[科普中國(guó)]-減摩材料

概述

機(jī)械部件應(yīng)用減摩材料的目的，主要是要求盡可能低的摩擦系數(shù)，以降低摩擦損耗，提高傳動(dòng)效率。對(duì)于減摩材料除了其有低的摩擦系數(shù)外，還應(yīng)具有：

較好的耐磨性、抗粘著性和磨合性；

良好的順應(yīng)性和嵌合性。

足夠的強(qiáng)度。

導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕好，與油膜的吸附能力強(qiáng)。

順應(yīng)性是材料的表層對(duì)制造誤差、受載變形和表面粗糙度的適應(yīng)性能。嵌合性表示將外部雜質(zhì)和硬顆粒嵌入摩擦表面而不外露以防擦傷對(duì)偶表面，影響性能。通常，硬度低、塑性好和彈性模量低的材料，其順應(yīng)性的嵌合性也較好。2

減摩材料是一類(lèi)古老而用途又十分廣泛的、機(jī)械制造工業(yè)中不可缺少的工業(yè)用材。很早以前采用熔煉技術(shù)已可生產(chǎn)的錫基軸承合金（又稱(chēng)為錫基巴氏合金）便是一個(gè)典型代表，隨后根據(jù)各種不同工況的要求，又開(kāi)發(fā)出鋁基、銅基等多個(gè)系列的減摩合金。由于采用熔煉技術(shù)生產(chǎn)減摩合金需用大量較貴重的有色金屬如Sn、Cu、Sb等，而且由此加工成減摩零部件（如軸承、軸瓦）其合金的有效用量又很少，因此采用粉末冶金技術(shù)開(kāi)發(fā)粉末冶金鐵基、銅基減摩材料類(lèi)型的零部件便有顯著的優(yōu)越性。為滿(mǎn)足各種不同工況的要求，采用粉末冶金技術(shù)開(kāi)發(fā)各種新型減摩材料便成為新型減摩材料研制的一個(gè)重要發(fā)展方向，從而導(dǎo)致一系列具有減摩性能的新型粉末冶金減摩材料的出現(xiàn)。

粉末冶金減摩材料是用來(lái)制造各種耐磨損的滑動(dòng)軸承、軸瓦、活塞環(huán)、滑塊、滑板及精密機(jī)床導(dǎo)軌等的材料，其中以滑動(dòng)軸承用量最多。要求其具有低的摩擦系數(shù)、高的耐磨性能和足夠的強(qiáng)度。粉末冶金減摩材料的摩擦系數(shù)很低，因材質(zhì)不同而異，一般鐵基減摩材料潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)為0.01~0.1，而銅基含油軸承在潤(rùn)滑的情況下對(duì)鋼的摩擦系數(shù)可以小到0.004~0.008。這類(lèi)材料是由具有一定強(qiáng)度的金屬基體和起減摩作用的潤(rùn)滑劑所組成?；w通常為Fe、Cu、Al及其合金；減摩潤(rùn)滑劑有軟金屬鋁、石墨和Fe、Mo、W、Zn的硫化物、硒化物以及氟塑料、玻璃等。由于采用粉末冶金技術(shù)可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整基體和減摩劑的成分及含量，因而粉末冶金減摩材料的性能一般都優(yōu)于熔煉合金的性能。

粉末冶金減摩材料可以分為多孔自潤(rùn)滑材料和致密減摩材料兩大類(lèi)。前者如各種含油軸，后者如粉末冶金銅鋁軸瓦，若按基體材質(zhì)分類(lèi)，粉末冶金減摩材料可分為：鐵-石墨材料、青銅-石墨材料、鋁基減摩材料、金屬-塑料、雙金屬銅鋁軸瓦材料、減摩不銹鋼、鎳基和銀基固體自潤(rùn)滑材料、金屬-玻璃、難熔碳化物基減摩材料等等。

由于粉末冶金減摩材料是一種自潤(rùn)滑材料，具有很好的減摩性能，兇此廣泛應(yīng)用于農(nóng)機(jī)、紡織機(jī)械、拖拉機(jī)、汽車(chē)、機(jī)床、運(yùn)輸機(jī)械、飛機(jī)、坦克、電機(jī)、食品工業(yè)設(shè)備、各種儀器儀表、電子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。

我國(guó)一般粉末冶金減摩材料如鐵基、銅基減摩材料在不少粉末冶金廠(chǎng)已成為主導(dǎo)產(chǎn)品，并已有幾十年的生產(chǎn)歷史，較好地滿(mǎn)足了我國(guó)各行各業(yè)發(fā)展的部分需求。近20年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，特別是軍事工業(yè)的發(fā)展，對(duì)減摩材料提出了一系列更高更新的要求，而且許多特殊性能只能采用粉末冶金技術(shù)才能研制出相應(yīng)的高性能材料，我國(guó)在這方面取得了一系列可喜的重大進(jìn)展。3

對(duì)減摩材料的要求摩擦（friction）、磨損（wear）與潤(rùn)滑（lubrication）統(tǒng)稱(chēng)摩擦學(xué)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有三分之一以上的世界能源消耗在摩擦上，大約有80%的破壞零件是由磨損造成的。摩擦學(xué)的應(yīng)用范圍特別廣泛，一般機(jī)械里，如滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、齒（蝸）輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、摩擦離合器和制動(dòng)器、鍛模及軋輥、切（磨）削工藝、彈性密封、機(jī)床導(dǎo)軌、輪胎在路面上滔車(chē)，車(chē)輪在鐵軌上打滑等都存在摩擦學(xué)問(wèn)題，甚至螺紋聯(lián)接、鉚接、軸轂聯(lián)接里也發(fā)生微動(dòng)磨損。機(jī)械設(shè)計(jì)中的摩擦問(wèn)題大體分為減摩和摩阻兩類(lèi)，要求減摩的設(shè)計(jì)包括潤(rùn)滑設(shè)計(jì)和磨損設(shè)計(jì)，潤(rùn)滑設(shè)計(jì)有：運(yùn)動(dòng)副材料選配，潤(rùn)滑劑選擇和結(jié)構(gòu)合理性設(shè)計(jì)，磨損設(shè)計(jì)有：希望接觸面磨損輕，磨損率低；要求摩阻的設(shè)計(jì)希望摩阻（摩擦）大，耐磨損，發(fā)熱少和散熱及時(shí)等。

對(duì)一切減摩材料的基本要求是：摩擦系數(shù)低；耐磨性高；有足夠的韌性，沒(méi)有脆性斷裂的可能性；最佳的體積強(qiáng)度和表面強(qiáng)度，從而把表面層的高強(qiáng)度與摩擦偶件的易磨合性結(jié)合起來(lái)；有構(gòu)成二次組織的能力，以提高摩擦表面的抗咬合性；材料中貯存固體或液體潤(rùn)滑劑等等。對(duì)減摩材料的要求由材料的工作條件所決定。對(duì)于具體用途的材料，還要求有特殊的性能。例如，化學(xué)、紡織、食品等工業(yè)部門(mén)需要在耐腐蝕介質(zhì)條件下工作的減摩材料；火箭和低溫技術(shù)需要在高真空以及接近絕對(duì)零度溫度條件下工作的減摩材料；渦輪制造和連續(xù)鑄鋼設(shè)備則需要能在較高溫度下工作的減摩材料等等。軸承用途所決定的工作參數(shù)，可以在很寬的范圍內(nèi)變化：滑動(dòng)速度由幾毫米/秒到100米/秒以上，載荷由0.1MPa到10~20MPa以上，溫度從低溫到1000℃以上。根據(jù)上述情況，不可能制造出一種能在各種不同用途的摩擦部件中都能使用的減摩材料。因此，必須研制出供規(guī)定條件下使用的各種不同的減摩材料。以往廣泛采用的鑄造方法制造的金屬減摩材料，在許多情況下對(duì)于制造符合特殊工作條件要求的減摩材料是無(wú)能為力的。采用聚合物基材料，為較好地滿(mǎn)足用最佳性能的材料裝備摩擦部件的要求，增加了部分可能性。采用粉末冶金方法使問(wèn)題得到了根本的解決。

從上述固體潤(rùn)滑的基本概念中已知，層狀固體如石墨或二硫化鉬等應(yīng)用于滑動(dòng)表面，摩擦和磨損會(huì)大大降低，石墨在干凈表面滑動(dòng)時(shí)，摩擦系數(shù)為0.1~0.2。但石墨用作固體潤(rùn)滑時(shí)主要困難之一是如何保持連續(xù)供應(yīng)石墨，以便在兩個(gè)滑動(dòng)表面起固體潤(rùn)滑劑作用。起始的想法是將石墨混入滑動(dòng)元件之一的基體中以提供兩表面間的石墨，在最佳狀況下，金屬-石墨材料變成了自潤(rùn)滑劑。這就是粉末冶金方法解決問(wèn)題的獨(dú)到之處。其次，燒結(jié)減摩材料可以控制孔隙度，將油浸漬于孔隙可進(jìn)行自潤(rùn)

常用金屬減磨材料巴氏舍金巴氏合金是最早應(yīng)用于滑動(dòng)軸承上的減摩材料（它是一種以錫或鉛為基體的軟合金），因最初由E.Babbitt（1839年）發(fā)明而稱(chēng)為巴氏合金，其成分含有82%~84%錫，5%~6%銅和11%~10%銻。后來(lái)將所有錫、鉛基合金均稱(chēng)為巴氏合金。又因?yàn)樗饕糜谳S瓦，故又稱(chēng)為軸承合金。按組成的主要元素分，有錫基和鉛基兩類(lèi)。

錫基合金的硬度較低（HB13~32），熔點(diǎn)也較低（240~320℃），當(dāng)溫度升高時(shí)，合金表面軟化，起著潤(rùn)滑的作用，而且磨合容易。錫基軸承合金有良好的減摩性能，同時(shí)摩擦系數(shù)和膨脹系數(shù)小，塑性和導(dǎo)熱好等優(yōu)點(diǎn)，但疲勞強(qiáng)度低。疲勞強(qiáng)度的值與工作溫度和合金層的厚度有關(guān)，降低溫度和減小厚度都會(huì)提高疲勞強(qiáng)度，但厚度小于1mm時(shí)，由于澆鑄時(shí)沿SnSb（銻化錫）晶界易出現(xiàn)裂紋，反而大大降低疲勞強(qiáng)度，故厚度不宜小于3mm。另外，合金中銻、銅含量不宜太多，否則在強(qiáng)度和耐磨性提高的同時(shí)，卻使塑性和韌性惡化。

鉛基合金以鉛為主，含有適量的銻（10%~18%）和錫（0～20%）也是一種在軟基體上分布著硬質(zhì)點(diǎn)的軸承合金。該合金的成本低高溫強(qiáng)度好，有自潤(rùn)滑性，但耐磨性、導(dǎo)熱性以及鋼背的附著能力不及錫基合金，可用于載荷不大和轉(zhuǎn)速不高的場(chǎng)合。錫基和鉛基巴氏合金的化學(xué)成分及性質(zhì)見(jiàn)下表。

銅基軸承合金用作減摩材料的銅基合金主要有錫青銅和鉛青銅。錫青銅是指含有5%~15%的錫以及少量鋅、鉛等元素的銅合金，加鋅可使基體強(qiáng)度提高，加鉛可增加合金的抗粘著性和順應(yīng)性，錫青銅的機(jī)械強(qiáng)度較高，減摩性和耐磨性也較好，適宜于制造重載軸承。

鉛青銅是一種硬基體軟質(zhì)點(diǎn)型的軸承合金，其成分有30%左右的鉛，其余由銅組成。鉛青銅的承載能力和疲勞強(qiáng)度較高，能在250℃以下的溫度正常工作，但順應(yīng)性和嵌合性較差，也不耐腐蝕。

銅基軸承合金用作減摩材料的銅基合金主要有錫青銅和鉛青銅。錫青銅是指含有（5%~15%）的錫和少量鋅、鉛等元素的銅合金，加鋅可使基體強(qiáng)度提高，加鉛可增加合金的抗粘著性和順應(yīng)性，錫青銅的機(jī)械強(qiáng)度較高，減摩性和耐磨性也較好，適宜于制造重載軸承。

鉛青銅是一種硬基體軟質(zhì)點(diǎn)型的軸承合金，其成分有30%左右的鉛，其余為銅組成。鉛青銅的承載能力和疲勞強(qiáng)度高，能在250~C以下的溫度正常工作，面應(yīng)性和嵌合性較差，也不耐磨蝕。

鋁基軸承合金鋁基合金是最近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種新型減摩材料，其特點(diǎn)是比重小，導(dǎo)熱性好，疲勞強(qiáng)度高和耐磨性好，且原料充足，價(jià)格低廉。但熱膨脹系數(shù)大，抗膠合性、嵌合性與順應(yīng)性較差。得到應(yīng)用的有鋁銻鎂軸承合金和高錫鋁基軸承合金。前者的成分為3.5%~4.5%銻，0.3%~0.7%鎂，其余為鋁，鋁為軟基體，鋁銻化合物（AISb）為一均勻分布的硬質(zhì)點(diǎn)，加人鎂能提高合金的屈服強(qiáng)度。鋁銻鎂軸承合金適用于載荷不超過(guò)20N/mm2及滑動(dòng)速度不大于10m/s的滑動(dòng)軸承。

高錫鋁基軸承合金的成分為20%的錫和1%的銅，其余為鋁，該合金的顯微組織以鋁為硬基體，均勻分布著軟的錫質(zhì)點(diǎn)，添加的銅溶于鋁中使基體強(qiáng)化。該材料適用于載荷達(dá)28N/mm2，滑動(dòng)速度在13m/s以下的滑動(dòng)軸承。

多層合金減摩材料該材料為雙金屬、三金屬等結(jié)構(gòu)，各種金屬的性能具有互補(bǔ)性，以滿(mǎn)足機(jī)器高速、重載等工況下的使用要求。

粉末冶金減摩材料該材料是用金屬粉末與具有減摩性能的非金屬固體粉末，按一定比例，經(jīng)混合后壓制成型，再經(jīng)燒結(jié)和整形得到的一種具有多孔性組織的材料。一般孔隙度在15%~20%范圍。如用浸漬方法使孔隙中充滿(mǎn)潤(rùn)滑油，便成為一種具有自潤(rùn)滑性能的減摩材料，含油軸承即為這種材料的一種制品。當(dāng)軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于軸頸在接觸區(qū)有泵吸作用，迫使孔隙中的潤(rùn)滑油經(jīng)毛細(xì)管作用被吸至軸承接觸表面；同時(shí)由于摩擦熱的作用，油的體積膨脹大于金屬而被擠至摩擦表面，從而起著潤(rùn)滑作用。當(dāng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，溫度下降，由于毛細(xì)管作用又將油吸回到孔隙中。因而這是一種具有自潤(rùn)滑、減摩及耐磨并有吸振作用的減摩材料。

常用的粉末冶金減摩材料有銅基和鐵基兩類(lèi)。

銅基的主要成分為85%~89%銅、10%錫、0~3%鉛和1%~5%石墨，該材料自潤(rùn)滑性能、減摩性能均較好，硬度低，易跑合。

鐵基的主要成分為96%以上的鐵粉，其余為石墨粉。其特點(diǎn)是承載能力高，價(jià)格低。

利用粉末冶金技術(shù)可以使制成的減摩材料具有各種特殊的功能，例如能在重載下工作的極高強(qiáng)度材料，可在高溫下工作而具有高抗氧化性能的材料，以及在真空無(wú)潤(rùn)滑條件下具有良好抗擦傷能力和低摩擦系數(shù)的材料等。所以近年來(lái)粉末冶金減摩材料都是以較高的速度增長(zhǎng)，而且適用的速度、載荷和溫度范圍也在擴(kuò)大。除銅基和鐵基外，在特殊的工作條件下還可用鉛基、鋅基、錫基、銀基和鎳基材料。所用的固體潤(rùn)滑劑除石墨外，還可添加硫、硫化物、鉬、釩及其他金屬硒化物、氟化物、鹵化物等。為了提高耐磨性和強(qiáng)度，可添加錳、鉻、鎳和鉬等合金元素，使材料獲得可改善減摩性能的多相組織。

常用非金屬減摩材料砂無(wú)機(jī)和有機(jī)材料都具有減摩性能，可用于在干摩擦或邊界摩擦條件下工作的摩擦元件，其中應(yīng)用較多的是高分子聚合物和各種工程塑料。

聚酰胺通稱(chēng)為尼龍。它具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的耐磨性及自潤(rùn)滑性能，摩擦系數(shù)μ=0.25，易成型，價(jià)格低，耐磨蝕?？稍跓o(wú)潤(rùn)滑條件下工作。然而尼龍熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性差，有吸濕性。不宜在潮濕或溫度變化較大的環(huán)境下工作，在有泥沙或塵土的環(huán)境中工作時(shí)，其耐磨性?xún)?yōu)于軸承鋼，比青銅的耐磨性高幾倍。在尼龍中添加聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨或云母等固體潤(rùn)滑劑后，可降低摩擦系數(shù)；添加金屬粉可增加導(dǎo)熱性，而添加玻璃纖維等，也提高強(qiáng)度，增加耐磨性。

尼龍除整體使用外，還可作為表面耐磨涂層的涂料。

聚甲醛POM具有優(yōu)良的綜合性能，吸水性小，尺寸穩(wěn)定，物理和機(jī)械性能超過(guò)尼龍。彈性模量和硬度高，在850℃以保持抗拉強(qiáng)度長(zhǎng)期不變，耐腐蝕，摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定。但熱穩(wěn)定性差，收縮率大，在大氣中曝曬易老化。

聚四氟乙烯聚四氟乙烯是一種結(jié)晶性高聚物，具有極優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的電性能，PTFE形成的長(zhǎng)鏈團(tuán)分子中的碳原子被周?chē)影鼑。肿娱g的實(shí)際粘著力很小，形成低能量的表面，使表面分子可以相互滑動(dòng)，呈現(xiàn)出極低的摩擦系數(shù)（0.1~0.04）。它與金屬等摩擦?xí)r，能在極短時(shí)間內(nèi)在金屬表面上形成一層聚四氟乙烯轉(zhuǎn)移膜，以致金屬與PTFE的摩擦實(shí)際上成為PTFE對(duì)PTFE的摩擦。由于PTFE轉(zhuǎn)移膜與金屬形成強(qiáng)的化學(xué)鍵，故膜雖薄但也很牢固。

PTFE的缺點(diǎn)是耐磨性較差，機(jī)械強(qiáng)度低，受載后易變形，線(xiàn)膨脹系數(shù)大。因此PTFE作為減摩材料使用，主要是以填料形式添加到其他塑料中，或者在PTFE中添加金屬或其他材料，以改善其機(jī)械性能、導(dǎo)熱性和線(xiàn)膨脹系數(shù)。例如用碳素纖維增強(qiáng)的PTFE織物復(fù)合材料，其耐磨性和強(qiáng)度都可提高10倍。

芳綸盤(pán)根材料，以芳綸做主體材料，并浸漬了PTFE和高閃點(diǎn)的潤(rùn)滑材料，可在-100~60℃的條件下使用。芳綸又稱(chēng)聚芳酰胺纖維，由美國(guó)杜邦公司于1972年以“凱夫拉”（Kevlar）的商品名推出，其強(qiáng)度比鋼高，比重只是鋼的1/5，耐熱性好。

膨脹聚四氟乙烯它是美國(guó)某公司在1969年為解決螺紋接頭的密封問(wèn)題而研制的，它將PTFE膨脹為一種高韌性和多孔性的低密度材料，將其應(yīng)用在密封上獲得了成功，取得了專(zhuān)利。EPTFE不僅保留了PTFE的化學(xué)穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低、不老化等性能，而且還擴(kuò)大了使用溫度范圍，提高了機(jī)械強(qiáng)度、膨脹系數(shù)小、多孔性、正極高的韌性等。

成型工藝：分散PTFE樹(shù)脂（潤(rùn)滑助劑）—混合—預(yù)成型糊膏—擠壓—高速拉伸（低于PTFE熔點(diǎn)）—熱定型（高于PTFE熔點(diǎn)溫度下）—成品。

此外，用作減摩的聚合物材料尚有聚碳酸酯（PC）、聚礬（PSF）、聚酰亞胺（PI）等。2