石墨軸承的潤滑基理、分類和性能分析

1、前言

軸承是機械工業中常用的一種滑動機件。石墨軸承是隨著機械設備的性能要求
，在金屬軸承的基礎上開發并發展起來的炭質軸承。炭質軸承有不同于金屬軸承的
特性，如自潤滑、耐高溫、耐腐蝕、質輕等。隨著科學技術的發展，人們又開發了
陶瓷球軸承、炭化硅軸承等，石墨軸承也得到了進一步的拓展，制造出了青銅石墨
含油軸承、鑲嵌石墨軸承。為各種工況條件下的軸承選擇提供了更大空間，滿足了
不同技術條件的要求。另外，炭復合材料軸承由于它的可設計性和特有的材料功能
將是今后軸承材料的發展方向。石墨軸承有著一定的發展基礎和應用市場，在此基
礎上進一步研究炭石墨軸承、青銅石墨含油軸承、鑲嵌石墨軸承有利于炭石墨類軸
承的發展，因為石墨軸承在制造工藝上和技術性能上都有其獨特的方面，在今后的
發展中有一定的擴展性，在此做進一步分析研究，為的是得到進一步開發，在應用
中得到更加廣闊的市場。

2、石墨軸承的潤滑基理、分類和性能分析

從碳原子結構分析石墨材料的潤滑性。石墨材料本身就存在潤滑性能，這是石
墨的晶體結構所決定的。石墨的潤滑性能除晶格的特定原因有先天可供潤滑的結構
外，就是水和空氣對它的良好潤滑作用的發揮。水和空氣的存在使石墨的工作面上
吸附了水和氣體分子，增大了石墨互相滑動的解理面間的距離，從而減弱了它們間
的結合力。

軸承有滾動軸承和滑動軸承之分，材質上又有金屬、非金屬、復合材料之別。
石墨軸承多用于滑動軸承，滑動軸承又分為徑向軸承和止推軸承。文中主要對炭石
墨軸承、青銅石墨含油軸承和鑲嵌石墨軸承進行分析。

石墨軸承以石墨材料為主要基材，應用于食品、飲料、紡織、化工等工業部門
中的運輸機、干燥機、紡織機、潛水泵電機等軸承方面，這些部位如用油脂潤滑劑
不可避免會引起污染，而石墨軸承的自潤滑性很強，耐腐蝕，可不使用潤滑油而進
行長期運轉。石墨軸承的磨損與載荷、溫度和速度的平方成比例，當壓力為0--0.
49MPa時，各種材質的石墨軸承均能滿足需要。為了提高制品的機械強度，特別是
為了提高耐沖擊韌性，常用一些耐磨性能好的易熔金屬進行浸漬處理。浸銻石墨軸
承允許的工作溫度可達500C，銻與銅對磨時不易沾著，在大負荷和快速的情況下工
作，其耐磨性能可提高2--3倍。石墨材料的強度隨溫度升高而增加的趨勢一直保持
到2600C左右，在高溫時強度是室溫的3倍。滑動軸承存在著兩種摩擦形式，即靜摩
擦和動摩擦，一般炭石墨軸承的靜摩擦比同樣情況下的金屬軸承要小一些。普通炭
石墨軸承在干運轉情況下，動摩擦系數在0.08-0.3之間，濕運轉情況下由于存在著
邊界潤滑，所以動摩擦系數一般在0.01-0.1范圍內。在炭刷與換向器的摩擦中，換
向器表面可產生一層褐色、深紫色、淺蘭色的薄膜，這層薄膜可起潤滑過程中的保
護作用。分析可知，這層薄膜主要由兩部分組成，其一是與金屬結合在一起的金屬
氧化膜和金屬氫氧化物，稱為氧化薄膜。其二是炭素薄膜，在運行過程中的炭塊上
剝離下來的極其細小的炭、石墨粒子、炭塊材料中所含的不純物、空氣中浮游的塵
埃以及被吸附的水分和氧所組成。由此可見，保護膜的形成可起更好的潤滑作用，
但也離不開水分和氧的環境。滑動軸承具有普通機械零件之間滑動接觸的特征。除
摩擦、磨損發熱外，還要有一定的機械強度。雖然可對石墨軸承材料進行浸漬處理
以增強其機械強度、抗沖擊性，但在較大的載荷條件下，往往仍達不到所要求的機
械強度，從而人們開始用粉末冶金方法制造青銅石墨含油軸承。

青銅石墨含油軸承采用粉末冶金法制造，在保持原有石墨軸承的主要特征外，
增加了機械強度。自承重軸承一般使用鉛青銅或錫青銅/石墨基。銅/鉛/石墨軸承
能耐極高的轉速。鉛、錫/銅主要用來合成鉛、錫青銅，以增加制品的機械強度。
加入過量的錫和鉛是不必要的，一般加入量在5%--10%(重量)范圍，過量的鉛、錫
將顯著降低制品的機械強度。

粉末冶金法制造青銅石墨含油軸承采用銅粉/石墨粉，經混合、壓型、燒結而
成，選用呈樹狀結構的電解銅粉，其最大特點是經高溫燒結之后能使軸承具有均勻
的網體結構和開放性孔穴。潤滑油可充滿軸承所有孔穴，并和軸承中的固體潤滑劑
--石墨形成潤滑性能很高的石墨膠體潤滑劑。當機械運轉時，軸承因摩擦升溫而膨
脹導致孔穴容積縮小，加之潤滑油亦因受熱膨脹而溢出，起到了對軸與軸承間潤滑
作用。當停止運轉后，溫度降低孔穴和潤滑油恢復原來狀態，油便被重新吸入孔穴
，從而形成了自動潤滑現象。在萬一油量不足的情況下，石墨也可以單獨地擔當起
潤滑作用，仍可保持軸承有較低的摩擦系數和較好的耐磨性能。隨著軸承載荷要求
的進一步提高，青銅石墨含油軸承也難達到要求，隨后人們又開發出了鑲嵌石墨軸
承。

鑲嵌石墨軸承的制造是以金屬材料為基體，它的機械強度基本取決于采用的金
屬材質的機械性能，石墨作為一種固體潤滑材料鑲嵌在軸承的摩擦面金屬基體上，
用于軸承工作狀態下的潤滑材料，但石墨也有含油效果。石墨的鑲嵌可采取二種方
法，一種是熔融金屬液澆鑄法，另一種是在金屬基材上先按照一定的排列方式加工
一些孔洞，然后將固體潤滑劑嵌入其中，鑲嵌石墨軸承的抗壓強度、抗折強度、熱
膨脹系數一般取決于基體金屬材質。但鑲嵌石墨軸承的強度大大提高，可在重載荷
下運行。

3、石墨軸承的設計與制造

炭材料結構的多樣性來源于炭/炭原子間化學鍵合的多樣性，由此也提供了炭
材料的可設計性。石墨軸承由于它的生產工藝和原材料的可設計性為設計與制造提
供了一定空間，從而可制造出性能各異，適用于多種技術條件和使用環境的石墨軸
承。

PV值是軸承設計時的重要參數
PV=P.V
P--單位面積載荷壓力，MPa；
V--軸的線速度,m/s。

PV值超過各種材料的極限值時，就會引起異常的升溫和磨損，一般設計要留有
余量，參考PV值應在極限值的50%--70%。在實際工作中，軸承的運轉因環境不同又
有干運轉和濕運轉之分。在干運轉的情況下，石墨軸承允許的最大載荷受到軸承的
強度和允許的磨損速率的限制。其允許的最大線速度則受到軸承摩擦面上所產生熱
量的限制。而磨損速率又受到軸承材質、軸和軸承表面加工情況、載荷、速度及周
圍介質等條件的影響。在干運轉的情況下，軸承允許的PV值還直接受到軸承材質的
影響，在高溫下允許PV的值必須比低溫時要小得多。當軸承浸在液體里或者是液體
所噴濺的情況下(濕運轉)，其摩擦和磨損可大大降低。加之液體能夠幫助逸散因摩
擦而產生的熱量，這樣就大大提高石墨軸承允許的PV值，在實際條件下濕運轉允許
的PV值可能較干運轉時高出近百倍。

石墨軸承設計種類有圓柱形、圓柱代凸緣形、圓形、特殊結構，但從石墨軸承
的強度考慮，炭軸承的厚度必須比金屬軸承大，厚度以內徑的1/5-1/7為合適，最
小限度為3mm以上，軸承的長度是內徑的2倍以上。軸承運轉時溫度將會升高，運轉
間隙，可根據軸和軸承的熱膨脹來決定，一般是軸徑0.3%左右。

炭石墨軸承的制造工藝與其他炭制品大致相同，基本工藝過程包括：原料的選
擇、原料的預處理、原料的破碎、篩分分級、顆粒狀與粉狀材料的配料、粘結劑的
選擇、混勻、混捏、輥壓、磨粉壓制成型、焙燒、人造石墨制品還須石墨化處理，
浸漬、機械加工等，部分石墨軸承為了增加機械強度和抗沖擊性，還需金屬(如銻
、銅、鉛等)浸漬，最終達到所要求的技術性能，再進行機械加工成所要求的幾何
尺寸。

青銅石墨含油軸承的生產用粉末冶金方法，新型青銅石墨含油軸承為了增加軸
承的載荷，加入了鐵粉，具體制法是采用粒徑小于175um的青銅合金粉末和粒徑小
于85um的鐵粉，加入少量煤油或機油制成混合物，再添加適量小于75um鱗片狀石墨
粉、二硫化鉬等，經混合后采用冷壓制取坯料，并在780C-895C的溫度下燒結而成
。其他青銅石墨含油軸承制造工藝與以上工藝大致相同，選擇粉料、混合、壓形、
燒結、整型。一般青銅石墨含油軸承主要參數：假比重5.5g/cm3--6.0g/cm3，徑向
破壞強度一般不小于2.5N，體積浸油率20號機油不小于15%。

鑲嵌石墨軸承有兩種制造方法。一是澆鑄法，將已加工好幾何尺寸的石墨滑塊
按設計分布在澆鑄模中后，用熔融金屬液澆鑄而成，后經機械加工達到所需尺寸。
二是在金屬基材上，按照一定的排列方式，先加工一些孔洞，然后將以石墨、MoS
2及粘結劑按一定比率均勻混合制成潤滑劑，固化在孔洞中，經加工后達到所要求
尺寸，鑲嵌石墨軸承的抗壓強度、熱膨脹系數，一般取決于金屬材質。例如M551鑲
嵌石墨軸承載荷50MPa，使用溫度500C，PV值5MPa.m/s，適用于低轉速/重載場合，
對粉塵污染等惡劣環境適應性強。

4、討論

綜上所述，對炭/石墨軸承進行了簡要研究與分析，由此證實了炭/石墨軸承的
優良特性，針對不同條件下特殊潤滑要求，可研究、制造出性能各異、適合各種條
件的滑動石墨軸承。目前在食品、紡織、印染、化工工業中的輸送機軸承、離心泵
軸承、潛水泵軸承、齒輪軸承和汽車、航空、農業機械等方面都不同程度地得到了
應用。

此外，對其他適用場合也作了初步探討。如用于自行車的石墨軸承也有待于開
發。中國是個自行車大國，開發自行車用石墨軸承將是一個巨大的潛在市場。試想
自行車中軸、叉架、腳蹬等處滑動軸承都是線速度要求不高、平時又很少加潤滑油
的滑動處。這些軸承(滑動件)大都是標準件，很適合大批量生產，如此還可大大降
低生產成本。再有照相機用滑動軸承，照相機的傳動部件不準經常充注潤滑油，采
用石墨軸承是理想的材料之一。除直接開發石墨軸承外，利用石墨的潤滑性、多孔
石墨的儲油性等特點制造滾動軸承球架給軸承提供良好的潤滑質，由此可保證長時
間為軸承潤滑，這也是開發石墨潤滑的一個思路。

再者，可在炭材料的改性方面作進一步的研究，開發拓展一些新材料。如采用
碳合金法，對炭質材料的表面和本體進行化學改性，其結果必將影響所得材料的結
構和性能，極有可能開創出新的功能材料用于潤滑石墨軸承的制造。再如炭化硅軸
承的研究，它有較強的硬度、耐高溫等特性，但成本很高還沒能推廣。用粉末冶金
法這一傳統方法制造軸承，如能進一步提高抗壓強度和精度也是有較大發展的。

炭石墨軸承有著強大的生命力。在石墨軸承開發的同時再研究插層石墨、石墨
涂層軸承等新技術，擴大其研究與應用領域，石墨軸承將在今后得到更大、更廣、
更新的發展。






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