改性聚四氟乙烯基自潤(rùn)滑軸承保持架材料

王楓，孫小波，時(shí)連衛(wèi)

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司 化工材料開發(fā)部，河南 洛陽(yáng) 471039)

在無(wú)油潤(rùn)滑及超低溫條件下，軸承通常采用固體潤(rùn)滑，除了軸承滾道采用鍍膜、滾動(dòng)體采用陶瓷材料外，保持架材料必須起到補(bǔ)充潤(rùn)滑作用，因?yàn)闈L道的表面鍍層很薄，只能作為初始潤(rùn)滑膜，需要通過(guò)保持架材料的轉(zhuǎn)移在滾動(dòng)體及滾道上持續(xù)形成轉(zhuǎn)移膜，從而在軸承工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)起到潤(rùn)滑作用。這就要求保持架材料具有良好的自潤(rùn)滑性、一定的機(jī)械強(qiáng)度和較高的耐磨性。聚四氟乙烯具有結(jié)晶薄層與非結(jié)晶部分交替排列的帶狀結(jié)構(gòu)，能迅速在對(duì)磨面形成轉(zhuǎn)移膜，摩擦因數(shù)極低，對(duì)摩擦副起潤(rùn)滑作用，耐高、低溫性及化學(xué)穩(wěn)定性極好，在超低溫條件下性能優(yōu)異，是優(yōu)良的超低溫?zé)o油自潤(rùn)滑軸承保持架材料。但其存在耐磨性及耐冷流性差、硬度及承載能力低、傳熱性和尺寸穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)，直接用其作保持架材料受到限制[1]。為了克服這些缺點(diǎn)，通常采取機(jī)械共混方式對(duì)其進(jìn)行填充改性，這樣既發(fā)揮了聚四氟乙烯的優(yōu)異特性，又克服了聚四氟乙烯的耐冷流蠕變性差和不耐磨等缺點(diǎn)。通常采用改性聚四氟乙烯基軸承保持架材料，既能起到隔離滾動(dòng)體并均衡載荷的作用，又能在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中在對(duì)磨面形成轉(zhuǎn)移膜，從而對(duì)整個(gè)軸承起到潤(rùn)滑作用，更為獨(dú)特的是在超低溫條件下聚四氟乙烯基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度不但沒有降低，反而是常溫條件下的2～4倍，因此其在超低溫自潤(rùn)滑軸承保持架材料領(lǐng)域成為國(guó)內(nèi)、外軸承公司研究的熱點(diǎn)。

1 改性聚四氟乙烯基復(fù)合材料的發(fā)展

聚四氟乙烯基自潤(rùn)滑軸承保持架材料基本特性為摩擦因數(shù)低(干摩擦因數(shù)小于0.30)，常溫下拉伸強(qiáng)度不低于14 MPa，超低溫條件下拉伸強(qiáng)度不低于45MPa，密度約1.7～3.2 g/cm3，有利于減輕保持架重量分布不平衡，耐高、低溫性好，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)接觸摩擦?xí)r，能在滾道和滾動(dòng)體表面形成連續(xù)致密的轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜。

1. 1 第一代改性聚四氟乙烯基軸承保持架材料

該類材料主要有3種：聚四氟乙烯/玻璃纖維/二硫化鉬改性復(fù)合材料(A)、鉛粉改性聚四氟乙烯復(fù)合材料(B)和錫青銅粉改性聚四氟乙烯復(fù)合材料(C)。復(fù)合材料中的填料能阻止聚四氟乙烯帶狀結(jié)構(gòu)的破壞，增強(qiáng)轉(zhuǎn)移膜與摩擦對(duì)偶表面間的黏附性，增大復(fù)合材料的硬度及剪切強(qiáng)度，形成轉(zhuǎn)移膜，有效提高聚四氟乙烯基復(fù)合材料的耐磨性，此外金屬填充料還提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。其性能對(duì)比見表1。

表1 第一代軸承保持架用聚四氟乙烯基復(fù)合材料性能對(duì)比

從表1可以看出，3種材料的常溫拉伸強(qiáng)度相當(dāng)；在液氮條件下，A的拉伸強(qiáng)度較高，但玻璃纖維在表層轉(zhuǎn)移磨損后暴露出增強(qiáng)纖維端頭，纖維端頭劃傷磨蝕接觸面并破壞表面轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑薄膜，使其不能形成連續(xù)致密的轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜，而且磨損下來(lái)的顆粒堆積在滾道和兜孔內(nèi)，造成軸承摩擦力矩增大，運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)軸承卡死現(xiàn)象。C的抗壓強(qiáng)度較好，表明此材料的承載能力較強(qiáng)。當(dāng)摩擦試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，3種材料磨損量均較??；但當(dāng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速提高到1 000 r/min時(shí)，B，C比A的摩擦因數(shù)及磨損量都要大得多，表明此試驗(yàn)條件已超出B，C適合的工況，即B，C只適合低轉(zhuǎn)速工況。為滿足高速高載軸承苛刻的工況條件，又陸續(xù)開發(fā)出第二代改性聚四氟乙烯基復(fù)合材料。

1.2 第二代改性聚四氟乙烯基軸承保持架材料

該類型材料主要有4種：聚四氟乙烯/芳綸纖維復(fù)合材料(D)、聚四氟乙烯/聚苯酯/聚酰亞胺/二硫化鉬復(fù)合材料(E)、聚四氟乙烯/碳纖維/二硫化鉬改性復(fù)合材料(F)和聚四氟乙烯/納米Al2O3復(fù)合材料(G)，其性能對(duì)比見表2。

表2 第二代軸承保持架用聚四氟乙烯基復(fù)合材料性能對(duì)比

從表2可以看出，D，E，F(xiàn)的抗壓強(qiáng)度比A或B大，表明增加了有機(jī)纖維如芳綸纖維或有機(jī)高分子材料如聚苯酯、聚酰亞胺等能提高復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，即提高了材料的承載能力。

D的磨損量最低，耐磨性好，原因在于芳綸纖維在復(fù)合材料中起到承受載荷和提高黏結(jié)性能等作用。在相同的摩擦磨損測(cè)試條件下，有機(jī)纖維芳綸漿粕纖維增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料的磨損量最低，比常用玻璃纖維增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料耐磨性有較大提高，但摩擦因數(shù)比玻璃纖維增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料稍大，即材料的減摩性稍差，耐磨性最好。該復(fù)合材料適用于重載、高速、耐腐蝕、耐磨損及有高、低溫要求的軸承使用工況。

聚苯酯作為一種新型特種工程塑料，具有相當(dāng)好的自潤(rùn)滑性、耐磨性及耐高溫性。采用其共混改性聚四氟乙烯對(duì)克服聚四氟乙烯的易蠕變性、不耐磨等缺點(diǎn)有明顯效果，且不損傷對(duì)磨材料，還可提高使用溫度。高分子有機(jī)材料在改善聚四氟乙烯耐磨性和冷流性的基礎(chǔ)上，避免了填料與聚四氟乙烯基體之間相容性較差以及對(duì)軸承滾道和滾動(dòng)體磨損等問(wèn)題，而且也提高了轉(zhuǎn)移膜的強(qiáng)度。而E的拉伸強(qiáng)度較低，是由于聚苯酯是脆性材料，與聚四氟乙烯的結(jié)構(gòu)差別較大，在外力作用下，填料兩極處易產(chǎn)生空穴，引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致保持架復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度下降。該復(fù)合材料適用于輕載、中高速、耐腐蝕、耐磨損及有高、低溫要求的軸承使用工況。

碳纖維密度低、模量高，且耐熱性和化學(xué)性好。F的硬度、抗蠕變性及耐磨性明顯優(yōu)于純聚四氟乙烯。F與E的減摩效果相當(dāng)，但其耐磨性比A，D，E稍差。該復(fù)合材料適用于高速、耐腐蝕、耐磨損及超低溫條件。

G的塑料強(qiáng)度、延伸率、耐磨性、抗老化性都有很大提高，可改善材料表面的光潔度。但是納米材料由于表面積大，表面能高，吸附作用強(qiáng)，難以分散均勻，易產(chǎn)生團(tuán)聚，一般用量不超過(guò)10%。且該材料硬度過(guò)高，加工會(huì)有一定困難。

2 國(guó)內(nèi)、外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

俄羅斯曾采用不銹鋼骨架提高純聚四氟乙烯保持架的機(jī)械強(qiáng)度，以解決機(jī)械強(qiáng)度及潤(rùn)滑性問(wèn)題，但這種保持架不是一個(gè)整體，增大了軸承質(zhì)量，容易導(dǎo)致受力不均衡，且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中穩(wěn)定性差。烏克蘭和歐美國(guó)家多采用聚四氟乙烯材料整體改性技術(shù)，利用有機(jī)增強(qiáng)纖維或其他高分子材料與聚四氟乙烯共混形成復(fù)合材料，既不增加軸承比重，又提高了復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性及自潤(rùn)滑性，綜合性能優(yōu)良。

國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用較多的主要為A，B，C。隨著軸承轉(zhuǎn)速、使用壽命、載荷及可靠性的提高，該類材料已不能滿足應(yīng)用需求。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速超過(guò)8 000 r/min時(shí)，對(duì)于A，由于玻璃纖維是一種無(wú)機(jī)纖維材料，與聚四氟乙烯基體之間的相容性較差，容易出現(xiàn)明顯界面，磨損下來(lái)的玻璃纖維磨粒對(duì)軸承滾道及滾動(dòng)體有磨蝕作用，摩擦因數(shù)及摩擦力矩增大引起軸承溫度升高，使?jié)L動(dòng)體表面形成黑圈，滾道表面出現(xiàn)劃傷，磨損量及軸承噪聲增大，轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜發(fā)生熱降解，大量的磨損物堆積在滾道和兜孔內(nèi)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成軸承卡死現(xiàn)象。對(duì)于B或C，增強(qiáng)金屬材料密度較大，增加了軸承質(zhì)量；復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)也較大，造成加工尺寸穩(wěn)定性較差，保持架的圓度及尺寸精度較難控制。

保持架采用第二代材料D的軸承已成功用在液氫介質(zhì)，轉(zhuǎn)速4×104r/min、軸向載荷4 kN、徑向載荷4 kN的苛刻工作環(huán)境中，運(yùn)轉(zhuǎn)90 min后對(duì)軸承的各項(xiàng)精度進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。而保持架采用第一代材料A的軸承在該工況初始運(yùn)行過(guò)程中，就出現(xiàn)滾動(dòng)體產(chǎn)生黑色環(huán)帶，軸承振動(dòng)大，溫升過(guò)高，磨損量較大的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致軸承早期失效。

保持架采用第二代材料E的軸承已成功用在無(wú)磁、無(wú)油潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)速8 000 r/min、溫度55 ℃和低溫-196 ℃交變等苛刻條件下。該軸承滿足停慣時(shí)間不低于50 s，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)間不小于100 h。

保持架采用第二代材料F的軸承，其承載能力強(qiáng)，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性強(qiáng)。這種軸承已成功用在沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵，介質(zhì)為煤油，轉(zhuǎn)速為5×104r/min，工作溫度為120 ℃，軸承載荷為1.5 kN，累計(jì)工作運(yùn)轉(zhuǎn)3 h后對(duì)軸承的各項(xiàng)精度進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

3 研究展望

隨著超低溫固體自潤(rùn)滑軸承越來(lái)越被廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，填充劑的種類和復(fù)合改性方向也越來(lái)越受到關(guān)注，不同填充劑具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，能改善聚四氟乙烯的力學(xué)性能，加工性能，耐高、低溫性能及摩擦磨損性能。今后會(huì)從以下方面進(jìn)行研究。

(1)鈦酸鉀晶須是近年來(lái)涌現(xiàn)的一種新型無(wú)機(jī)纖維狀材料。傳統(tǒng)的玻璃纖維材料硬度高、脆性大等特點(diǎn)易造成其增強(qiáng)的聚四氟乙烯復(fù)合材料對(duì)對(duì)磨件的磨蝕作用嚴(yán)重，在重載下玻璃纖維易折斷導(dǎo)致性能明顯下降等現(xiàn)象。而鈦酸鉀晶須不僅強(qiáng)度高、硬度低，而且尺寸細(xì)微(長(zhǎng)度僅與玻璃纖維的直徑相當(dāng))，能與聚四氟乙烯基體充分混合，結(jié)合力明顯增大，從而起到增強(qiáng)又增韌的效果，其還能明顯改善聚四氟乙烯復(fù)合材料的耐熱性、沖擊強(qiáng)度和摩擦性能，減少對(duì)磨材料與聚四氟乙烯的直接接觸，能夠有效阻止聚四氟乙烯帶狀結(jié)構(gòu)的大面積破壞，改變磨屑形成機(jī)理，降低磨損，從而提高軸承的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命[2]。

(2) 采用耐高溫高分子材料對(duì)聚四氟乙烯進(jìn)行復(fù)合改性，如添加聚醚醚酮、聚苯砜、聚苯并咪唑、熱固性聚酰亞胺及聚醚酰亞胺等來(lái)提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、耐磨性或耐溫性，而且這類改性復(fù)合材料對(duì)對(duì)磨件無(wú)磨蝕作用。

(3) 研究短切纖維(長(zhǎng)度為0.1～1.5 mm)表面改性預(yù)處理工藝或添加偶聯(lián)劑來(lái)增強(qiáng)短切纖維與聚四氟乙烯的混合均勻性，從而提高短切纖維與基體材料聚四氟乙烯之間的相容性，使短切纖維在復(fù)合材料中起到承受載荷和提高黏結(jié)性能等作用，從而提高復(fù)合材料的綜合性能。

(4) 纖維織物(碳纖維或芳綸纖維)浸漬聚四氟乙烯乳液預(yù)制復(fù)合材料坯料，在卷管機(jī)上邊加熱邊加壓，將浸漬好聚四氟乙烯乳液的纖維布卷繞在芯軸上，當(dāng)卷制成要求的管狀物后加壓放置到模具內(nèi)，經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)過(guò)程，自然冷卻至室溫，脫模即得管狀坯料。其拉伸強(qiáng)度大于100 MPa，抗壓強(qiáng)度大于120 MPa，承載能力大，材料剛性及尺寸穩(wěn)定性好，高、低溫環(huán)境均能使用。但其卷管成型及在模具內(nèi)制坯工藝較難控制，易出現(xiàn)層狀摺皺開裂現(xiàn)象。