CN105299049A - 碳纤维缠绕石墨轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种碳纤维缠绕碳石墨轴承，包括先加工好的石墨轴承套，在所述石墨轴承套碳材料的表面至少缠绕有一层编织碳纤维。本发明在碳材料的表面缠绕一层碳纤维，不仅提高了石墨轴承的强度，也克服了使用镶嵌金属外套的石墨轴承在恶劣的工况条件下存在的缺陷，解决了现有技术镶金属石墨轴承，由于金属和碳材料的热膨胀系数不一致，在温度较高的情况下，易产生脱落，松动，使轴承失效的问题。本发明采用的碳纤维材料和碳石墨材料的热膨胀系数基本相同，即使在高温的状况下，也不会出现相互松动、脱落的现象。另外本发明还解决了现有技术钢件存在的耐腐蚀性能力变差，在强酸、强碱等具有强腐蚀性液体的情况下，其耐腐蚀性仍然不可能达到单纯的碳石墨材料的效果问题，而碳纤维材料刚好能克服这一难关。

Description

碳纤维缠绕石墨轴承

技术领域

本发明涉及一种主要用于泵、运输、冶金等行业，适用于滑动轴承的碳石墨材料轴承。

背景技术

轴承是机械工业中常用的一种滑动机件。石墨轴承是随着机械设备的性能要求，在金属轴承的基础上开发并发展起来的炭质轴承。轴承有滚动轴承和滑动轴承之分，材质上又有金属、非金属、复合材料之别。石墨轴承多用于滑动轴承，滑动轴承又分为径向轴承和止推轴承。石墨轴承以石墨材料为主要基材，应用于食品、饮料、纺织、化工等工业部门中的运输机、干燥机、纺织机、潜水泵电机等轴承方面，这些部位如用油脂润滑剂不可避免会引起污染，而石墨轴承的自润滑性很强，耐腐蚀，可不使用润滑油而进行长期运转。滑动轴承存在着两种摩擦形式，即静摩擦和动摩擦，一般炭石墨轴承的静摩擦比同样情况下的金属轴承要小一些。普通炭石墨轴承在干运转情况下，动摩擦系数在0.08-0.3之间，湿运转情况下由于存在着边界润滑，所以动摩擦系数一般在0.01-0.1范围内。滑动轴承具有普通机械零件之间滑动接触的特征。除摩擦、磨损发热外，还要有一定的机械强度。石墨轴承的磨损与载荷、温度和速度的平方成比例，当压力为0--0.49MPa时，各种材质的石墨轴承均能满足需要。石墨作为一种固体润滑材料镶嵌在轴承的摩擦面金属基体上，用于轴承工作状态下的润滑材料，但石墨也有含油效果。在实际工作中，轴承的运转因环境不同又有干运转和湿运转之分。在干运转的情况下，石墨轴承允许的最大载荷受到轴承的强度和允许的磨损速率的限制。其允许的最大线速度则受到轴承摩擦面上所产生热量的限制。而磨损速率又受到轴承材质、轴和轴承表面加工情况、载荷、速度及周围介质等条件的影响。为了提高石墨轴承的机械强度，特别是为了提高其耐冲击韧性，常用一些耐磨性能好的易熔金属进行浸渍处理，但在较大的载荷条件下，往往仍达不到所要求的机械强度，从而人们开始用粉末冶金方法制造青铜石墨含油轴承。随着轴承载荷要求的进一步提高，青铜石墨含油轴承也难达到要求，随后人们又开发出了镶嵌石墨轴承。镶嵌石墨轴承的制造是以金属材料为基体，石墨作为一种固体润滑材料镶嵌在轴承的摩擦面金属基体上，用于轴承工作状态下的润滑材料。其抗压强度、抗折强度、热膨胀系数一般取决于基体金属材质，可在重载荷下运行。镶嵌石墨轴承的制造是以金属材料为基体，它的机械强度基本取决于采用的金属材质的机械性能，炭石墨轴承的制造工艺与其他炭制品大致相同，基本工艺过程包括：原料的选择、原料的预处理、原料的破碎、筛分分级、颗粒状与粉状材料的配料、粘结剂的选择、混匀、混捏、辊压、磨粉压制成型、焙烧、人造石墨制品还须石墨化处理，浸渍、机械加工等，部分石墨轴承为了增加机械强度和抗冲击性，还需金属(如锑、铜、铅等)浸渍，最终达到所要求的技术性能，再进行机械加工成所要求的几何尺寸。青铜石墨含油轴承的生产用粉末冶金方法，新型青铜石墨含油轴承为了增加轴承的载荷，加入了铁粉，具体制法是采用粒径小于175um的青铜合金粉末和粒径小于85um的铁粉，加入少量煤油或机油制成混合物，再添加适量小于75um鳞片状石墨粉、二硫化钼等，经混合后采用冷压制取坯料，并在780C-895C的温度下烧结而成。其他青铜石墨含油轴承制造工艺与以上工艺大致相同，选择粉料、混合、压形、烧结、整型。镶嵌石墨轴承有两种制造方法。一是浇铸法，将已加工好几何尺寸的石墨滑块按设计分布在浇铸模中后，用熔融金属液浇铸而成，后经机械加工达到所需尺寸。二是在金属基材上，按照一定的排列方式，先加工一些孔洞，然后将以石墨、MoS2及粘结剂按一定比率均匀混合制成润滑剂，固化在孔洞中，经加工后达到所要求尺寸，镶嵌石墨轴承的抗压强度、热膨胀系数，一般取决于金属材质。石墨轴承以石墨材料为主要基材，径向抗压强度比较低，通常应用在中等及低负荷条件下。

石墨轴承是随着机械设备的性能要求，在金属轴承的基础上开发并发展起来的炭质轴承。炭质轴承有不同于金属轴承的特性，如自润滑、耐高温、耐腐蚀、质轻等。石墨轴承多用于滑动轴承，分为：炭石墨轴承、青铜石墨含油轴承和镶嵌石墨轴承.虽然碳石墨材料完全具备耐高温、耐腐蚀、自润滑性好等一系列特性，但由于其是脆性材料，作为轴承使用时，即使考虑通过增加壁厚来加大强度，其强度远远不够。因此现有技术通常会选用钢套、不锈钢、高力黄铜、球墨铸铁等金属为基本受载荷，在外部装钢套，并以热压配合或粘结的方式增强其轴承的强度来解决强度不够的问题。虽然这种装有钢套的轴承克服了强度不足的问题，但由于钢件的存在，其耐腐蚀性的能力变差，在强酸、强碱等具有强腐蚀性液体的情况下，即使选择耐化学腐蚀的金属外套，不仅成本增加，其耐腐蚀性仍然不可能达到单纯的碳石墨材料，因此在很大程度上限制了其使用范围，另外，在高温情况下，大约600°左右，由于钢件与碳石墨材料的热膨胀系数不一致，很容易造成碳石墨材料从钢件中脱落出来，造成轴承失效。即使在无腐蚀、无高温的情况下，轴承在运转过程中，和其它部件会摩擦生热，石墨和钢件的导热系数不一致，这种结构的轴承内外部分会存在温差，易产生疱疤以及电化学现象，从而是轴承失效。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种热膨胀系数一致，不产生相互松动、脱落现象，具有承载能力强、耐冲击、耐高温、自润滑性强、免维护、抗酸碱腐蚀、足够的机械强度和抗冲击性能，特别适用于重载、高温、低速、难以注油的场合的碳纤维缠绕碳石墨轴承及其制备碳纤维缠绕碳石墨轴承的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种碳纤维缠绕碳石墨轴承，包括先加工好的石墨轴承套，其特征在于：在所述石墨轴承套碳材料的表面至少缠绕有一层编织碳纤维。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明在碳材料的表面缠绕一层碳纤维，不仅提高了石墨轴承的强度，也克服了使用镶嵌金属外套的石墨轴承在恶劣的工况条件下存在的缺陷，解决了现有技术镶金属石墨轴承，由于金属和碳材料的热膨胀系数不一致，在温度较高的情况下，易产生脱落，松动，使轴承失效的问题。本发明采用的碳纤维材料和碳石墨材料的热膨胀系数基本相同，即使在高温的状况下，也不会出现相互松动、脱落的现象。另外本发明还解决了现有技术钢件存在的耐腐蚀性能力变差，在强酸、强碱等具有强腐蚀性液体的情况下，其耐腐蚀性仍然不可能达到单纯的碳石墨材料的效果问题，而碳纤维材料刚好能克服这一难关。

本发明碳纤维缠绕轴承易于机械加工，可按要求加工成各种几何形状的产品，不仅降低了传统加工法的成本，其使用能够范围更广，使用效果更好。在工作时，石墨轴承套基材承担大部分负荷，固体润滑剂通过转移和反转移，在摩擦面上形成润滑良好、附着均匀的润滑转移膜。随着轴承的连续运行，嵌入式石墨轴承套固体润滑剂不断提供与摩擦面，大幅度降低了工作磨损，优良的自润滑性，足够的机械强度和抗冲击性能、较高的导热率和热稳定性能和良好的抗化学腐蚀性保证了长期运行的良好润滑，突破了普通轴承依靠油膜润滑的界限，具有承载能力强、耐冲击、耐高温、摩擦系数低、磨损小、低噪音、自润滑性强、免维护、抗酸碱腐蚀、不怕水冲等优点。工作寿命长，节油节能，效果显著。特别适用于重载、高温、低速、难以注油的场合。应用范围：广泛应用于矿山、化工、冶金、水利、建筑、电子、纺织、印染、食品等行业，以及普遍用于锻压、减震、扎钢、注塑机、机床、水轮机、汽轮机、升降机、起重机、电动工具、包装机等机械设备。

附图说明

图1是本发明碳纤维缠绕碳石墨轴承的剖视图。

图中：1碳纤维缠绕层，2石墨芯轴。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，碳纤维缠绕碳石墨轴承包括先加工好石墨芯轴2，在所述石墨芯轴的表面至少缠绕有一层编织碳纤维层1。表面碳纤维缠绕层1的厚度至少为5-10mm，其厚度根据成品的增大而增大。例如，将缠绕好的石墨轴承，放入反应釜中浸渍树脂，抽真空，加压至少0.8MPa，升温到200℃进行固化。固化完成后粗车内外圆和内孔，最后按图纸要求磨内外圆、端面。所需碳纤维缠绕石墨轴承的大小为其芯轴尺寸为(保证加工完成后，成品表面的碳纤维层至少为5mm)。先加工好石墨芯轴，该石墨轴承套的材质为各向同性纯碳石墨材料M191T*。准备好相应的宽度为130的编制碳纤维布，把石墨芯轴装夹在车床上，尾轴固定好，转速约为200转，在石墨芯轴的表面缠绕一层碳纤维布，直至外径尺寸为120。或把石墨芯轴装夹在机床的旋转主轴上，尾轴固定好，再将准备好的编制碳纤维布缠绕在石墨芯轴的表面上。之所以石墨套材质选择M191T*，是由于该材质和碳纤维材料在很多方面具有一定的相似之处，如耐腐蚀性、耐高温、热膨胀系数等，为后续工艺做铺垫。

Claims (5)

1.一种碳纤维缠绕碳石墨轴承，包括先加工好的石墨轴承套，其特征在于：在所述石墨轴承套碳材料的表面至少缠绕有一层编织碳纤维层。

2.如权利要求1所述的碳纤维缠绕碳石墨轴承，其特征在于：所述石墨轴承套的材质为各向同性纯碳石墨材料M191T*。

3.如权利要求1所述的碳纤维缠绕碳石墨轴承，其特征在于：把石墨芯轴装夹在机床的旋转主轴上，尾轴固定好，再将准备好的编制碳纤维布缠绕固化在石墨芯轴的表面上。

4.如权利要求1所述的碳纤维缠绕碳石墨轴承，其特征在于：碳纤维缠绕层的厚度至少为5-10mm。

5.一种制备权利要求1所述碳纤维缠绕碳石墨轴承的方法，其特征在于具有如下技术特征：将缠绕好的石墨轴承，放入反应釜中浸渍树脂，抽真空，加压至少0.8MPa，升温到200℃进行固化，固化完成后粗车内外圆和内孔。