随着当今科学技术的慢慢的提升，机械技术正向着高级化、尖端化、多样化的趋势发展。特别是航空航天技术、原子能工业、军事工业等研究领域使轴承技术面临许多新的课题，例如，轴承在真空条件、高温条件及低温条件等极端环境下使用问题，其解决主要是依靠自润滑轴承的特殊润滑性质。自润滑轴承就是滚动体、内外圈滚道或保持架经过特别的材料处理，不需要再添加油类或脂类润滑剂就能正常工作的轴承。自润滑轴承从润滑机理上可分为自润滑材料本身产生自润滑特性的轴承和因烧结微孔材料的性质而产生自润滑特性的轴承两种。

  自润滑轴承就是滚动体、内外圈滚道或保持架经过特别的材料处理，不需要在添加油类或脂类润滑剂就能正常工作的轴承。自润滑轴承从润滑机理上可分为自润滑材料本身产生自润滑特性的轴承和因烧结微孔材料的性质而产生自润滑特性的轴承两种。

  自润滑材料主要是指一些固体润滑剂。固体润滑剂的微粒和金属共沉积的复合镀层，摩擦系数很小，镀层本身的磨损少。固体润滑剂有MoS2，氟化石墨（CF）n，聚四氟乙烯（PTFE）等等。下面具体介绍聚四氟乙烯（PTFE）与石墨两种很常见的自润滑材料。

  当轴承保持架采用以聚四氟乙烯为基本的复合材料时，当轴承旋转时，由于钢球的自旋运动，是钢球与保持架之间产生摩擦，因为滚动元素接触表面微凸体的反复接触和挤压作用，在PTFE的结构保持架的接触表面将形成小的带状沟痕，由于PTFE的结构是条状结构，因此粘附力比金属的粘附力小的多，在摩擦过程中PTFE的条状碎片被不断的粘附——展平——再粘附——再展平，逐渐形成转移膜，转移膜具有一定的厚度（大约100—130μm），它的结构是小的带状附加层。同样道理，在摩擦过程中，在钢球表面内环外环的滚道都可形成PTFE转移膜，因为表面的微观不平，PTFE膜被犁削和挤压并产生小碎片，小碎片被粘附在滚道表面，然后被展平延伸，逐渐形成PTFE的润滑转移膜。在滚道的转移膜的厚度只有滚动体的转移膜厚度的1/3～1/2。当在滚动体内外环滚道形成一定厚度的自润滑转移膜后，PTFE的摩擦系数急剧降低。

  在日本，用于火箭发动机上的涡轮泵轴承，由于发动机燃料液氢的温度很低，工程技术人员选用浸含聚四氟乙烯玻璃纤维布压层增强的圆筒状材料制造轴承保持架，其中聚四氟乙烯含量62%，玻璃纤维含量38%。这种保持架材料充分的利用聚四氟乙烯在低温真空等极端环境下仍能保持自润滑特性的性质，同时由于压层玻璃纤维布结构，所以机构强度和耐磨性极高。

  石墨晶格层间距离大，大片网状分子以范德华力结合，很容易沿层面解离，分离出薄片起到润滑作用。中科院兰州化学物理所固体润滑试验室的科学技术人员近年来发现，利用石墨容易在层与层之间孔隙处吸收一些元素和化合物形成石墨层间化合物，改善石墨的润滑性能。对石墨与金属化合物的层间化合物的研究根据结果得出，金属氯化物包入量越多效果越明显。

  作为碳与石墨混合物而应用的石墨以冷压石墨和高温下烧结的石墨为主，多年来已经用于电器设备中的轻负荷自润滑轴承（电刷）。

  石墨的自润滑性能随环境变化而不同，例如，缺乏水蒸气时引起石墨高度摩擦产生严重磨损，缺乏空气也会使石墨的摩擦系数由0.1～0.15增加到0..5，当使用氟化石墨时，由于碳层间的间隔较大，不需水气，避免了对轴承材料的有害影响。氟化石墨到400℃高温时仍拥有非常良好的润滑性能，摩擦系数在0.1左右，据文献介绍，氟化石墨的摩擦系数低，且耐磨性能好，能承受的PV值也很高。

  浸银石墨也是一种耐高温、耐腐蚀、有良好自润滑性的抗磨材料，它以碳石墨为基体，用高温度高压力的方法使熔融状态的金属浸入到碳石墨材料的开放性气孔中，形成牢固的网状结构，从而得到银——石墨复合材料。浸银石墨材料在压力22MPa、4200r/min、线℃、介质为惰性缺氧气体（干摩擦、有腐蚀性）、对磨副为钼基合金等工矿条件下使用。浸银石墨材料的优良特性使它在电力、机床、化工、仪表、水泵、汽车、航空、宇宙等行业具有潜在的广泛应用前景。

  使用温度范围最大的固体润滑剂是MoS2，它可在（—180℃～400℃）范围内正常工作，MoS2的摩擦系数为0.1～0.15，用固体润滑剂润滑轴承时，最简单的方法是把MoS2粉末撒到滚动轴承腔内，具体做法是把MoS2粉末渗入酒精等溶剂中，使其流入轴承滚动面，通过电机使外圈旋转，这样就在滚道上形成一层MoS2，然后用将多余的MoS2喷走，以防多余MoS2堵塞滚道造成磨损。

  纵上所述，我们大家可以知道，自润滑轴承主要是用于特殊环境下和特殊要求下的轴承，用于在很长的使用时间内（超过一般轴承正常有效期几倍的时间）、不易更换的情况下和润滑油润滑脂很难正常润滑的情况，如机器人的关节轴承、航空航天器上使用的轴承、在真空条件或高温、低温等极端环境下需长时间使用不易更换的轴承。其制造工艺很复杂，尤其是自润滑材料的制作问题，另外自润滑轴承制造需要高新技术的配备。从搜集的情况看，我们的祖国正处于自润滑轴承制造的起步研究，发现潜力还很大。从我国的火箭卫星事业发展状况来看,超导材料的发展情况去看，自润滑材料和自润滑轴承都有很广阔的市场前景。

  为配合我公司自润滑轴承的研究与开发，本期介绍了几篇有关自润滑轴承与材料方面的文章，以供广大技术人员参考和借鉴。

  润滑分为流体润滑、混合润滑、边界润滑和固体润滑。在固体润滑领域内，轴承材料本身显示出良好的摩擦特性、耐磨损性的轴承被称为自润滑轴承。因自润滑轴承使用在不可以使用润滑剂的部位或使用在润滑剂贫乏的部位等而用于边界润滑、混合润滑等稳定部位，故这种自润滑轴承也被称作“自供油轴承”、“干燥轴承”等。

  2） 耐热性：固体润滑与流体润滑相比摩擦系数小，因而能够耐受这种摩擦（固体之间直接摩擦）所产生的高热；

  5） 环境适应性（抵抗腐蚀能力）：能耐受空气、煤气、工作油对其产生的非物理性腐蚀作用。

  根据固体润滑球轴承动态性能分析模型进行的参量评价表面：在球与套圈接触的特定工作和润滑剂拖曳力作用下，减少球与保持架兜孔之间的间隙和保持架与套圈挡边的引导间隙，其结果将使球与保持架与套圈接触面的碰撞频率增大。相对来说，碰撞力的实际值却并不受间隙变化的影响。对本文所研究的典型涡轮发动机轴承，当保持架采用外引导时，上述间隙的减小同样会导致保持架产生圆锥形运动，并使保持架兜孔和引导面两者的间隙都变得更小，其结果对保持架与套圈之间的相互作用不利。

  在过去的十年，滚动轴承的性能分析模拟已经成了引人注目的研究课题。Jones（1）、（2）的简单拟静力学模型已经被动力学模型所代替，动力学模型不仅解答了轴承零件运动的微积分方程式，而且还提供了一个轴承性能的实时模拟。由Walters（3）Gupta（4）、（5）提出的模型是众所周知的，已经较好地证明了上述模型和模拟试验技术不仅为关键使用场合的试验研究提供了有价值的指导，而且已被证实对滚动轴承的实际设计是有效的。这种有效分析模型可以极为有效的进行设计参数的参量评价，同时在大幅度减少由分析获得的实时性能模拟所确定的参量范围方面，预定的试验研究可能是唯一必要的。因此，在某些特定的程度上，分析模拟能有助于代替某些方面的试验研究。本文的目的就在于提出一个研究事实，论证在这样的参量评价中分析模型的实力。

  实际上，解决分布问题的各种动力学模型常常需要一种明确的计算手段。然而，随着现代高速计算机和矢量数据处理机的出现，这种条件限制已逐渐被放宽。同样，随着优化计算的需要，通用计算机编码也正在更新以用于高效的专用分析。由Gupta（6）提出的最新计算机编码RAPIDREB是对原DREB程序（4）、（5）的进一步改善。RAPIDREB程序编码为采用固体润滑和液体润滑的球轴承提供了性能模拟。事实表明：借助某些约束条件，采用满意的计算方式（6）能轻松的获得几种主要转速下的轴承性能模拟。

  本文把固体润滑轴承的性能作为各种设计参量的函数，采用RAPIDREB编码模拟研究。对于固体润滑球轴承，在轴承设计（7）中，球与套圈相互作用下润滑剂的拖曳特性已被表明是最重要的参量。同样，在球与保持架和保持架与套圈相互作用下润滑剂的摩擦也被证明是值得考虑的重要参量。

  当固体润滑剂以球与套圈交界面之形成的转移膜形式提供时，则在秋与保持架和球与套圈的相互作用之间有一个复杂的配合关系，这种转移膜是由于秋与保持架上释放的才来哦形成的。例如，在球与套圈交界面上缺乏润滑剂就可在球上产生大的加速作用，这种取决于保持架兜孔间隙的加速作用引起球与保持架与保持架的碰撞，一个接一个的碰撞就逸出润滑剂，并在球与套圈交界面上提供转移膜。这种机理经常是决定轴承综合性能的最基本的环节。同样地，对采用套圈引导保持架的轴承，保持架与套圈交界表面的相互作用也是相当复杂的，因为保持架和引导挡边之间的接触绝大多数都是由保持架兜孔中球与保持架的碰撞、保持架的惯性和保持架与引导挡边之间的工作间隙确定的。因此，在固体润滑剂的拖曳特性和轴承的集合形状之间有一个确定的配合关系。同时，对一个成功的轴承设计来说，确立一个球与套圈、球与保持架和保持架与套圈相互作用的逼真模型是决定性的。

  对一种固体润滑剂的已规定好的拖曳特性，目前的研究表明：对轴承中的各种相互作用，用RAPIDREB计算机程序（6）作为基本模型，则轴承性能是球与保持架和保持架与套圈之间间隙的一个函数。我们期望本文提出的结论能为固体润滑球轴承的设计提供一些有益的帮助。

  本研究采用的轴承是超轻系列006角接触轴承。该轴承是在高速涡轮发动机中用以承受推理负荷的主轴承之一。轴承尺寸列于表1。

  轴承的球与和套圈均采用AMS6430（AISI/M—50）工具钢制造。这样一种材料的性能也列在表1中。保持架采用的是一种含有固体润滑剂的三维编织的石墨与聚酰亚胺复合物。这种材料的性能在实用温度下尚未测试过，列入表1的性能参数仅仅是一个粗略的估计。

  假定保持架材料含有的固体润滑剂是镓—铟—钨—两倍的硒（Ga—In—W—Se2）。虽然这种材料尚无在高温下使用的摩擦数据，但在室温、赫兹应力为1Gpa、滚动速度为2米/秒下还是有一些数据的（8）。

  为了真实地模拟滚动轴承的特性，有必要去逼真地模拟轴承零件间的摩擦力。轴承的球和套圈之间接触的特点是用较大的负荷和滚动速度来描述的。虽然与滚动速度相比，轴承的滑动速度在量值上是小的，但它常易发生大的变动。球与保持架之间的接触和保持架与套圈之间的接触实质上是相似的。她它们的特点在于滑动速度 大并且相对恒定时，负荷是周期性施加的，且在量值上常常大幅度变化。由于这些差别，球与套圈相互作用时摩擦特性和球与保持架或保持架与套圈交界面上的相互作用完全不同。

  根据现有的室温数据（8），假定8厘米/米的滑动速度下，球与套圈之间接触的拖曳系数随着滑动速度线厘米/米的滑动速度，假定摩擦系数保持常数0.15。球与套圈之间拖曳力随作用负荷和滚动速度的变化，若有的话也没有被考虑。对任何条件，球与保持架和保持架与套圈交界面之间的摩擦系数均假定保持常数0.075。

  本文研究的目的是评价保持架几何形状的变化对轴承性能的影响。用表2中所列的32套轴承去进行轴承性能的评价。全部轴承的运转条件均是外圈静止、内圈速度为63500转/分、轴向负荷为450牛顿、径向负荷为225牛顿。为模拟转子不平衡的影响，假定径向负荷随内圈而旋转的。这些工作条件是实际应用的典型条件。

  假定套圈与保持架和球与保持架之间的间隙都在0.6—0.2毫米的范围内变化，并考虑到了外圈和内圈两种引导类型。对于现有采用外引导保持架的轴承设计，这些参量的公称值：对保持架与套圈的直径间隙取0.3302毫米，对球与保持架的直径间隙取0.4572毫米。这种标称尺寸作为3.2组编号列在表2中。

  内径外径球径球数节径接触角外径曲率系数内圆曲率系数保持架外径保持架内径保持架宽度引导类型保持架与内圈的直径间隙保持架与球兜孔的间隙球与套圈的弹性模量保持架的弹性模量球与套圈的泊松比保持架的泊松比球与套圈的材料比重保持架的材料比重

  =29.542毫米=47.00毫米=5.556毫米=17=38.51毫米=18.60=0.52=0.54=41.224毫米=37.389毫米=8.191毫米=外引导=0.330毫米=0.457毫米=2.0×1011牛顿/米2=1.73×109牛顿/米2=0.25=0.25=7.75×103公斤/米3=1.5×103公斤/米3

  当球沿其轨道运动时，球与套圈之间接触负荷发生明显的变化。因为径向负荷随内圈而旋转，所以峰值负荷之间的时间比钢球旋转一周时所需的时间要梢少一些。接触角和旋滚比也发生相应变化。虽然，看起来内圈上的自旋速度相对较大，但外圈上确实也出现一些自旋。因此，常规的套圈控制假说（1）、（2）对现有的条件并非普遍有效。

  球和套圈之间接触负荷和接触角的周期性变化导致了丘和套圈之间滑动速度相应发生明显的变化。虽然其所受的负荷是同相的，但外圈和内圈接触下的滑动却是异相的。因此，增加接触负荷未必能减少滑动，而轴承运动学对此却有强烈的影响。虽然这种滑动的一般形式不受保持架几何形状的影响，但球与保持架之间的碰撞则有助于变换滑动形式。保持架几何参数对轴承综合性能的影响，最好用球与保持架兜孔的间隙和保持架与套圈在引导挡边上的间隙这一参数量评价方法来研究。

  图1保持架与套圈的碰撞力（a）1.4组，（b）4.4组，兜孔间隙=0.20毫米

  球与保持架之间保持典型的相互作用，二者之间的作用力被作为时间函数来描述。碰撞力是由保持架驱动滚动体所造成的。通常，保持架是由一部分滚动体驱动，并依次去驱动其它滚动体。碰撞力的大小可能取决于工作条件、球与套圈的拖拽力，不难发现，虽然球与保持架之间的碰撞力确实随着间隙的减小而增大，但在所研究的间隙范围内，影响是相当小。然而，兜孔间隙的减小使球与保持架和保持架与套圈之间的碰撞频率大幅度提升，挡边间隙相同而兜孔间隙大大不同时，保持架与套圈之间作用力的两条曲线有区别。对较小的保持架兜孔间隙，在套圈的两个挡边上，保持架与套圈之间的作用力事实上并不相等。这实质上就从另一方面代表着减小兜孔间隙也会导致保持架做一定的圆锥形或非平面形的运动。

  在两种兜孔间隙小，轴承总功率损失的变化水平相对来说没什么变化，但减小兜孔间隙表明，随着减小间隙出现更为频率的波峰，这相当于球与保持架和保持架与套圈之间因减小间隙而产生的碰撞。

  保持架与套圈挡边间隙的影响与观测到的球与保持架兜孔间隙的影响有些相似。当具有同样小的兜孔间隙而保持架与套圈引导间隙大大不同时，保持架与套圈碰撞力变化的两条曲线。

  保持架与套圈挡边间隙的影响与观测到的球与保持架兜孔的影响有些相似。图1描绘了具有同样小的兜孔间隙而保持架与套圈引导间隙大大不同时，保持架与套圈碰撞力变化的两条曲线。能够正常的看到，随着保持架与套圈挡边间隙的减小，碰撞频率则增加，但是在保持架作非平面或圆锥形运动中，引人注目的效应被注意到，这是用图1中两个挡边上力的不同来表明的。此外，在一个挡边上的接触存在着一个相对来说较大的时间间隔。着这预示着一个潜在的磨损问题并表明在保持架运动中有一定的不稳定性。

  相对于图1中所示情况的保持架质量中心轨迹被描绘在图2（a）和（b）中。同时还发现：保持架质量中小的角速度随着挡边间隙的减小而增大。这一点可以在图2中粗略地看到，在相同时间内，保持架质量中心的轨迹量随着间隙的减小而增加。

  图2保持架质量中心轨迹（a）1.4组，（b）4.4组，兜孔间隙=0.20毫米

  从动力学的观点看，采用外圈引导和内圈引导的所有实例都表现出现类似的结果。也许在球与保持架之间和保持架与套圈之间的间隙都小的情况下，能够正常的看到性能上的最大差别。图3表示内圈引导保持架在紧密间隙下保持架与套圈之间作用力的变动情况。当与图1（b）中相应的外圈引导情况作比较时，能够正常的看到：保持架采用内圈引导时，那么由外圈引导所产生的稳定接触是不能较长久地存在的。然而，采用内圈引导时，碰撞力的数据一般都稍大些。但采用内圈引导时，保持架的圆锥形运动似乎稍有减小。

  根据上述分析结果来看，虽然球与保持架之间的作用力大小并没有随着有关间隙在有效范围内产生大的变化，但碰撞频率却表现出显著的变化。这是一个重要的发现，因为要在球与套圈的交界面上保持一定的润滑剂转移膜的厚度，就在大多数情况下要一定的碰撞频率。关于这一点，打算通过单件的接触磨损和转移膜试验作进一步的研究。目前的研究表明：一旦知道所需的碰撞次数，那么就可以通过类似本文介绍的数的间隙。

  球与套圈间的拖曳力对球与保持架之间作用力的影响尚待确定。或许能够预知一个稳定的结构，转移膜的减少将引起球与套圈之间的拖曳力的增加，依次可以导致球与保持架之间的作用力增大，从而确定为维持转移膜的需要程度应增加的润滑材料消耗量。这简明地指出：在材料性能、工作条件和最佳的轴承几何学之间有一个非常密切的匹配关系。

  虽然，外圈引导与内圈引导相比并没什么引人注目的影响，但仍有一些实际上需要仔细考虑的问题应仔细的进行研究。例如，能够正常的看到：对于紧密间隙，采用外圈引导有助于在保持架和套圈的交界面上产生一个稍稍稳定的接触。但这在某种程度上预示着将使该交界表面上产生的热量增加。如果保持架材料的热膨胀系数大于外圈材料的热膨胀系数，那么，这部分热量可能进一步减小轴承的工作间隙。同样，对于固定的外圈，保持架的离心膨胀也能更加进一步恶化工作状态。总而言之，保持架就将发生严重损坏。然而，如果能保证一个合适的工作间隙，那么用固定的外圈进行引导可有助于使保持架的磨损，能对通过球兜孔磨损而产生的不平衡进行补偿。如果保持架的平衡确实是一个问题，那么这可能是合乎需要的。另一方面，虽然内圈引导在本文讨论的情况中可能也是合适的，但当两套圈相互之间式不同心时，保持架与套圈的相互作用就可能是相当不稳定的。这将再次使材料性能、工作条件和周的最佳几何结构之间的密切的配合关系显得更为突出。因此，本文介绍的参量评价方法，对实际的设计可能具备极其重大意义。

  1）对于在球与套圈、球与保持架和保持架与套圈的交界面上所规定的工作条件和摇曳特性，减小球与保持架兜孔和保持架与套圈引导挡边之间的间隙，会引起保持架兜孔中和引导挡边上碰撞频率的增加。然而，若间隙在所估计的范围内变化，碰撞力的量值却没有大的变化。

  2）用球与保持架和保持架与套圈之间间隙的减小可以模拟保持架的圆锥形运动或非平面运动的增加。对于两个间隙都较小的情况，保持架与引导挡边之间的相互作用是有害的，而且表明保持架即将严重破损毁坏，对外圈引导的保持架尤其如此。

  3）假使从一定的真实的情况去考虑外圈引导是满意的话，那么目前的研究则表明：在考虑到有关的热量增加和保持架的离心膨胀条件后，必须确定一个安全的工作间隙。

  所谓自润滑轴承材料，是指即使不从外部给其它提供润滑剂自身也能显示出低摩擦特性的材料。具有其代表性的是，四氟乙烯树脂等塑料中含有石墨、二流化钼等固体润滑剂的塑料类轴承材料。除此以外还有固体润滑剂与金属合成的材料、在金属基材中添加石墨的轴承材料等，特殊例子还有本质类、橡胶类轴承材料等。广义上还将润滑油浸入材料内的含油轴承材料列入自润滑轴承材料。

  自润滑轴承材料也有最普通的材料。塑料类轴承材料分为固体润滑剂分散型材料、双层型材料、被复型材料、多孔质材料。固体润滑剂分散型材料是将固体润滑剂分散入塑料中的材料，双层型材料是与里衬金属和金属粉末删节层及塑料层构成的材料。还有，被复型材料则是金属等基材表面上将塑料、固体润滑剂的被膜附于其上的材料。多孔质材料是塑料和金属孔眼等构成的材料。

  塑料类轴承材料是各种用途中使用最多的材料，是在塑料中将石墨、二流化钼、PTEE树脂等固体润滑剂于润滑油等掺和一起散布其中的轴承材料，再喷射成形、压缩成形，还具有能用机械加工手段加工成各种形状的一大优点。

  双层型材料是金属里衬与金属粉末烧结层以及塑料层的双层结构的轴承材料。由于是双层结构，因摩擦而产生的热被迅速放散，还能弥补塑料的弱点和自发热传导性。为此，它与固体润滑剂分散型材料相比，是直至高载荷状态下使用时能够具备良好耐受性的高性能轴承材料。

  它是在金属等基本材料的表面上直接形成树脂、二流化钼等固体润滑剂被膜的材料，使用条件要求不太严格，在需要优化剂才表面、滑动特性的特定部位上普遍的使用，可以使各式各样的部件具有被膜特征。

  多孔质材料是在金属的孔眼空隙内浸透四氟乙烯树脂等的轴承材料，利用孔眼的柔软性，将其夹入轴和轴套之间，减少轴承游隙而制止轴的松动，同时由于内有树脂（PTEE），能具有低摩擦系数的特征。

  上述材料，摩擦面的主要成分是塑料。这种材料，使用的有四氟乙烯树脂、聚缩酸、聚酰胺、聚硫化苯、聚乙基乙基铜等热可塑树脂和环氧、石碳酸、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺等热硬化性树脂。由于选择这些材料，就等于没有全部不用润滑油的部位，因而能够在润滑中、黄油中以及水中等广泛的润滑条件下使用，并按其用途、种类提供多种多样丰富材料的轴承。

  除塑料类（轴承材料）以外，有固体润滑剂与金属合成的固体润滑剂分散型材料、棒状石墨等固体润滑剂填进铜合金的固体润滑剂充填型轴承材料，或者润滑剂浸入铜合金、铁合金而成为含油烧结轴承材料。此外，特殊的也有木质类轴承材料、橡胶类轴承材料等。

  热轧钢厂运输链上的轴承是一个核心部件，它的好坏直接影响着运输带的寿命。轴承的用量极大，平均每米运输链上大约使用2～3套轴承，全厂共使用轴承数达一万多套。这些轴承往往工作环境恶劣，在钢圈高温的烘烤下，轴承用油脂结焦固化，轴承卡死，停止转动。一般说来，这类轴承的寿命短（约2～3个月），需要经常更换，造成整个自动流水线停工停产，给国家带来了巨大的经济损失。因此，解决这一问题，能节约大量人力，能源和材料，在经济和技术上有着重大的现实意义。

  运输链上的轴承是在低速、高温、重载荷及连续三班制的条件下工作的，用进口膨润土润滑脂润滑。通过一系列分析研究，发现运输链上轴承的失效形式有以下几种：

  为了减少轴承表面摩擦和磨损，采用表面处理工艺代替脂润滑。目前，国内外发展大量新型材料和表面处理方法，如化学沉积法、物理气相沉积法、离子氧化、离子溅射、高能激光热处理等。鉴于运输链上轴承的失效形式及工作环境，最终选用自润滑Cr——氟化石墨复合电镀表面技术。

  Cr——氟化石墨复合电镀工艺，即以金属Cr镀层为骨架，夹带镀入微粒氟化石墨的方法。Cr——氟化石墨复合镀层具有金属Cr基体和分散粒子氟化石墨两种材料组合性能，因而优越于金属基体Cr和分散微粒氟化石墨单独具有的性能。

  基体金属Cr具有硬度高、耐磨性好、抗氧化腐蚀及耐高温等优点。分散粒子氟化石墨是一种层状结构，拥有非常良好润滑性的固体润滑剂。根据资料介绍，氟化石墨到400℃高温时，仍拥有非常良好的润滑性，摩擦系数比石墨低，且耐磨性也很好，能承受的PV值也很高。因此Cr氟化石墨复合镀层具有优良性能，具有耐磨、抗腐蚀、减摩、抗胶合和抗疲劳等性能。用Cr氟化石墨复合镀层代替脂润滑，不仅提高了轴承寿命，而且可将因磨损而报废的轴承，经复合电镀处理后再生。

  Cr氟化石墨共沉积比Cr与其它粒子共沉积难。因为氟化石墨是一种表面及低的材料，有机熔剂和水很难润湿它的表面。选用一种添加剂，将氟化石墨微粒表面由憎水性变为亲水表面，从而为镀液所润湿。添加剂本身带正电，吸附在氟化石墨表面上，使氟化石墨微粒带正电，保证与Cr共沉积。添加剂入镀液中，还可以式镀液表明产生一种稳定而致密的泡沫层，不但抑制了铬酸的蒸发，而且还抑制了铬物的产生，避免了有毒物质的环境逸散，改善了工人的劳动条件，控制大气污染。

  沉积后，镀层中氟化石墨分布均匀，通过波谱面扫描和线扫描证明这一点。镀层表面光洁，内部晶粒组织细小，均匀。

  1） 在润滑条件下摩擦磨损试验：采用环块试验机，环和块均是GC15钢，试环φ29.24×12.7（mm），试块12.35×19（mm）。试环转速为800r/min，载荷8Kg、时间10min、机油润滑，试块上镀层的厚度为30μm。

  2）无润滑剂条件下摩擦磨损试验：实验采用MM220摩擦试验机，该实验在滑动摩擦、滚动摩擦、滚动和滑动复合摩擦和间歇接触摩擦状态下的耐磨性试验。上试样φ16+0.019（mm）、下试样φ16+0.019（mm）、上下试样均用GC15钢，上试样转速360 r/min，下试样转速400 r/min，试样之间带有10%的滑率，载荷5Kg，时间30 min，下试样镀层厚度为30μm。

  当测定磨损率时，每次却使用一对新的试样，并在使用一段时间试验之后，利用形貌仪测定磨痕宽度，再按磨损体积（Vw）与摩擦形程计算磨损率（w）：

  有润滑剂存在摩擦磨损实验表明，摩擦系数不因镀层中氟化石墨的含量增加而减少，基本上保持不变。因为润滑剂存在吸附在摩擦副表面，形成了边界润滑膜，边界润滑膜能起到润滑作用，同时限制了镀层氟化石墨润滑性能摩擦系数的大小取决于边界膜内部的剪切强度，与干摩擦相比，摩擦系数小得多。磨损率随镀层中氟化石墨含量增加而增加，硬度随镀层中镀层中氟化石墨含量增加而减少，此外，镀层越高，耐磨性越好。

  经干摩擦实验摩擦系数随着镀层中氟化石含量增加而减少。磨损率随着镀层中氟化石墨含量增加而增加。当摩擦副适当地配合，便可形成氟化石墨减摩膜。摩擦面间的氟化石墨减摩膜通过磨削产生较大的氟化石墨屑，在进一步的辗压中，氟化石墨片变薄并铺展开而覆盖更多的接触面。经过磨合阶段，接触表面因一些凸峰点被磨损掉而变得平滑起来，氟化石墨膜逐渐形成。镀层氟化石墨膜分布均匀，可源源不断地向表面提供氟化石墨片，从而使减摩膜能够稳定地发挥固体润滑作用。镀层氟化石墨含量越大，摩擦表明产生的减摩膜越密集，覆盖面积越大，因而减摩效果越好，摩擦系数越低。磨损率不取决于摩擦系数大小，随着硬度升高，耐磨性增强。

  Cr——氟化石墨镀层拥有非常良好减摩和耐磨性能，表面硬度较高。用Cr——氟化石墨镀层替代轴承的脂润滑，克服轴承的润滑脂失效，高温疲劳失效和腐蚀磨损，提高轴承的常规使用的寿命，减少更换次数。采用复合电镀工艺时，要注意将轴承内外套圈和滚动体拆开，清除内部的润滑脂，增大轴承内部的间隙。滚动体电镀之前要经过除油处理，确保镀层与滚动体基本金属结合牢靠，镀层的厚度大约20μm，经装配后，轴承运转正常。

  热轧机是无纺布厂的关键设备，而轴承是影响该机正常运作的重要部件。过去一直用金属滚珠轴承，由于润滑脂不耐高温，只能在180℃以下使用，若在270——300℃温度下运转，运行不到10天轴承就易损坏，频繁更换轴承既影响生产，又增加维修量，增大成本。过去曾采用过高温润滑脂润滑轴承，一般在200℃时润滑脂就失效，目前很难找出一种耐高温的润滑脂。因此，高温轴承的润滑成为无纺布热轧机的一大难题，只有寻求一种耐高温、自润滑、耐磨，能在干摩擦条件下使用的轴承才能解决这一问题。碳石墨轴承具有自润滑、耐高温、线线胀系数小，摩擦系数低，在干摩擦条件下可不用加润滑等特点。经过一年多来的实际运行实验证明：用碳石墨轴承代替金属滚珠轴承，可满足上述工况条件。它简化了结构，减少维修，寿命长，降低了成本，收到了良好的效益。

  此外，该热轧机的热油泵密封环，旋转接头等部件都在300℃左右温度工作，过去用塑料件密封，磨损大。1994年开始采用耐高温的浸锑石墨材料作密封件，不容易损坏，效果十分理想，保证了设备的正常运转。

  热轧机上用的输送导热油的密封件和旋转接头，在高温条件下运转时间短，容易损坏，其问题大多是密封件不耐高温，磨损大。要解决这一问题，即是要解决高温润滑和蜜蜂问题。从轴承的使用工况来看，转速不高，30r/min；压力为2.5——3Mpa；温度270——300℃；加热油的介质为高温油；轴承尺寸为直径180/110×60mm；与不锈钢对磨。分析上述工作条件，属于低速、重载、高温、干摩擦的使用工况，其中温度是关键。密封件要耐300℃的高温，转速3000r/min，压力2Mpa，这种高温、高压、高转速的工作条件，一般塑料、橡胶材料很难胜任。而碳石墨材料具备耐高温、耐磨、自润滑等优点，可完全胜任上述工况条件。但从耐300℃高温导热油、干摩擦、耐磨等条件考虑发，选用机械强度、硬度较高的浸锑石墨材料更为合适。因为浸锑石墨可耐500℃高温，在高速、高压、干摩擦、热油等条件下磨损小，有自润滑性、不需要加油润滑，也可在水、油、弱酸碱等介质下工作，因此，采用浸锑石墨是比较理想的。下面选用牌号为M120D的浸锑石墨作轴承，M169D作密封件，产品性能如表1。在MM——200型试验机上作摩擦磨损实验，其摩擦系数为0.08——0.16；磨痕宽度为1.9——5mm。摩擦磨损实验条件见表2，实验结果见表3。

  用石墨作滑动轴承代替金属滚动轴承，要注意轴承与轴的配合尺寸。金属滚动轴承与轴为紧配合，改为石墨轴承后则为动配合，其间隙0.07—0.10mm为宜。一般是石墨轴承不动，轴转动。根据摩擦学原理，只有当2个摩擦物表面硬度接近完全一致时，其摩擦值最小；石墨与金属在摩擦过程中其表明产生一层薄膜，可降低摩擦系数，减少磨损。因此，选择石墨材料型号时，其硬度与轴一致或低一些为好。石墨轴承的工作表面粗糙度要高，最好用磨床精磨，以减少轴承于轴之间的摩擦力。

  我厂与成都无纺布厂合作，用4个规格为φ178/φ110×60mm的M120D浸锑石墨装在热轧机上作试验，轴承与轴的间隙为0.03——0.07mm。因石墨轴承与轴为滑动接触，面积大去，摩擦力小，而带动轴转动的电机功率小，只有5.5kw。空载时可以转动，当加载时，轴就转动不了。根据该厂的现场情况，增大电机功率，一时难以实现，因为不但要增添设备技改费用，而且生产场地也要改造，工作量很大。为了试验能接着来进行下去，我们抓住主要矛盾，减少轴承与轴的摩擦力。首先，在热轧机的左方，即高温区用浸锑石墨轴承，右边低温区用原来的轴承。结果，空载运转正常，加载后，也正常行半年多时间，轴承基本上没有磨损，累计运行一年时间，磨损0.77—1.0mm。因轴承下方受力，造成偏磨，将内圆从新车圆，还可使用。根据运转时轴承与轴之间间隙过大的情况，我们将轴承尺寸改为φ1800 0+0。03/φ110+0.20×60mm，同时对热轧机传动部分进行适当改造，简化传动结构。后来，调整了带动轴转动的电机功率，增大到11kw，通过减速器直接带动轴承，效果更加好。与此同时，还将该系统输送导热油的油泵密封和旋转接头也改用浸锑石墨材料，其牌号为M169D，同时取得了满意的效果。

  耐高温、耐磨自润滑性好的浸锑石墨在无纺布热轧机上试验成功，证明了石墨轴承在高温、干摩擦条件下工作是可行的；用作高温、高速导热油密封件是有效的。为了逐步扩大使用，建议在现有的基础上作一些改进。

  1） 石墨轴承内孔要磨光，与轴的间隙在0.07—0.10mm教适应，石墨轴承外圈装一金属套，用定位销固定在轴承座上，只让轴转动，轴承不动。

  2）加热两个滚筒的导热油粘度不要太高，若年度太高，在运转过程中往往有油外溢，容易结块，影响的轴的正常运转。采用较低的变压器油，，可减少轴承与轴的摩擦。

  3）减少轴承与轴的接触面大，因而摩擦力也大。为降低摩擦力，可在轴承的内径雕槽，减少轴承与轴的接触面。4）轴衬表面应不易生锈，否则大幅度的降低轴承的寿命。与此相反，在轴衬表明产生石墨膜，则是有利的，石墨膜具有润滑剂的性能，它延长了轴承的寿命。

  5）经济效益。用石墨轴承代替滚动轴承，产生了明显的经济效益。一年可节约10万元左右。综合经济效益是很可观的。

  6）注意轴承的装配。在干摩擦的条件下，轴承的磨损是摩擦和发热引起的，因此，轴与轴承的间隙不要太小，否则磨损产生的灰尘不易跑掉，会卡住机器。另外，装配时不要太用力敲打石墨件。因为碳石墨系脆性材料，不象金属那样可以随意敲打。石墨的抗住压力的强度大2倍左右，在设计时要最大限度地考虑这一点。只要小心安装，合理的安装，石墨件可以胜任很多工况条件，常规使用的寿命长。

  1）碳石墨是一种具有自润滑性、耐磨、耐高温、摩擦系数低、热线胀系数小的固体润滑材料。

  2）浸锑石墨材料的机械强度、硬度、耐温性和耐磨性比一般石墨更好，由其制作的轴承可在高温、低速、重载、干摩擦条件或高温、高速、高压；水、油、弱酸、弱减等介质中使用。

  3）浸锑石墨不但可在无纺布热轧机上作轴承，而且可在类似工况的高温热油泵、旋转接头作密封件，并可进一步推广到各种潜水电泵、机械密封、各种流量仪表轴承等部门应用。

  压水核反应堆控制棒驱动机构式是整个反应堆系统中少数几个活动不见之一，它的性能与反应堆的安全运行很有密切的关系，而该机构中的轴承又是关键的零件。该轴承处于高温（大于260℃）、高温（14.5Mpa）、强磁场、强氧化和强辐射去离子水的环境中工作；额定转速为80r/min；承受的轴向载荷为600～1500N；要求轴承寿命总转数为1.6×105r。

  研究制造满足上述工况条件、性能好的轴承，是整个核反应堆动力建造中最重要的问题之一。然而在这种苛刻的条件下工作的轴承不能采用通常的油或油脂进行润滑；由于存在强辐射，也不能采用有机物类的润滑剂。为此必须研究一种新型的固体润滑复合材料，使其具有较高的机械强度、能抗腐蚀、耐热、抗辐照并能抗冲击等性能，以满足轴承在这种工况条件下的润滑要求而能正常工作。

  本研究以镍铜为骨架，石墨为固体润滑剂，采用粉末冶金复压复烧的方法制作而成高温水自润滑复合材料（以下简称N90自润滑材料），用该材料做成轴承保持架，以此实现轴承转移润滑。图1为转移润滑原理示意图。轴承在运转时，钢球与自润滑材料保持架在兜孔处不断地摩擦，钢球表面先形成固体转移润滑膜，然后再转移到内、外圈沟道上。当球在沟道上运动时，这层固体润滑膜就会起润滑作用。另外，保持架引导面磨下来的固体润滑剂也转移到摩擦面上，可不间断地形成连续的固体润滑膜；当转移与反转移处于相对来说比较稳定后，摩擦面已形成一层均匀固体润滑膜，进而达到润滑轴承的目的，保证轴承的正常运转。

  镍是一种不太活泼的过渡族元素，在常温下不受空气和水的作用。当空气中温度达到500℃时才有轻微的氧化，在360℃时有磁性转变，具有较高的强度和良好的特性。镍与很多元素能组成二元和三元的连续固溶体。这些固溶体拥有非常良好的机械性能和物理性能，镍的这些良好性能是N90自润滑材料选其作为基体材料的主要是根据。铜和镍在元素周期表中的位置很接近，电化学性质相似，原子半径差不超过20%，且均为面心立方晶格，它们二者能形成无限溶解的二元固溶体。Ni-Cu固溶体拥有非常良好的抗腐蚀和抗老化性能和抗冷热变形性能，具有相当膏的强度和耐热性，其显微组织中具有很多孪晶。由于孪生以后新位向的出现有利于滑移，因此增加了晶体的塑性。镍铜合金的形成，使基体材料的耐热性和抗腐蚀和抗老化性能得到了基本保证。

  作为理想的固体润滑剂应具有以下的性能。（1）在滑动方向上要有低的抗剪切强度，而在受载荷的方向上则要有高的屈服点。

  （2）对底材的附着力要超过滑动时出现的切向力，以免润滑剂从底材上被刷去。（3）粒子间要有足够的内聚力，以建立起足够厚的膜来防止表面凸峰穿透和能够贮存润滑剂。

  （4）粒子的尺寸在低抗剪切强度方向上应最大，这才可能正真的保证粒子在滑动表面间能很好地定向。

  （5）与相对滑动表面有适中的相容性。（6）在宽的温度范围内有足够的化学稳定性。

  目前国内常用的固体润滑剂有石墨、MoS2、Wse2、NbSe2、氟化石墨、氮化石墨、氮化硼、聚酰亚胺和聚四氟乙烯等。实际上，石墨和MoS2是被广泛采用的固体润滑剂。但MoS2在水蒸气和其他气体吸附层的存在下会因摩擦系数显著增大而失去润滑作用。石墨具有六方晶系层状结构，呈鳞片状，内层原子结合力强，层间原子结合力弱，比重小，在大气中540℃下可短期使用，在426℃可经常使用，化学稳定性高，有一定的抗辐射能力。石墨在镍、铜中的溶解度非常小，镍和少量的碳形成固溶体可提高材料的硬度和强度，其余碳以石墨形式存在材料中，可保证润滑效果。石墨的优异性能是作为N90自润滑材料润滑剂的主要是根据。N90自润滑材料的主要成分见表1。表1 N90材料的主要成分

  在将准备好的镍粉、铜粉和石墨粉按N90材料的组成混合时，为避免在混料中粉末因机械滚压作用而结成团状，造成混料不均和成分偏系，采用了不锈钢小方块加部分球作为混料介质，再选择合理混料工艺参数，因而能够得到均匀分布发混合料。

  钢模冷压成形法和等压成形法是N90材料的主要成形法。钢模冷压成形法最简单，适用于实验室样品和小型制品的压制。等静压成形法是根据帕斯卡的“密闭流体能传递压强”的原理，将混合粉末密封在橡皮模或软质塑料模内，然后放入液体中，给液体施加压力进行成形。等静压成形法适用于压制形状较为复杂、尺寸较大的毛坯。N90自润滑保持架是将两种方法结合使用而制成的。

  烧结是制备N90材料的关键工序之一，材料的品质的好坏是受温度、保温时间、炉内气氛、升温和降温速度的影响。该材料是在真空中进行烧结的，其温度一时间曲线所示。

  采用补压的方法，可在不降低材料的自润滑性能的前提下提高材料的强度、硬度和耐磨性。对于N90材料，预先用250～300Mpa的压力对混合料进行预压成形，经线Mpa的压力进行补压。补压大型毛坯时，由于所需总压力高，在设计压模时，为保证安全要进行强度计算，阴模外景可按拉姆公式计算。经补压以后的N90自润滑材料由于存在内应力，表面硬度偏高；为了消除压力，降低硬度，提高韧性和便于机械加工，需进行线自润滑保持架材料主要性能数据列于表2，金相组织见图3。

  图3 N90自润滑材料的金相组织（腐蚀液：HNO340%+冰醋酸30%+水）

  为使该材料具备最佳的综合性能并获得相应的最佳制造工艺，这篇文章着重研究了石墨加入量对材料的力学性能的影响，并测定了石墨含量与摩擦系数的关系，其材料的硬度（HB）、抗弯强度和摩擦系数与石墨含量的关系见图4和图5。由此可见，材料的力学性能和摩擦系数随石墨含量的增加均有降低。该材料的润滑性能主要根据石墨，但石墨含量不能过高，否则会沿晶界析出石墨，使材料变脆，硬度、强度随之下降；若含量过低，则磨损严重，降低材料的自润滑性能。因此，正确选定润滑剂的含量是很重要的；N90材料通过试验，当润滑剂加入量控制在占整个体积比25%左右，材料的综合性能最好。

  采用铁姆肯摩擦磨损试验机、选用6.25N的载荷，测定速度对该材料的摩擦系数和磨损率的影响；在2m/s的速度下测定了载荷对摩擦系数的影响；在同样的条件下研究了时间的影响，其结果分别见图6、图7和图8。

  由图可见，N90自润滑材料的摩擦系数随速度的增加而下降，随载荷的增加而升高；而摩擦系数随时间的延长变化不大。其磨损率随速度的增加、载荷的提高和时间的延长均有增加的趋势。

  N9O自润滑材料中的Ni和Cu元素，点阵类型相同，原子大小相差不大，且有相近的电动势，故可以在整个合金系的成分范围内形成连续固溶体，其晶体结构仍保持着基本组分Ni的面心立方结构；但纯Ni点阵中的Ni原子可被Cu原子置换而形成置换固溶体，达到强化合金的目的。图10和图11为Ni-Cu连续固溶体的薄膜衍射衬象和电子衍射花样，发现有超点阵结构，说明其固溶体为完全有序固溶体。图12、图13和图14分别为石墨晶体的薄膜衍射衬象，电子衍射花样和指数标定图。选区衍射分析证实石墨系六方晶系，它的层状结构使其具备优秀能力的润滑性能。

  为了考核材料在高温水中的耐腐蚀和抗老化性能，对该材料来了耐腐蚀试验，试验设备为静态高压釜，试验条件为：水质为去离子水、Ph=7，温度为250±5℃；压力为5.0MPa；试验时间为10 000h，试样做成10mm×10mm×50mm。试验后该材料的腐蚀速度和冲击韧度与时间的关系见图15和图16。

  由图15可知，该材料的腐蚀速度跟着时间的增加而连续降低，说明其材料在高温度高压力水中形成的耐腐蚀膜是致密而结实的，而且在一定厚度还可以有效的预防继续腐蚀基体材料的作用。由图16可见，该材料在长期耐腐蚀试验中，跟着时间的延长，材料的冲击韧度开始下降较多，在4000h以后，曲线变为平稳，下降极小。这就进一步证实该材料在高温水中耐蚀性能好。观察腐蚀试验后样品表面，可以观察到均匀一致的氧化薄膜存在，并粘附较为牢固。

  在高温水中工作的轴承需要承受一定的载荷和冲击力。因此要求作为保持架达到N90材料要具有一定的强度；也就是说，在制备该材料时，必须使其得到一定的组织架构而获得强化。N90自润滑材料加有合金元素铜，经烧结后形成镍、铜固溶体。由于镍铜合金存在有反向畴界时，要增加反向畴界的面积，因而有显著的强化作用。图17为反向畴界的薄膜衍衬象。通过透射电镜分析，同时还发现该材料中有堆垛层错，其衍衬象呈平行的干涉条纹，如图18所示。堆垛层破坏了晶体能量的升高，它对材料的性能有较大的影响，镍的位错能约为铜的位错能的3倍。根据位错能约为铜的位错能只能在所属的（111）面上滑移，扩展位错交滑移前，必须首要束集，如果层错能小，位错扩展宽度大，束集困难，位错交滑移也困难。此外，扩展位错交割时一般也需要先形成束集，同样层错给位错交割过程添困难。N90自润滑材料，当Ni-Cu形成合金时，使层错能降低，位错扩展成为大面积时，层错好比一堵墙，使其它运动的位置在层错前塞积起来，成为位错运动的障碍物，这些位错只有切割层错才能通过，因而不得不付出必要的能量。这就使得材料基本得到强化。

  将N90自润滑材料加工成滚动轴承实体保持架，与G52#合金材料做成的内、外圈和滚动体组成轴承，在模拟机上，采用压水核反应堆的工况条件，对轴承和保持架材料来了寿命试验。达到主机寿命要求后，拆机检查轴承各零件。

  轴承内圈、外圈和球在高温度高压力水中进行寿命考核后，内、外圈的沟道和球的表面上均附着一层牢固的连续固体润滑膜；轴承基本上仍保持原有精度等级。所以，可以认为，这种自润滑保持架用于轴承制造中，通过转移润滑方式，在球和沟道面上形成固体润滑膜，来保证轴承的良好润滑状态和常规使用的寿命。N90自润滑保持架材料已在压水核反应堆中获得了实际应用。

  1）在高温度高压力水条件下，N90自润滑材料的自润滑性能好，摩擦系数低、磨损量小，加工成保持架，配装于滚动轴承，通过转移润滑能实现润滑轴承的效果。2）N90自润滑材料提供的转移固体润滑膜能与G52#合金材料牢固附着，经长期运转后，摩擦表面无擦伤现象。

  3）N90自润滑材料通过强化后，机械强度高，抗冲击振动和抵抗腐蚀能力能良好。作为高温水轴承保持架能满足核反应堆驱动机构对轴承的各项技术方面的要求。4）该材料已在工程中获得了实际应用其轴承性能，尤其是抗腐蚀、抗辐照、无磁自润滑性能和长寿命优于至目前为止在主机中曾用过的同类轴承。