金属自修复材料在轴承上的应用

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关键词：轴承磨损自修复耐磨保护层

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    自改革开放以来，我国轴承工业的发展取得了举世瞩目的成就。自2000年起，按照轴承的年产量排序，我国成为继日本、美国、德国之后的世界轴承产量第四大国。轴承年产量已达20多亿套，年产值约240亿元人民币。其中出口量占总产量的50%以上，年创汇约7亿美元。近些年来，我国轴承产品在尺寸精度、旋转精度、振动噪声、寿命和可靠性等方面也都取得了明显的进步。但是国产轴承与国外轴承生产大国的产品相比，在品种上和质量上还存在着较大的差距。要进一步增加品种和提高质量，必须在轴承的设计、制造、材料、测试和润滑等综合技术上下功夫，需要有一个发展的过程。金属磨损自修复材料在国产轴承上的应用提高了轴承的可靠性，降低了轴承滚道和滚动体之间的摩擦系数，大幅度延长了轴承的使用寿命，使通用轴承向“无限寿命”新概念要求的方向前进了一大步，具有显著的经济效益。 8 F, f: | I* _& T

    一、我国轴承产品的品种质量概况： - N# z5 s5 D" t+ u& P1 y9 c4 ]

    1997年至1999年，根据国家质量技术监督局制定的“国家监督抽查产品目录”对滚动轴承进行产品质量抽查，三年平均合格率为68%。2000年抽查产品质量比1999年高出6个百分点，证明质量监督抽查管理工作取得明显效果。与轴承工业发达国家相比，国产轴承在品种和质量上的差距主要表现在：

    1、国产轴承品种少，产值低。轴承工业发达国家生产的轴承品种达15万个，我国生产的轴承品种仅2万余个，而且大多数为通用产品。国内轴承企业有2000余家，年产值的总和列在世界五大轴承公司（SKF、NSK、KOYO、NTN、NMB）之后，因此，我国轴承企业规模小，产值低，我国出口轴承平均每套价格只有0.4美元。 % G) o3 v& s3 k) g: K

    2、国产轴承尺寸精度公差的离散度大。虽然我国轴承在尺寸公差与旋转精度上取得很大的进步，接近国外名牌产品水平，但在尺寸偏差的离散度方面还存在着较大的差距。

    3、在振动、噪声和异常声方面，我国轴承的振动极值水平高出国外名牌产品10dB以上。以6202轴承为例，国外名牌产品为26dB左右，抽检国内18个轴承企业产品，其平均值为37.5dB。

    4、国产轴承的寿命和可靠度值仍较低。以深沟轴承为例，国外名牌产品的寿命一般大于计算寿命的8倍（最高可达30倍以上），可靠度达0.98以上；国产轴承的寿命一般为计算寿命的3~5倍，可靠度为0.96左右。 ; ~& f4 s0 o9 u$ l

    由于国产轴承在品种和质量上存在上述差距，作为轴承生产大国，我国日益发展的家电、汽车、纺织、机床等行业每年还不得不向国外进口大量轴承。进口的轴承产品主要是家用电器的低噪音及静音球轴承、长寿命汽车轴承、机床主轴轴承、高速铁路客车和货车轴承、高速纺织机械轴承等。1999年进口6.4亿套，2000年进口9.3亿套，2001年进口7.2亿套。见表1。 , i3 l& P8 D2 J+ S

    从国外进口轴承统计表(表1)

    轴承类别1999年2000年2001年应用领域 9 h" E& G, y/ q- d. ~

    数量(万套)价值(万美元)数量(万套)价值(万美元)数量(万套)价值(万美元) ; S; C( I9 V1 Y( e" `

    球轴承329471436442277201494995624016家电、机床纺织

    圆锥滚子轴承211480846826215957汽车 # _ f" r. f, t1 A: _: x

    球面滚子轴承243473211337362397矿山、石油机械 - A0 H+ z3 j* A, L/ L

    滚针轴承557721156979918251011汽车、纺织机械

    圆柱滚子轴承3418175610807223386104054机床、轧钢机 4 T5 p. g4 t+ \3 V

    其他滚动轴承266428546370139064182758867机床 8 u; i- H" _, \, E

    带座轴承305541235567263475纺织机械

    合计643243462492978445837150748989

    由于国产轴承的寿命短，使得轴承不能与机电设备同寿命，停机维护更换轴承，降低了设备的利用率和增加了维修费用。因轴承的可靠度低而产生的失效，引发了许多重大事故。轴承工业发达国家生产的通用轴承已开始使用“无限寿命”这一新概念，专用轴承也提出了与配套主机“同步寿命”和大修期内“零失效”的指标要求。因此，国产轴承还必须继续努力在提高产品寿命和可靠性方面下功夫。 * n& w3 \! x7 u

    二、“金属磨损自修复材料”增加轴承寿命和可靠性的机理：

    “金属磨损自修复材料”，是一组由羟基硅酸镁[Mg6（Si4O10）（OH）8]等天然矿石材料构成的复杂组分的微米级粒径颗粒材料。主要取之于天然矿石材料的这些组合物不溶解于润滑脂，不和润滑脂发生化学反应，不改变油的黏度和其他理化性质，无任何毒副作用，在常温下的化学性质十分稳定。当润滑脂作为载体将这些微粒材料带入轴承组合件中时，这些微粒材料在轴承转动中对轴承跑道和滚动体产生超精研磨作用，发生一系列物理的和化学的变化，改变了摩擦表面的金属微观结构。 ; H, x2 i! c/ q

    微粒材料在金属摩擦表面发生的物理变化是：滚动体在滚道内滚动中，在摩擦力的作用下，超细微粒颗粒被进一步碾碎，此时微小颗粒对金属摩擦表面产生超精研磨作用，有足够硬度的微粒的超精研磨作用造成金属表面微凸体断裂，使得轴承摩擦表面的光洁度进一步提高。 7 P: F8 ^3 B l* U+ M. @

    微粒材料在金属摩擦表面发生的化学变化是：在超精研磨中，微凸体断裂时产生的闪温使微粒晶体中镁原子与摩擦表面的铁原子发生置换反应，在铁基金属摩擦表面生成铁基硅酸盐保护层，亦称金属陶瓷层。这一铁基硅酸盐保护层是在金属表面微凸体发生断裂出现闪温时产生的，在非磨损部位上不产生摩擦热，不发生化学置换反应。因而这种铁基硅酸盐保护层的生成有选择性，它只会在轴承的滚动体和跑道的金属摩擦表面生成一层耐磨的保护层。轴承在转动中不断发生磨损，磨损产生的微凸体断裂和释放的热能使这种化学置换反应继续进行。当其表面生成一层金属瓷保护层后，使其表面光洁度提高、摩擦系数降低，磨擦产生的热能下降，化学置换反应也就停止。但是当这一耐磨保护层受到破坏时，金属表面的摩擦热急剧增加，新的置换反应又将开始，使耐磨保护层得到恢复。 % N. ^, b$ x: \3 c h

    目视可见，轴承滚道和滚动体上生成的金属陶瓷保护层乌黑发亮，有淡兰色金属光泽。 - ~4 Q3 m2 N+ E" h' O+ w( m

    经测定，这种耐磨的保护层有优良的力学和物理性能： " U& ~* w: \) i2 K+ {4 p1 ]% B, K

    摩擦系数μ：0.003~0.007

    显微硬度Hv：提高1倍 2 c. b. W, T: S( O

    表面粗糙度：达14级 & A. d4 n$ @$ z4 _

    膨胀系数：13.6~14.2（与钢相同） / u' j# j' n( h7 ]; ]) P

    耐高温：1575℃~1600℃

    耐腐蚀：优良 * I+ I0 X# G4 e1 z

    因此，在轴承润滑脂中加入微量“金属磨损自修复材料”后，轴承的使用寿命可得到大幅度延长，轴承的可靠性水平也得到相应提高。并且由于轴承的摩擦系数降低，可节省大量动力能源消耗。

    三、使用“金属磨损自修复材料”轴承的寿命试验情况： & G% x/ d% _9 s! \ P2 {6 }

    国家轴承质量监督检验中心受哈尔滨市政府经贸委的委托，对使用“金属磨损自修复材料”的6205轴承进行了寿命实验。对送检的24套轴承全部进行了达到一等品标准要求的3倍额定寿命试验，从中再任意抽取8套轴承进行了达到优等品标准要求的5倍额定寿命试验，而后再从中任意抽取4套轴承进行完全寿命试验。

    试验报告给出的结论是： 6 ?+ E! ?% q* s U

    1、经21倍额定寿命试验的轴承基本保持试验前的旋转精度。当试至3倍额定寿命时，旋转精度有所下降；试至5倍额定寿命时，旋转精度恢复到原始值。

    2、试至21倍额定寿命的轴承的径向游隙与试验前的径向游隙比较有少量变化。当试至3倍额定寿命时，游隙平均减少2.5μm；当试至5倍额定寿命时，游隙平均增大3μm（基本恢复到试验前数值）。随着试验时间的继续增加，轴承径向游隙有时增加有时减少，变化量很小。试至21倍额定寿命时，又基本恢复到试前数值。 5 r) C2 p$ c. ~" {- s5 J5 [

    3、轴承试至21倍额定寿命时，轴承套圈滚道和钢球表面乌亮，基本没有磨损。 ' K D$ T( A- Q# S

    4、“金属磨损自修复材料”在轴承中应用，能延长轴承的使用寿命。 8 [' F8 O, }/ |

    在轴承寿命试验过程中出现过下述情况：当试验进行到8倍额定寿命时，编号为SM21-024的轴承内圈滚道因生产时存在砂轮花状磨削烧伤而失效。对此，试验报告指出：通常轴承滚道有磨削烧伤的轴承在寿命试验时，达不到1倍额定寿命滚道就会发生剥落而失效。该轴承试验到了8倍额定寿命，这显然是“金属磨损自修复材料”起到了延长轴承寿命的作用。 0 {( Z& Q. f; n! w; b/ E* k

    在轴承寿命试验过程中，曾3次发生尼龙保持架熔化并流出，但轴承更换新的尼龙保持架后仍可继续使用。原因是：该润滑脂使用温度为80℃，在轴承寿命试验中因轴承连续运转温度升高而使润滑脂流失。在干摩擦下造成轴承温度进一步升高到超过254℃，从而使尼龙保持架熔化而流出。以往发生这种情况时，钢球和套圈会发生退火并粘结在一起，使轴承失效。但本次试验轴承套圈和钢球都完好无损，说明生成的金属陶瓷保护层发挥了作用，使干摩擦系数降低，干摩擦产生的热量不足以使钢球和套圈退火和粘结。

    详见国家轴承质量监督检验中心：“金属磨损自修复轴承寿命试验报告”（2003年2月）。 " P+ b2 z0 c g9 Z5 D

    受到试验经费的限制，6205轴承的寿命试验进行到21倍额定寿命而停止。 : f. A* ^, V' p5 @- b

    四、使用“金属磨损自修复材料”工艺措施的轴承的生产和应用情况：

    哈尔滨埃特轴承有限公司从去年以来对生产出的新轴承进行金属磨损自修复材料工艺处理，取得了明显的效果。 4 R. ~ y9 {" Q

    1、高速电机主轴轴承

    高速电机主轴轴承经过金属磨损自修复材料工艺处理后，提高了极限转速，在dn≤1×106转/分的转速下仍可使用脂润滑。 / b4 z$ K0 o7 p6 a* ~

    正常情况下当轴承转速dn≥0.4×106转/分时，必须采用油雾润滑。供油设备需要有空气压缩机、油路及高级定子油，在高压空气携带下向轴承内部喷油。油气从轴承一端喷入，从另一端喷出，逸出的油雾在空气中漂浮造成空气污染，使油耗增大，空压机用电量也较大，噪声亦大。用金属磨损自修复材料处理后的轴承，用脂润滑代替油雾润滑，完全解决了油雾润滑产生的不利影响，减化了供油的机械加工，节约了产品的制造成本。使用油雾润滑的轴承的使用寿命一般为2个月，经金属磨损自修复材料工艺处理的轴承，使用脂润滑其使用寿命可达1年。 5 k: i3 o3 l: N2 f

    2、数控机床主轴轴承

    数控机床主轴轴承用双联、四联角接触球轴承，该轴承经用金属磨损自修复材料工艺处理后，在装机使用中其精度、温升、噪声、刚度与“SKF”公司的同类产品相比没有任何区别。该机床已工作了一年多，其性能仍保持不变。 5 p4 v; Z0 H6 U( ]

    3、油田稠油泵轴承

    油田稠油增压泵轴承由深沟球轴承、圆柱滚子轴承、推力球轴承组成，工作介质为稠质原油，泵的使用寿命通常不超过3个月。而且油泵工作1周左右，泵效就开始下降，工作3个月泵效下降70%，噪音也较大，需停机维修。该轴承经使用金属磨损自修复材料工艺处理后，整机噪声由97dB下降到80dB，无异常音，泵效由53M3/h提高到63M3/h，电机输出功率下降17%。现已工作2个月，仍保持状态不变。 : y1 ?4 W& b3 t* `

    4、轧钢机轧辊轴承

    该轴承承受较重的载荷，大型轴承每套价格在1000~2500元左右，轴承使用寿命较短，一般为15~20个工作日，维修成本较高。用金属磨损自修复材料工艺处理该轴承后，寿命提高5倍以上，大大降低了维修成本。

    5、材轧辊导轮轴承

    轧线材轧辊导轮轴承的线速度为120米/秒，导轮转速15000转/分，轴承的寿命只有8小时。使用金属磨损自修复材料工艺处理后的轴承，使用寿命达到了40小时。

    6、无受力盲区自行车中轴轴承 6 y7 B# l i2 ]" ]" y" w7 J

    该自行车为运动员专用赛车。由于结构限制，要保证轴承的寿命，轴的直径不能加大，在使用中，经常发生中轴断裂事故。对该轴承使用金属磨损自修复材料技术后，轴承的承载能力大大提高，在轴承外径尺寸不变的条件下，使中轴的直径加大3mm，从而解决了中轴断裂的问题。由于中轴承摩擦系数降低，使运动员的成绩提高了6%。 ; E3 `# J3 ]' q8 X

    对轴承使用金属磨损自修复材料工艺处理，是自去年以来进行的一项开拓性的工作，应用的范围正在逐步扩大之中，所取得的效果是令人鼓舞的。上述应用项目仅是其中取得了准确数据的一部分实例。