的摩擦磨損性能。

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

文獻[1]通過對比石墨基、含鉛PTFE、無鉛PTFE固體潤滑劑與銅合金復合制成的3種鑲嵌型軸承的摩擦學特性，結果發現無鉛PTFE鑲嵌型軸承在工作時形成的轉移膜最完整、均勻，耐磨性最好，臺架試驗表明無鉛PTFE鑲嵌型軸承用于水利工程預計具有50年的安全使用壽命。

文獻[16]對幾種石墨和PTFE復合固體潤滑材料鑲嵌在銅合金上進行端面摩擦磨損試驗，結果表明：添加適量的石墨可使摩擦表面形成均勻的轉移膜，減少基體銅合金在摩擦表面的裸露，從而使該復合材料制成的關節軸承能夠在工作時有效減小摩擦副接觸界面由黏著引起的機械破壞式磨損。

1.2 聚醚醚酮

聚醚醚酮(PEEK)力學性能優良，耐腐蝕性較好，熱穩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，可在無潤滑和粉塵等工況下使用，能夠替代不少傳統金屬材料[17-19]。

文獻[20]研究了填充PTFE的PEEK自潤滑復合材料的摩擦磨損性能，結果表明PTFE的填充減小了PEEK的摩擦，但硬度略微下降，當其作為軸承固體潤滑材料時，為使軸承獲得最良好的摩擦學性能，填充質量分數為 10%的PTFE最合適。

文獻[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復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值的關系，結果表明:常溫下PEEK的摩擦因數為0.48，制成PEEK復合材料后，隨著試驗溫度的升高，材料摩擦因數減小，約為0.20～0.25，填充質量分數為15%PTFE和15%石墨的PEEK材料摩擦磨損性能最優，說明該自潤滑復合材料在高溫條件下性能更好，可作為自潤滑鑲嵌型軸承的固體潤滑材料。

文獻[22-23]研究了PEEK和PTFE混合物的摩擦磨損性能，質量分數為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%，證明該復合材料可以作為鑲嵌型軸承用固體潤滑材料。

1.3 聚酰亞胺

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

文獻[30]采用PI復合材料制造耐高溫自潤滑軸承襯套，其具有節能，不污染環境，使用壽命可提高2～3倍的特點，能替代粉末冶金含油軸承、金屬滑動軸承和滾動軸承，可滿足高溫、高載荷、高轉速和多粉塵等苛刻工況。

文獻[31]以PI為基體，石墨為填充物研究出一種固體潤滑材料，試驗結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，摩擦因數減小，磨痕寬度減小，沖擊強度降低。當PI中添加石墨的質量分數為15%時，該潤滑材料的摩擦磨損性能最優，可作為鑲嵌型軸承的固體潤滑材料。

1.4 小結

軸承中用聚合物類自潤滑材料替代普通金屬制品應用的研究日益廣泛，聚合物摩擦磨損性能與在對偶面上形成轉移膜的能力及轉移膜特性相關。因為單一聚合物某些性能較差，直接應用到滑動軸承中綜合性能一般，所以廣大學者重點研究聚合物、填充物和摩擦副組成的摩擦復合體系中各種因素之間的相互影響關系，摩擦磨損、微觀機理以及溫度、潤滑、速度等條件的影響等。

2 石墨類鑲嵌型滑動軸承用固體潤滑材料

石墨是碳的一種結晶形態，具有六方晶格，由于層與層之間分子鍵的結合作用力較小，故容易在層與層之間發生滑移[32]，所以石墨的強度和硬度低，但其潤滑性能好，價格低廉，并且對環境無危害，在減摩耐磨材料中廣泛應用。在機械工業中，一般的潤滑油無法在高溫、高速、高壓的條件下使用，而石墨可在-200～2 000 ℃下使用，并且能應用于高速工況，因此石墨經常被鑲嵌在金屬基體上作為潤滑材料使用[33]。

2.1 銅合金基體

銅合金石墨復合材料于20世紀初問世，這種材料由純銅或銅合金作為基體鑲嵌石墨組成。銅合金石墨復合材料既具備銅合金基體的導熱、導電性好，強度高的特點，同時也兼具石墨在常溫和高溫下都具有良好潤滑性的特點，廣泛應用于無油或少油的工況[34-36]。

文獻[37-38]發現，把石墨等潤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滑動表面形成一層較穩定的潤滑膜，并且依靠石墨不斷向外擠壓來修復被損傷的潤滑膜，起到潤滑和減摩作用，當石墨的體積分數超過20%時，有利于形成完整和連續的石墨潤滑膜。研究表明，這種銅合金鑲嵌石墨復合材料的摩擦因數接近石墨的摩擦因數而與基體無關。

文獻[39]在摩擦磨損試驗機上對錫青銅、鋁青銅、鋁黃銅鑲嵌型石墨軸承試樣進行了常溫下干摩擦對比試驗，探討了不同銅合金基體對鑲嵌型軸承摩擦磨損性能的影響,結果表明:錫青銅鑲嵌型軸承在各種試驗條件下均表現出了優良的摩擦磨損性能；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性能更差。

文獻[40]發明了一種在銅合金關節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置盲孔或通孔，加熱擴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，再對銅合金進行冷卻使孔徑恢復到原尺寸，從而實現石墨與合金的牢固連接。試驗表明該銅合金鑲嵌石墨技術與原有技術相比產品摩擦因數小，承載能力高，可在較大的溫度范圍長期服役。

文獻[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滑材料，研發出一種可用于20多種機械設備的鑲嵌型自潤滑軸承。試驗表明載荷、速度和溫度對軸承的摩擦因數影響不明顯，說明此鑲嵌型自潤滑軸承在高溫工況下可形成具有減摩耐磨作用的潤滑膜，該軸承的實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，強度、硬度較高，易加工，成本較低，而且可根據制備的工藝要求添加碳元素或其他合金元素來調整其力學性能和耐腐蝕性能，以適應于不同的工作環境[42]。

文獻[43]在鐵基石墨鑲嵌型關節軸承中加入銅作為第二相來改善摩擦特性，結果表明加入適當的銅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[44]在端面摩擦磨損試驗機上對45#鋼、不銹鋼、鑄鐵鑲嵌型石墨軸承試樣進行干摩擦對比試驗，結果表明：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，不銹鋼鑲嵌型石墨軸承試樣的摩擦性能較好，磨損量較小，雖在載荷較小時易發生咬合，但與其他2種鐵基材料相比摩擦因數總體比較平穩。

2.3 小結

目前，銅合金鑲嵌石墨技術因為兼備銅合金優異的力學性能和石墨低摩擦、自潤滑性能，已被大量應用于核電、航空、航天等特殊工況的軸承中，為達到最優的力學性能和摩擦學性能，應考慮石墨含量與固體潤滑劑復配及銅合金種類等因素，這也是國內外學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類鑲嵌型滑動軸承用固體潤滑材料

MoS2是一種非常柔軟的固體，不易傷害金屬表面，穩定性較好，MoS2晶體具有由多個堆疊層形成的層狀結構，且每片由嵌在2個硫原子平面之間的鉬原子平面組成。一層中S-Mo-S共價鍵的強度非常高，而由范德華力引起的2個相鄰層之間的結合強度相對較小[45]。因此，很難破壞S-Mo-S層內之間的結合，而層與層之間容易滑動，MoS2的潤滑機理與石墨非常相似[46-47]。

文獻[48]研制出一種替代船閘閘門軸承的新型鑲嵌型關節軸承(MoS2作為固體潤滑劑)，試驗結果表明該鑲嵌型關節軸承工作一段時間后在接觸表面形成固體潤滑膜，靜摩擦因數顯著降低。

文獻[49]通過疲勞壽命試驗和實例論證了MoS2在鑲嵌型關節軸承跑和運轉時能減少運轉時產生的摩擦，從而延長軸承的使用壽命，降低軸承工作時的噪聲。

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

4 發展方向與展望

隨著科技的不斷進步和發展，應用于各種工況的鑲嵌型軸承自潤滑材料也在不斷被研究和探索。目前幾類自潤滑材料在今后的研究重點有以下幾個方面：

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

2)聚合物類鑲嵌型軸承用固體潤滑材料性能方面，在能夠適應高溫、高壓等特殊工況的前提下，可開發潤滑材料的新型制備工藝以充分發揮其優良的潤滑、耐磨性能和力學性能，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構減摩復合材料來應用于鑲嵌型滑動軸承。

3)如今智能潤滑的理念已進入人們視野，筆者認為這一理念未來在鑲嵌型軸承潤滑材料上大有可為。智能潤滑是指改變潤滑材料的微觀結構，從而在功能上有所改進。在潤滑材料微觀結構的選取與改進上，應用最廣泛的是核殼顆粒，通過改變核殼比可調節復合材料的力學性能和潤滑性能，適當的核殼比有利于獲得理想的綜合性能。核殼結構所賦予的約束效應、改善分散能力等性能，有效提高增強相的分散性，提高了轉移膜對摩擦表面的結合力，阻斷聚合物類復合材料的磨損過程。根據這一理念，可嘗試將聚合物類、石墨類以及MoS2幾種潤滑材料制備成核殼材料，通過改變核殼比來自主控制潤滑性能，最終研究出高性能的固體潤滑材料并應用于鑲嵌型滑動軸承上。