高精密軸承常用保持架材料

范雨晴，馬 瑩，姜韶峰,李紅濤

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽地區(qū)代表室，河南 洛陽 471039)

保持架不但受到摩擦力、張力、離心力和慣性力等機械應力的作用，而且需要承受某些潤滑劑及其添加劑或其老化產(chǎn)物、有機溶劑或冷卻劑產(chǎn)生的化學作用。這些作用還可能受到工況條件的影響,如高溫、沖擊載荷、振動或此類因素與其他條件的組合等。因此,對于保持架的性能以及軸承本身的運行可靠性來說，保持架材料的選擇十分重要，尤其是高精密軸承保持架材料的選擇。

1 高精密軸承的性能特點

高精密軸承是為滿足精密機床和其他精密設備需求的一類專用軸承，包括高精密角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、單向和雙向推力角接觸球軸承、深溝球軸承等，其具有高轉速、高精度、高剛度、低溫升、低振動和低噪聲等特性。為保證高精密軸承的上述特性，對保持架材料的性能有特殊的要求，如吸振、耐熱和耐磨損等。

2 高精密軸承保持架材料的選擇原則和性能

保持架材料的選擇是根據(jù)轉速、噪聲、振動、潤滑和工作環(huán)境來確定的。高精密軸承常用保持架材料有聚酰胺、聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、酚醛層壓布管、青銅和黃銅，通過了解其特性(包括使用限制和極限溫度)可為不同型號和工況的軸承選擇出較合適的保持架材料。

2.1 保持架材料特性

2.1.1 聚酰胺(PA)[1-3]

聚酰胺俗稱尼龍，其具有機械強度高、軟化點高、耐熱、耐磨損、摩擦系數(shù)低、自潤滑、吸振、消音、耐油、耐弱酸、耐堿和一般溶劑、絕緣性好、自熄、無毒、無臭、耐候性好、染色性差等優(yōu)點。缺點是吸水性大，影響尺寸穩(wěn)定性和電性能。纖維增強可降低樹脂吸水率，使其能在高溫和高濕下工作。尼龍與玻璃纖維親合性十分良好。

尼龍66(PA66)為半透明或不透明的乳白色結晶型聚合物，具有可塑性。其密度為1.15 g/cm3，可連續(xù)耐熱80～120 ℃,熱膨脹系數(shù)為(2～4.6)×10-5/ ℃，平衡吸水率為2.5%。該材料可耐酸、堿、大多數(shù)無機鹽水溶液、鹵代烷、烴類、酯類及酮類等腐蝕，但易溶于苯酚和甲酸等極性溶劑。其具有優(yōu)良的耐磨性和自潤滑性，機械強度較高。但吸水性較大，因而尺寸穩(wěn)定性較差。尼龍中PA66的硬度和剛性最高，但韌性最差。尼龍6(PA6)的性能及應用與PA66相仿, 但其比PA66熔點低, 耐熱性略差, 彈性模量稍低, 吸水率略高。

尼龍46(PA46)具有如下特性：(1)優(yōu)異的耐熱性。其熔點高達295 ℃。在1.82 MPa載荷下，其熱變形溫度達220 ℃，玻璃纖維增強品級高達285 ℃。即使在高溫下也能維持較高的機械強度和剛性。(2)優(yōu)良的耐蠕變性和耐疲勞性。其耐蠕變性和耐疲勞性均優(yōu)于PA66。(3)優(yōu)良的耐化學藥品性。其結晶度高，對化學藥品的抵抗性優(yōu)良。玻璃纖維增強PA46的耐油性要明顯優(yōu)于玻璃纖維增強PA66。(4)優(yōu)良的耐摩擦磨損性。其耐摩擦磨損特性優(yōu)于PA66。

2.1.2 聚四氟乙烯(PTFE)[4-6]

與普通塑料相比, PTFE具有以下優(yōu)良特性：

(1)耐高、低溫性。PTFE受溫度的影響不大,溫域范圍廣，在-260 ℃時仍有韌性，250 ℃以下長時間加熱仍保持優(yōu)良的力學性能。

(2)耐化學腐蝕性和耐候性。除熔融的堿金屬、氟化介質以及高于300 ℃的氫氧化鈉外,PTFE幾乎不受任何化學試劑腐蝕。例如在濃硫酸、硝酸、鹽酸,甚至在王水中煮沸,其質量及性能均無變化,也幾乎不溶于任何溶劑,只在300 ℃以上稍溶于全烷烴(約0.1 g/100 g)。PTFE不吸潮,不易燃燒,對氧和紫外線均極穩(wěn)定,所以耐候性優(yōu)異。

(3)絕緣性。PTFE在較寬頻率范圍內的介電常數(shù)和介電損耗都很低,而且擊穿電壓、體積電阻率和耐電弧性都較高。

(4)自潤滑性。在所有塑料中，PTFE的摩擦系數(shù)最小,是理想的無油潤滑材料。

(5)不黏性。PTFE是表面能最小的固體材料,已知的固體物質都不能黏附在其表面。

PTFE的耐輻射性能較差(104rad)，受高能輻射后會引起降解，高分子的電性能和力學性能均明顯下降。膨脹系數(shù)(25～250 ℃)為(10～12)×10-5/ ℃ 。

2.1.3 聚酰亞胺(PI)[7]

PI因其耐高溫、抗氧化、抗輻射、耐腐蝕、耐濕熱、高強度、高模量等獨特的綜合性能而受到廣泛的關注和應用。

PI的化學結構決定了其擁有許多優(yōu)良特性,主要包括:

(1)耐熱性。PI的分解溫度一般超過500 ℃,有時甚至更高,是目前已知的有機聚合物中熱穩(wěn)定性最高的品種之一,這主要是因為分子鏈中含有大量的芳香環(huán)。

(2)力學性能。未增強的基體材料的抗張強度都在100 MPa 以上。用均酐制備的Kapton 薄膜抗張強度為170 MPa ,而聯(lián)苯型PI(Upilex S)可達到400 MPa。PI纖維的彈性模量可達到500 MPa,僅次于碳纖維。

(3)化學穩(wěn)定性及耐濕熱性。PI材料一般不溶于有機溶劑,耐腐蝕和耐水解。改變分子設計可以得到不同結構的品種。

(4)耐輻射性。PI薄膜經(jīng)5×109rad劑量輻射后,強度仍保持86%；某些PI纖維經(jīng)1×1010rad快電子輻射后,其強度保持率為90%。

上述性能在很寬的溫度范圍和頻率范圍內都是穩(wěn)定的。除此之外, PI還具有耐低溫、膨脹系數(shù)低、阻燃以及良好的生物相容性等特性。PI優(yōu)異的綜合性能和合成化學上的多樣性,使其可廣泛應用于多種領域。

2.1.4 聚苯硫醚(PPS)[8]

(1)一般性能。PPS為一種外觀白色、高結晶度、硬而脆的聚合物，純PPS的相對密度為1.3，但改性后會增大。PPS的吸水率極小，一般只有0.03%左右。PPS為自身阻燃的聚合物(V-0/5V)，其氧指數(shù)高達44%，在塑料中屬高阻燃材料(純PVC的氧指數(shù)為47%，PSF為30%，PA為29%，MPPO為28%，PC為25%)。

(2)力學性能。純PPS的力學性能不高，尤其沖擊強度比較低。以玻璃纖維增強后會大幅度提高其沖擊強度，由27 J/m增大到76 J/m，拉伸強度也由60 MPa增大到137 MPa。PPS的剛性很高，在工程塑料中比較少見。純PPS的彎曲模量可達3.8 GPa，無機填充改性后可達到12.6 GPa。PPS在負載下的耐蠕變性好，硬度高；耐磨性高，其1 000 r時的磨耗量僅為0.04 g，填充PTFE及二硫化鉬后還會進一步得到改善；PPS還具有一定的自潤性。PPS的力學性能對溫度的敏感性小。

(3)熱學性能。PPS具有優(yōu)異的熱學性能，短期可耐265 ℃，并可在200～240 ℃下長期使用；其耐熱性與PI相當，僅次于PTFE。

(4)環(huán)境性能。PPS的最大特點之一是耐化學腐蝕性好，其化學穩(wěn)定性能僅次于PTFE；PPS耐酸、酯、酮、醛、酚及脂肪烴、芳香烴、氯代烴等，不耐氯代聯(lián)苯及氧化性酸、氧化劑、濃硫酸、濃硝酸、王水、過氧化氫及次氯酸鈉等。

2.1.5 聚醚醚酮(PEEK)[9-10]

PEEK是芳香族結晶型熱塑性高分子材料,其熔點為334 ℃,具有機械強度高、耐高溫、耐沖擊、阻燃、耐酸堿、耐水解、耐磨、耐疲勞、耐輻照及良好的電性能等特點；而且其質量輕，噪聲低，可在無潤滑、高速高載下或在液體、固體粉塵污染等惡劣環(huán)境下使用。其主要的特性概括如下：

(1)耐高溫性。PEEK樹脂具有較高的熔點(334 ℃)和玻璃化轉變溫度(143 ℃)，且連續(xù)使用溫度可達到260 ℃，其30%GF或CF增強牌號的負載熱變形溫度高達316 ℃。

(2)機械特性。PEEK樹脂具有良好的韌性和剛性，具備與合金材料媲美的對交變應力的優(yōu)良耐疲勞性。

(3)自潤滑性(耐腐蝕性)。PEEK樹脂具備優(yōu)良的滑動特性，適合于對低摩擦系數(shù)和耐磨耗要求嚴格的情況下使用。

(4)耐化學藥品性。PEEK的耐腐蝕性與鎳鋼相近，其只溶解于濃硫酸，特別是在高溫條件下比PI更耐酸堿。

(5)阻燃性。PEEK樹脂是非常穩(wěn)定的聚合物，1.45 mm厚的樣品，不加任何阻燃劑即可達到最高阻燃標準。

(6)耐輻照性和耐剝離性。因PEEK具有良好的耐輻照性和耐剝離性,故可以用來制成特殊用途的電磁線。

(7)耐疲勞性。PEEK樹脂在所有樹脂中具有最好的耐疲勞性。

(8)耐水解性。PEEK樹脂及其復合材料做成的制品在高溫高壓水中連續(xù)使用仍可保持良好的性能。

(9)易加工性。PEEK樹脂在高溫下具有良好的流動性和很高的熱分解溫度，可采用注射成型、模壓成型、擠出成型、吹塑成型和熔融紡絲等加工方式。

(10)絕緣穩(wěn)定性。PEEK具有良好的電絕緣性能，并保持在很高的溫度范圍。其介電損耗在高頻情況下也很小。

(11)耐磨性。PEEK的良好耐磨性相當于PI。

2.1.6 酚醛層壓布管[11]

酚醛層壓布管密度小,機械強度較高,機械加工性能好，有一定的耐熱溫度和吸油、滲油等性能。酚醛層壓布管保持架具有較高的機械強度、耐磨損性能和自潤滑性能，有一定的彈性、塑性、剛度、硬度、沖擊韌性、疲勞強度和斷裂韌性等，吸振性好適用于高速油潤滑，與水接觸膨脹影響其性能。酚醛層壓布管塑料保持架軸承的使用溫度范圍為-40～120 ℃。

2.1.7 青銅[12-13]

青銅是純銅(紫銅)加入錫或鉛的合金。與純銅相比，青銅的強度高且熔點低(25%的錫冶煉青銅，熔點會降低到800 ℃，而純銅的熔點為1 083 ℃)。青銅鑄造性好，耐磨且化學性穩(wěn)定，具有耐腐蝕、硬度大、色澤光亮等特點，但青銅保持架遇冷會反常膨脹。以下介紹3種保持架材料常用青銅。

(1)鋁青銅。QAL10-4-4鋁青銅在400 ℃以下具有穩(wěn)定的力學性能，有良好的減摩性，在大氣、淡水、海水中耐蝕性良好，可熱加工和焊接，但不易釬焊。

(2)鈹青銅。鈹青銅是w(Be)≤2.5%的銅鈹二元合金，除具有高強度、彈性、硬度，耐磨性,耐疲勞性及無磁特性外，還有優(yōu)良的導電性、導熱性和耐蝕性，沖擊時不產(chǎn)生火花，并有優(yōu)良的工藝性能。

(3)硅青銅。硅青銅是以硅為主要合金元素的青銅。工業(yè)上應用的硅青銅除含硅外，還含有少量的錳、鎳、鋅或其他元素。硅在銅中呈有限固溶，在 852 ℃時最大溶解度可達5.3%，并隨溫度降低而減小，但時效硬化效應不強，一般不進行強化熱處理。QSi3-1硅青銅可在冷、熱態(tài)下壓力加工，力學、耐腐蝕、耐磨和焊接性能好，無磁，沖擊時不產(chǎn)生火花。QSi3.5-3-1.5硅青銅為含有鋅、錳、鐵等元素的硅青銅，性能同QSi3-1，但耐熱性較好，棒材、線材存放時自行開裂的傾向性較小。

2.1.8 黃銅[14-15]

黃銅是由銅和鋅所組成的合金。銅中鋅的含量越高，其強度也越高，塑性越低。工業(yè)中采用的黃銅含鋅量不超過45%，再高將會產(chǎn)生脆性，使合金性能變壞。以下介紹4種保持架材料常用黃銅。

(1)錫黃銅。在黃銅中加1%的錫能顯著改善黃銅的抗海水和海洋大氣腐蝕的能力，因此稱為“海軍黃銅”。錫能改善黃銅的切削加工性能。

(2)鉛黃銅。鉛黃銅即通常所說的易削國標銅。加鉛的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，鉛對黃銅的強度影響不大。雕刻銅也是鉛黃銅的一種。多數(shù)黃銅具有良好色澤、加工性、延展性，易于電鍍或涂裝。

(3)鎳黃銅。黃銅中加入鎳可顯著提高黃銅在大氣和海水中的耐蝕性。鎳還能提高黃銅的再結晶溫度，促使形成更細的晶粒。

(4)錳黃銅。黃銅中加入1%～4%的錳，可顯著提高合金的強度和耐蝕性，而不降低其塑性，同時冷、熱態(tài)下的壓力加工性能相當好。

2.2 保持架的使用限制和極限溫度

表1所示為不同高精密軸承常用保持架的使用限制和極限溫度，以便軸承選材。

表1 高精密軸承常用保持架的使用限制和極限溫度

3 高精密軸承保持架材料的選用情況及適用對象

NSK,SKF,FAG和ZYS等公司對高精密軸承常用保持架材料的性能作了大量研究和試驗,并根據(jù)各自的試驗研究成果,分別為不同類型的高精密軸承選擇了綜合性能較優(yōu)異的保持架材料[16-18]，如表2～表5所示。

表3 SKF精密軸承常用保持架材料

表4 FAG精密軸承常用保持架材料

表5 ZYS精密軸承常用保持架材料

目前本公司可根據(jù)客戶要求、工況條件、材料成本和工藝成本等選用最優(yōu)的保持架材料。同時也可根據(jù)特殊工用和工作條件，選擇出最合適的保持架材料，如用二硫化鉬、PTFE、玻璃纖維改性的PI作軸承保持架，可在真空輻射下無油潤滑工作，已應用于宇宙飛船上。多孔含油PI保持架使用在陀螺儀長壽命軸承上，PI保持架使用在高速牙鉆軸承上，效果良好。

根據(jù)以上對比分析，表6列出了高精密軸承保持架常用材料的適用對象。

表6 高精密軸承保持架常用材料的適用對象

4 結束語

通過對各種高精密軸承保持架常用材料性能的介紹，總結了高精密軸承保持架常用材料的適用對象。在實際設計軸承時，要根據(jù)具體轉速、具體工況和具體潤滑條件等因素選擇最佳的保持架材料。