農(nóng)機滑動軸承材料性能要求及發(fā)展前景

張朝陽 鄧正華 壽德榮

(重慶三峽學(xué)院機械工程學(xué)院，重慶 404000)

引言

農(nóng)機滑動軸承是農(nóng)業(yè)機械中關(guān)鍵零部件之一，其性能直接影響著農(nóng)機設(shè)備的工作效率、可靠性和壽命。目前，由于農(nóng)機的工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致軸承容易出現(xiàn)腐蝕、磨粒磨損、刮傷、出現(xiàn)裂紋等形式的失效[1]，軸承的損壞會直接影響到農(nóng)機設(shè)備整體的壽命，更換軸承或者維修農(nóng)機設(shè)備往往需要投入一定時間及金錢成本，因此需要滑動軸承材料具有更優(yōu)良的性能來適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。本文結(jié)合農(nóng)機滑動軸承的性能要求，通過總結(jié)滑動軸承材料的發(fā)展現(xiàn)狀，探究適合于農(nóng)機滑動軸承制造的高性能材料，以期提高農(nóng)機的工作效率，促進農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展。

1 農(nóng)機滑動軸承材料性能要求

1.1 較強的耐腐蝕性

農(nóng)業(yè)機械的工作環(huán)境通常較為惡劣，使農(nóng)業(yè)機械在使用過程中容易接觸到水分、化肥、土壤中殘留的農(nóng)藥等物質(zhì)，這些物質(zhì)與軸承材料的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致零件腐蝕[2]。并且農(nóng)機軸承在長時間運行時會導(dǎo)致溫度升高，潤滑油在高溫下也會發(fā)生化學(xué)變化生成一定的腐蝕性物質(zhì)[3]。軸承的腐蝕會對農(nóng)機設(shè)備產(chǎn)生嚴重的影響，使軸承在轉(zhuǎn)動過程中易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，降低軸承工作效率；腐蝕還會影響軸承表面的光滑度，使軸承在工作過程中摩擦增大，磨損加劇，降低軸承的使用壽命，當(dāng)軸承腐蝕嚴重時，可能會造成軸承的斷裂，進而影響農(nóng)機的整體壽命，甚至?xí)l(fā)安全問題，因此需要軸承材料具有較強的耐腐蝕性。

1.2 一定的強度

由于農(nóng)業(yè)機械工作環(huán)境比較復(fù)雜，農(nóng)機設(shè)備在實際使用時，實際載荷有時會很大，會導(dǎo)致軸承出現(xiàn)開裂或壓塌[3]，因此需要軸承材料具有一定的強度。

1.3 良好的導(dǎo)熱性

農(nóng)機軸承在長時間運行時由于產(chǎn)生的摩擦熱量無法有效散發(fā)，導(dǎo)致軸承的溫度升高，滑動軸承在運行中溫度過高將導(dǎo)致軸承合金損壞[4]，強度降低，容易造成軸承開裂，因此需要軸承材料具有良好的導(dǎo)熱性。

1.4 良好的減摩耐磨性

農(nóng)機設(shè)備在工作中，石子、泥沙以及在加工時留下的金屬屑等顆粒容易進入到軸承的內(nèi)部，與軸承表面發(fā)生摩擦，造成磨損，水分進入會破壞潤滑油油層的結(jié)構(gòu)[5]，使軸與軸承之間的摩擦增加，加劇了軸承的損壞。并且農(nóng)機軸承在農(nóng)業(yè)環(huán)境下工作，其潤滑油膜破裂時，軸承與軸頸之間容易發(fā)生咬合，因此需要軸承材料有良好的減摩耐磨性，減小摩擦阻力，降低摩擦熱[6]。

1.5 良好的嵌入性

農(nóng)機在使用過程中，軸承表面可能會有磨損產(chǎn)生的碎屑，這些碎屑隨著潤滑油進入軸承的縫隙，劃傷軸承表面，致使軸承失效，因此需要軸承材料具有良好的嵌入性，將碎屑嵌入軸承表面，避免在軸承內(nèi)部滾動產(chǎn)生進一步的磨損[7]。

1.6 抗疲勞性

農(nóng)機設(shè)備在工作中，軸承會受到軸傳遞的周期性交變沖擊載荷[8]，因此需要軸承材料具有較高的疲勞強度，在周期性交變沖擊載荷下不被破壞。

2 滑動軸承材料研究現(xiàn)狀

2.1 巴氏合金軸承材料

巴氏合金又稱白合金，是由美國人巴比特發(fā)明而得名，具有良好的減摩性、順應(yīng)性和嵌入性等特點。巴氏合金的組織特點是在軟相基體上分布著硬相質(zhì)點，在磨合后，軟基體內(nèi)凹，硬質(zhì)點外凸，形成細小的間隙，能夠儲存潤滑油，提高材料的減摩性，硬質(zhì)點上凸起到支承作用，有利于承載[9]。但巴氏合金的耐磨性和抗疲勞能力較差，只能用于低速和輕載的工作環(huán)境中[10]。巴氏合金分為錫基合金和鉛基合金。錫基合金是在錫的基礎(chǔ)上再加入少量的Cu、Pb、Sb等元素，與其他的軸承材料相比，具有優(yōu)良減摩性能和抗腐蝕性能，但在實際應(yīng)用中，其硬度受到溫度的制約，過高的溫度使合金的硬度降低，因此最高工作溫度不能超過130～150℃[11]。鉛基合金由于鉛本身的特點，能夠提高軸承的減摩性、順應(yīng)性和嵌入性，且與錫基合金相比，價格更低，但鉛是一種有毒元素，隨著環(huán)保意識的增強，無鉛化成為必然的發(fā)展趨勢[12]。

2.2 銅基軸承材料

銅基軸承材料主要有錫青銅、鉛青銅及鋁青銅。銅錫合金是以銅為基體加入較高的錫元素以及少量的其他元素的多元系合金，具有良好的耐磨性、導(dǎo)熱性及耐腐蝕性，被用于連桿襯套、軸承等零部件的制造，但錫的價格較為昂貴，使用范圍有限[13]。鉛青銅具有良好的耐磨性、優(yōu)異的自潤滑性能及良好的耐高溫性能等，廣泛應(yīng)用在重載、高速的環(huán)境中，Cu-Pb合金中的軟質(zhì)富Pb相的熔點低，摩擦作用下容易受熱熔化，在合金的表面形成一層潤滑膜，成為潤滑劑，降低摩擦系數(shù)[14]。但由于鉛具有毒性，在生產(chǎn)加工過程中會危害人體健康及污染環(huán)境[15]，因此含鉛材料逐漸被淘汰。鋁青銅根據(jù)元素的組成可以分為簡單鋁青銅和復(fù)雜鋁青銅，簡單鋁青銅僅由銅鋁2種元素組成，即二元Cu-Al合金，復(fù)雜鋁青銅是在銅鋁的基礎(chǔ)上再添加鐵、鎳、錳、鋅等元素組成的多元銅合金，簡單鋁青銅的性能較差，使用受限，目前使用的均為復(fù)雜鋁青銅，鋁青銅具有優(yōu)異的抗疲勞強度和承載能力，良好的導(dǎo)熱性及良好的耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航天、船舶、機械、交通等領(lǐng)域[16]。

2.3 鐵基軸承材料

鐵基軸承材料具有抗壓強度高的力學(xué)性能和良好的自潤滑能力，且價格低廉，是目前應(yīng)用較廣泛的軸承材料，鐵基軸承材料有Fe-C系、Fe-Cu-C系、Fe-Mo-C系及Fe-Pb-Cu系等[17，18]。

Fe-C軸承材料是通過向鐵基材料中添加石墨從而改善材料磨損嚴重的問題，但強度相對較低[17]。Fe-Cu-C軸承材料是通過向鐵中添加銅和石墨以改善其力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加適量的銅能夠提高材料的硬度、強度和摩擦學(xué)性能，但是當(dāng)銅的含量過大時，材料的硬度降低，磨損增加；隨著石墨的添加，材料的強度有所下降，而摩擦學(xué)性能得到了顯著改善[18]。Fe-Mo-C軸承材料，通過向Fe-石墨中添加Mo，能夠提高材料的硬度以及強度，并且在高溫下具有良好的摩擦學(xué)性能[19]。Fe-Pb-Cu軸承材料由于Pb的加入，軸承的摩擦系數(shù)減小，但是當(dāng)Pb含量過大時，軸承的表面易產(chǎn)生金屬流動，鉛粒反將孔隙堵塞，使軸承運轉(zhuǎn)時內(nèi)部的潤滑油不能滲出，摩擦性能下降，因此，含鉛量太大或者太小都不利于提升軸承的性能，只有添加適當(dāng)?shù)你U，軸承的摩擦性能才能達到最佳[20]。

2.4 TiAl基軸承材料

TiAl基軸承材料具有較高的比強度、良好的抗氧化、抗蠕變和優(yōu)異的抗疲勞性能及較低的密度等優(yōu)點，是目前極具開發(fā)前景的高溫金屬結(jié)構(gòu)材料[21]。并且同時具有金屬的塑性和陶瓷的高溫特性，在高溫的環(huán)境下仍能保持足夠的強度和剛度，相比于鎳基合金和不銹鋼等傳統(tǒng)的高溫合金，TiAl基合金的綜合性能良好，韌性也高于普通的陶瓷材料，能夠替代傳統(tǒng)的軸承材料不銹鋼及軸承鋼等[22]。但TiAl基合金的室溫延展性較低，成形較差，難以進行加工，且TiAl基合金本身具有脆性，摩擦過程中易斷裂，此外，TiAl基合金的高溫抗氧化性還存在不足，當(dāng)溫度超過850℃時，合金的高溫抗氧化性開始迅速下降，阻礙了TiAl基材料的大規(guī)模應(yīng)用[21，23]。

2.5 鋁基軸承材料

鋁基軸承材料具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、較強的耐腐蝕性、重量輕、價格低廉等優(yōu)良特點，相同體積的鋁基制品質(zhì)量不到鐵基和銅基的1/3，能夠有效減輕機械重量，節(jié)約成本，并且在工作過程中溫升小，不容易銹蝕，延長了軸承的使用壽命[24]。鋁基滑動軸承材料有Al-Sn系、Al-Pb系、Al-Zn系、Al-Bi系及Al-Cu系等。

Al-Sn合金由于具有優(yōu)異的耐腐蝕性、嵌入性和較高的承載能力，被用于飛機、船舶、拖拉機等發(fā)動機上，但由于錫的價格昂貴，使用范圍有限。Al-Pb合金鉛的加入提高了材料的耐磨性和抗疲勞強度，且與錫相比，鉛的價格更低，但鉛會對人體產(chǎn)生危害，在使用過程中析出鉛還會對潤滑油造成污染，對機器造成損害，已逐漸不被使用。Al-Zn合金在鋁基體中添加鋅，具有較高的承載能力，但需要嚴格控制鋅的添加，添加量太少軟質(zhì)相所起的作用不明顯，添加太多合金的硬度過高，抗咬合性能降低；Al-Bi合金中Bi元素在合金中以游離態(tài)的形式存在，能夠改善合金的摩擦性能，但Bi的質(zhì)地較軟且脆，使合金受到摩擦力的作用時延展性降低，制約合金在低載荷下的自潤滑性能和高載荷下的疲勞強度[25]。Al-Cu合金是通過向鋁基體中添加銅以提高材料的性能，與其他的鋁合金相比具有較高的強度、硬度和耐磨性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、航天等領(lǐng)域[26]。

2.6 非金屬軸承材料

非金屬滑動軸承材料主要有塑料、炭石墨、陶瓷等。使用塑料制作的軸承具有耐腐蝕性強、質(zhì)量輕、密度小等優(yōu)點，但與金屬材料相比，塑料的強度不足，熱導(dǎo)率低，易受到溫度和濕度的影響，導(dǎo)致軸承尺寸穩(wěn)定性差；炭石墨材料具有自潤滑性、耐高溫、耐腐蝕性強的特點，與塑料相比，熱導(dǎo)率較高，但是在濕度很低時，其潤滑性會喪失；陶瓷軸承材料具有質(zhì)地硬、耐高溫、良好的耐磨性等特點，但具有脆性，且加工困難，成本較高[27]。

綜上所述，巴氏合金軸承材料具有良好的順應(yīng)性和嵌入性，但是其耐熱、抗疲勞能力較差。銅基軸承材料具有優(yōu)異的抗疲勞強度和較高的承載能力，但其質(zhì)量較大，價格較為昂貴。鐵基軸承材料具有抗壓強度高、價格低廉等優(yōu)點，但其抗腐蝕能力差、嵌入性較差。非金屬軸承材料的密度低、耐腐蝕性強，但其導(dǎo)熱性能差、加工較難。TiAl基軸承材料具有較高的比強度和良好的抗蠕變、抗氧化性能，但其抗磨損能力較差，室溫塑性低，且TiAl基合金本身具有脆性，使其在摩擦過程中容易發(fā)生斷裂。鋁基軸承材料重量輕、價格低廉，能夠減輕機械的重量，節(jié)約制造成本，且鋁基材料具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性及較強的耐腐蝕性，在工作過程中溫升小、不容易銹蝕，適用于工作環(huán)境惡劣且追求低成本的農(nóng)機軸承的制造，但鋁基軸承材料質(zhì)地較軟，還存在強度不足的問題，因此需要繼續(xù)通過優(yōu)化鋁基軸承的成分和制備工藝等方式提升材料的性能，使其在農(nóng)機設(shè)備中具有更廣的應(yīng)用范圍。

3 結(jié)論

農(nóng)機滑動軸承作為農(nóng)機設(shè)備中的一種關(guān)鍵零件，對農(nóng)機的工作效率以及壽命有著重要影響，而滑動軸承受農(nóng)機工作環(huán)境的影響，容易出現(xiàn)腐蝕、磨損、開裂等形式的損壞，嚴重影響農(nóng)機壽命，因此對滑動軸承的性能要求越來越高。鋁基材料由于具有優(yōu)良的耐腐蝕性，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，且其重量輕，價格低廉，能夠降低制造成本，減輕農(nóng)民購買農(nóng)機的經(jīng)濟壓力，因此鋁基材料在農(nóng)機中具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。