金屬自修復(fù)材料在軸承上的應(yīng)用

　　 一、我國軸承產(chǎn)品的品種質(zhì)量概況： 
　　 1997年至1999年，根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局制定的“國家監(jiān)督抽查產(chǎn)品目錄”對滾動軸承進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量抽查，三年平均合格率為68%。2000年抽查產(chǎn)品質(zhì)量比1999年高出6個百分點(diǎn)，證明質(zhì)量監(jiān)督抽查管理工作取得明顯效果。與軸承工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，國產(chǎn)軸承在品種和質(zhì)量上的差距主要表現(xiàn)在：
　　1、國產(chǎn)軸承品種少，產(chǎn)值低。軸承工業(yè)發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的軸承品種達(dá)15萬個，我國生產(chǎn)的軸承品種僅2萬余個，而且大多數(shù)為通用產(chǎn)品。國內(nèi)軸承企業(yè)有2000余家，年產(chǎn)值的總和列在世界五大軸承公司（SKF、NSK、KOYO、NTN、NMB）之后，因此，我國軸承企業(yè)規(guī)模小，產(chǎn)值低，我國出口軸承平均每套價格只有0.4美元。
　　2、國產(chǎn)軸承尺寸精度公差的離散度大。雖然我國軸承在尺寸公差與旋轉(zhuǎn)精度上取得很大的進(jìn)步，接近國外名牌產(chǎn)品水平，但在尺寸偏差的離散度方面還存在著較大的差距。
　　3、在振動、噪聲和異常聲方面，我國軸承的振動極值水平高出國外名牌產(chǎn)品10dB以上。以6202軸承為例，國外名牌產(chǎn)品為26dB左右，抽檢國內(nèi)18個軸承企業(yè)產(chǎn)品，其平均值為37.5dB。
　　4、國產(chǎn)軸承的壽命和可靠度值仍較低。以深溝軸承為例，國外名牌產(chǎn)品的壽命一般大于計算壽命的8倍（最高可達(dá)30倍以上），可靠度達(dá)0.98以上；國產(chǎn)軸承的壽命一般為計算壽命的3~5倍，可靠度為0.96左右。
　　由于國產(chǎn)軸承在品種和質(zhì)量上存在上述差距，作為軸承生產(chǎn)大國，我國日益發(fā)展的家電、汽車、紡織、機(jī)床等行業(yè)每年還不得不向國外進(jìn)口大量軸承。進(jìn)口的軸承產(chǎn)品主要是家用電器的低噪音及靜音球軸承、長壽命汽車軸承、機(jī)床主軸軸承、高速鐵路客車和貨車軸承、高速紡織機(jī)械軸承等。1999年進(jìn)口6.4億套，2000年進(jìn)口9.3億套，2001年進(jìn)口7.2億套。見表1。

　　從國外進(jìn)口軸承統(tǒng)計表(表1)
　　軸承類別1999年2000年2001年應(yīng)用領(lǐng)域
　　數(shù)量(萬套)價值(萬美元)數(shù)量(萬套)價值(萬美元)數(shù)量(萬套)價值(萬美元)
　　球軸承329471436442277201494995624016家電、機(jī)床紡織
　　圓錐滾子軸承211480846826215957汽車
　　球面滾子軸承243473211337362397礦山、石油機(jī)械
　　滾針軸承557721156979918251011汽車、紡織機(jī)械
　　圓柱滾子軸承3418175610807223386104054機(jī)床、軋鋼機(jī)
　　其他滾動軸承266428546370139064182758867機(jī)床
　　帶座軸承305541235567263475紡織機(jī)械
　　合計643243462492978445837150748989 
　　由于國產(chǎn)軸承的壽命短，使得軸承不能與機(jī)電設(shè)備同壽命，停機(jī)維護(hù)更換軸承，降低了設(shè)備的利用率和增加了維修費(fèi)用。因軸承的可靠度低而產(chǎn)生的失效，引發(fā)了許多重大事故。軸承工業(yè)發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的通用軸承已開始使用“無限壽命”這一新概念，專用軸承也提出了與配套主機(jī)“同步壽命”和大修期內(nèi)“零失效”的指標(biāo)要求。因此，國產(chǎn)軸承還必須繼續(xù)努力在提高產(chǎn)品壽命和可靠性方面下功夫。

　　二、“金屬磨損自修復(fù)材料”增加軸承壽命和可靠性的機(jī)理：
　　“金屬磨損自修復(fù)材料”，是一組由羥基硅酸鎂[Mg6（Si4O10）（OH）8]等天然礦石材料構(gòu)成的復(fù)雜組分的微米級粒徑顆粒材料。主要取之于天然礦石材料的這些組合物不溶解于潤滑脂，不和潤滑脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不改變油的黏度和其他理化性質(zhì)，無任何毒副作用，在常溫下的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定。當(dāng)潤滑脂作為載體將這些微粒材料帶入軸承組合件中時，這些微粒材料在軸承轉(zhuǎn)動中對軸承跑道和滾動體產(chǎn)生超精研磨作用，發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的變化，改變了摩擦表面的金屬微觀結(jié)構(gòu)。
　　微粒材料在金屬摩擦表面發(fā)生的物理變化是：滾動體在滾道內(nèi)滾動中，在摩擦力的作用下，超細(xì)微粒顆粒被進(jìn)一步碾碎，此時微小顆粒對金屬摩擦表面產(chǎn)生超精研磨作用，有足夠硬度的微粒的超精研磨作用造成金屬表面微凸體斷裂，使得軸承摩擦表面的光潔度進(jìn)一步提高。
　　微粒材料在金屬摩擦表面發(fā)生的化學(xué)變化是：在超精研磨中，微凸體斷裂時產(chǎn)生的閃溫使微粒晶體中鎂原子與摩擦表面的鐵原子發(fā)生置換反應(yīng)，在鐵基金屬摩擦表面生成鐵基硅酸鹽保護(hù)層，亦稱金屬陶瓷層。這一鐵基硅酸鹽保護(hù)層是在金屬表面微凸體發(fā)生斷裂出現(xiàn)閃溫時產(chǎn)生的，在非磨損部位上不產(chǎn)生摩擦熱，不發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)。因而這種鐵基硅酸鹽保護(hù)層的生成有選擇性，它只會在軸承的滾動體和跑道的金屬摩擦表面生成一層耐磨的保護(hù)層。軸承在轉(zhuǎn)動中不斷發(fā)生磨損，磨損產(chǎn)生的微凸體斷裂和釋放的熱能使這種化學(xué)置換反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)其表面生成一層金屬瓷保護(hù)層后，使其表面光潔度提高、摩擦系數(shù)降低，磨擦產(chǎn)生的熱能下降，化學(xué)置換反應(yīng)也就停止。但是當(dāng)這一耐磨保護(hù)層受到破壞時，金屬表面的摩擦熱急劇增加，新的置換反應(yīng)又將開始，使耐磨保護(hù)層得到恢復(fù)。
　　目視可見，軸承滾道和滾動體上生成的金屬陶瓷保護(hù)層烏黑發(fā)亮，有淡蘭色金屬光澤。
　　經(jīng)測定，這種耐磨的保護(hù)層有優(yōu)良的力學(xué)和物理性能：
　　摩擦系數(shù)μ：0.003~0.007
　　顯微硬度Hv：提高1倍
　　表面粗糙度：達(dá)14級
　　膨脹系數(shù)：13.6~14.2（與鋼相同）
　　耐高溫：1575℃~1600℃
　　耐腐蝕：優(yōu)良
　　因此，在軸承潤滑脂中加入微量“金屬磨損自修復(fù)材料”后，軸承的使用壽命可得到大幅度延長，軸承的可靠性水平也得到相應(yīng)提高。并且由于軸承的摩擦系數(shù)降低，可節(jié)省大量動力能源消耗。

　　三、使用“金屬磨損自修復(fù)材料”軸承的壽命試驗情況：
　　國家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心受哈爾濱市政府經(jīng)貿(mào)委的委托，對使用“金屬磨損自修復(fù)材料”的6205軸承進(jìn)行了壽命實(shí)驗。對送檢的24套軸承全部進(jìn)行了達(dá)到一等品標(biāo)準(zhǔn)要求的3倍額定壽命試驗，從中再任意抽取8套軸承進(jìn)行了達(dá)到優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)要求的5倍額定壽命試驗，而后再從中任意抽取4套軸承進(jìn)行完全壽命試驗。
　　試驗報告給出的結(jié)論是：
　　1、經(jīng)21倍額定壽命試驗的軸承基本保持試驗前的旋轉(zhuǎn)精度。當(dāng)試至3倍額定壽命時，旋轉(zhuǎn)精度有所下降；試至5倍額定壽命時，旋轉(zhuǎn)精度恢復(fù)到原始值。
　　2、試至21倍額定壽命的軸承的徑向游隙與試驗前的徑向游隙比較有少量變化。當(dāng)試至3倍額定壽命時，游隙平均減少2.5μm；當(dāng)試至5倍額定壽命時，游隙平均增大3μm（基本恢復(fù)到試驗前數(shù)值）。隨著試驗時間的繼續(xù)增加，軸承徑向游隙有時增加有時減少，變化量很小。試至21倍額定壽命時，又基本恢復(fù)到試前數(shù)值。
　　3、軸承試至21倍額定壽命時，軸承套圈滾道和鋼球表面烏亮，基本沒有磨損。
　　4、“金屬磨損自修復(fù)材料”在軸承中應(yīng)用，能延長軸承的使用壽命。
　　在軸承壽命試驗過程中出現(xiàn)過下述情況：當(dāng)試驗進(jìn)行到8倍額定壽命時，編號為SM21-024的軸承內(nèi)圈滾道因生產(chǎn)時存在砂輪花狀磨削燒傷而失效。對此，試驗報告指出：通常軸承滾道有磨削燒傷的軸承在壽命試驗時，達(dá)不到1倍額定壽命滾道就會發(fā)生剝落而失效。該軸承試驗到了8倍額定壽命，這顯然是“金屬磨損自修復(fù)材料”起到了延長軸承壽命的作用。
　　在軸承壽命試驗過程中，曾3次發(fā)生尼龍保持架熔化并流出，但軸承更換新的尼龍保持架后仍可繼續(xù)使用。原因是：該潤滑脂使用溫度為80℃，在軸承壽命試驗中因軸承連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度升高而使?jié)櫥魇?。在干摩擦下造成軸承溫度進(jìn)一步升高到超過254℃，從而使尼龍保持架熔化而流出。以往發(fā)生這種情況時，鋼球和套圈會發(fā)生退火并粘結(jié)在一起，使軸承失效。但本次試驗軸承套圈和鋼球都完好無損，說明生成的金屬陶瓷保護(hù)層發(fā)揮了作用，使干摩擦系數(shù)降低，干摩擦產(chǎn)生的熱量不足以使鋼球和套圈退火和粘結(jié)。
　　詳見國家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心：“金屬磨損自修復(fù)軸承壽命試驗報告”（2003年2月）。
　　受到試驗經(jīng)費(fèi)的限制，6205軸承的壽命試驗進(jìn)行到21倍額定壽命而停止。

　　 四、使用“金屬磨損自修復(fù)材料”工藝措施的軸承的生產(chǎn)和應(yīng)用情況：
　　哈爾濱埃特軸承有限公司從去年以來對生產(chǎn)出的新軸承進(jìn)行金屬磨損自修復(fù)材料工藝處理，取得了明顯的效果。
　　1、高速電機(jī)主軸軸承
　　高速電機(jī)主軸軸承經(jīng)過金屬磨損自修復(fù)材料工藝處理后，提高了極限轉(zhuǎn)速，在dn≤1×106轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下仍可使用脂潤滑。
　　正常情況下當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速dn≥0.4×106轉(zhuǎn)/分時，必須采用油霧潤滑。供油設(shè)備需要有空氣壓縮機(jī)、油路及高級定子油，在高壓空氣攜帶下向軸承內(nèi)部噴油。油氣從軸承一端噴入，從另一端噴出，逸出的油霧在空氣中漂浮造成空氣污染，使油耗增大，空壓機(jī)用電量也較大，噪聲亦大。用金屬磨損自修復(fù)材料處理后的軸承，用脂潤滑代替油霧潤滑，完全解決了油霧潤滑產(chǎn)生的不利影響，減化了供油的機(jī)械加工，節(jié)約了產(chǎn)品的制造成本。使用油霧潤滑的軸承的使用壽命一般為2個月，經(jīng)金屬磨損自修復(fù)材料工藝處理的軸承，使用脂潤滑其使用壽命可達(dá)1年。
　　2、數(shù)控機(jī)床主軸軸承
　　數(shù)控機(jī)床主軸軸承用雙聯(lián)、四聯(lián)角接觸球軸承，該軸承經(jīng)用金屬磨損自修復(fù)材料工藝處理后，在裝機(jī)使用中其精度、溫升、噪聲、剛度與“SKF”公司的同類產(chǎn)品相比沒有任何區(qū)別。該機(jī)床已工作了一年多，其性能仍保持不變。
　　3、油田稠油泵軸承
　　油田稠油增壓泵軸承由深溝球軸承、圓柱滾子軸承、推力球軸承組成，工作介質(zhì)為稠質(zhì)原油，泵的使用壽命通常不超過3個月。而且油泵工作1周左右，泵效就開始下降，工作3個月泵效下降70%，噪音也較大，需停機(jī)維修。該軸承經(jīng)使用金屬磨損自修復(fù)材料工藝處理后，整機(jī)噪聲由97dB下降到80dB，無異常音，泵效由53M3/h提高到63M3/h，電機(jī)輸出功率下降17%。現(xiàn)已工作2個月，仍保持狀態(tài)不變。
　　4、軋鋼機(jī)軋輥軸承
　　該軸承承受較重的載荷，大型軸承每套價格在1000~2500元左右，軸承使用壽命較短，一般為15~20個工作日，維修成本較高。用金屬磨損自修復(fù)材料工藝處理該軸承后，壽命提高5倍以上，大大降低了維修成本。
　　5、材軋輥導(dǎo)輪軸承
　　軋線材軋輥導(dǎo)輪軸承的線速度為120米/秒，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速15000轉(zhuǎn)/分，軸承的壽命只有8小時。使用金屬磨損自修復(fù)材料工藝處理后的軸承，使用壽命達(dá)到了40小時。
　　6、無受力盲區(qū)自行車中軸軸承
　　該自行車為運(yùn)動員專用賽車。由于結(jié)構(gòu)限制，要保證軸承的壽命，軸的直徑不能加大，在使用中，經(jīng)常發(fā)生中軸斷裂事故。對該軸承使用金屬磨損自修復(fù)材料技術(shù)后，軸承的承載能力大大提高，在軸承外徑尺寸不變的條件下，使中軸的直徑加大3mm，從而解決了中軸斷裂的問題。由于中軸承摩擦系數(shù)降低，使運(yùn)動員的成績提高了6%。
　　對軸承使用金屬磨損自修復(fù)材料工藝處理，是自去年以來進(jìn)行的一項開拓性的工作，應(yīng)用的范圍正在逐步擴(kuò)大之中，所取得的效果是令人鼓舞的。上述應(yīng)用項目僅是其中取得了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的一部分實(shí)例