減摩材料

機械部件應用減摩材料的目的，主要是要求儘可能低的摩擦係數，以降低摩擦損耗，提高傳動效率。對於減摩材料除了其有低的摩擦係數外，還應具有：

順應性是材料的表層對製造誤差、受載變形和表面粗糙度的適應性能。嵌合性表示將外部雜質和硬顆粒嵌入摩擦表面而不外露以防擦傷對偶表面，影響性能。通常，硬度低、塑性好和彈性模量低的材料，其順應性的嵌合性也較好。 ^[2] 

減摩材料是一類古老而用途又十分廣泛的、機械製造工業中不可缺少的工業用材。很早以前採用熔鍊技術已可生產的錫基軸承合金（又稱為錫基巴氏合金）便是一個典型代表，隨後根據各種不同工況的要求，又開發出鋁基、銅基等多個系列的減摩合金。由於採用熔鍊技術生產減摩合金需用大量較貴重的有色金屬如Sn、Cu、Sb等，而且由此加工成減摩零部件（如軸承、軸瓦）其合金的有效用量又很少，因此採用粉末冶金技術開發粉末冶金鐵基、銅基減摩材料類型的零部件便有顯著的優越性。為滿足各種不同工況的要求，採用粉末冶金技術開發各種新型減摩材料便成為新型減摩材料研製的一個重要發展方向，從而導致一系列具有減摩性能的新型粉末冶金減摩材料的出現。

粉末冶金減摩材料是用來製造各種耐磨損的滑動軸承、軸瓦、活塞環、滑塊、滑板及精密機牀導軌等的材料，其中以滑動軸承用量最多。要求其具有低的摩擦係數、高的耐磨性能和足夠的強度。粉末冶金減摩材料的摩擦係數很低，因材質不同而異，一般鐵基減摩材料潤滑時的摩擦係數為0.01~0.1，而銅基含油軸承在潤滑的情況下對鋼的摩擦係數可以小到0.004~0.008。這類材料是由具有一定強度的金屬基體和起減摩作用的潤滑劑所組成。基體通常為Fe、Cu、Al及其合金；減摩潤滑劑有軟金屬鋁、石墨和Fe、Mo、W、Zn的硫化物、硒化物以及氟塑料、玻璃等。由於採用粉末冶金技術可以在較大範圍內調整基體和減摩劑的成分及含量，因而粉末冶金減摩材料的性能一般都優於熔鍊合金的性能。

粉末冶金減摩材料可以分為多孔自潤滑材料和緻密減摩材料兩大類。前者如各種含油軸，後者如粉末冶金銅鋁軸瓦，若按基體材質分類，粉末冶金減摩材料可分為：鐵-石墨材料、青銅-石墨材料、鋁基減摩材料、金屬-塑料、雙金屬銅鋁軸瓦材料、減摩不鏽鋼、鎳基和銀基固體自潤滑材料、金屬-玻璃、難熔碳化物基減摩材料等等。

由於粉末冶金減摩材料是一種自潤滑材料，具有很好的減摩性能，兇此廣泛應用於農機、紡織機械、拖拉機、汽車、機牀、運輸機械、飛機、坦克、電機、食品工業設備、各種儀器儀表、電子計算機等領域。

我國一般粉末冶金減摩材料如鐵基、銅基減摩材料在不少粉末冶金廠已成為主導產品，並已有幾十年的生產歷史，較好地滿足了我國各行各業發展的部分需求。近20年來隨着國民經濟建設，特別是軍事工業的發展，對減摩材料提出了一系列更高更新的要求，而且許多特殊性能只能採用粉末冶金技術才能研製出相應的高性能材料，我國在這方面取得了一系列可喜的重大進展。 ^[3] 

摩擦（friction）、磨損（wear）與潤滑（lubrication）統稱摩擦學。據統計，大約有三分之一以上的世界能源消耗在摩擦上，大約有80%的破壞零件是由磨損造成的。摩擦學的應用範圍特別廣泛，一般機械裏，如滑動軸承、滾動軸承、齒（蝸）輪傳動、帶傳動、摩擦離合器和制動器、鍛模及軋輥、切（磨）削工藝、彈性密封、機牀導軌、輪胎在路面上滔車，車輪在鐵軌上打滑等都存在摩擦學問題，甚至螺紋聯接、鉚接、軸轂聯接裏也發生微動磨損。機械設計中的摩擦問題大體分為減摩和摩阻兩類，要求減摩的設計包括潤滑設計和磨損設計，潤滑設計有：運動副材料選配，潤滑劑選擇和結構合理性設計，磨損設計有：希望接觸面磨損輕，磨損率低；要求摩阻的設計希望摩阻（摩擦）大，耐磨損，發熱少和散熱及時等。

對一切減摩材料的基本要求是：摩擦係數低；耐磨性高；有足夠的韌性，沒有脆性斷裂的可能性；最佳的體積強度和表面強度，從而把表面層的高強度與摩擦偶件的易磨合性結合起來；有構成二次組織的能力，以提高摩擦表面的抗咬合性；材料中貯存固體或液體潤滑劑等等。對減摩材料的要求由材料的工作條件所決定。對於具體用途的材料，還要求有特殊的性能。例如，化學、紡織、食品等工業部門需要在耐腐蝕介質條件下工作的減摩材料；火箭和低温技術需要在高真空以及接近絕對零度温度條件下工作的減摩材料；渦輪製造和連續鑄鋼設備則需要能在較高温度下工作的減摩材料等等。軸承用途所決定的工作參數，可以在很寬的範圍內變化：滑動速度由幾毫米/秒到100米/秒以上，載荷由0.1MPa到10~20MPa以上，温度從低温到1000℃以上。根據上述情況，不可能製造出一種能在各種不同用途的摩擦部件中都能使用的減摩材料。因此，必須研製出供規定條件下使用的各種不同的減摩材料。以往廣泛採用的鑄造方法制造的金屬減摩材料，在許多情況下對於製造符合特殊工作條件要求的減摩材料是無能為力的。採用聚合物基材料，為較好地滿足用最佳性能的材料裝備摩擦部件的要求，增加了部分可能性。採用粉末冶金方法使問題得到了根本的解決。

從上述固體潤滑的基本概念中已知，層狀固體如石墨或二硫化鉬等應用於滑動表面，摩擦和磨損會大大降低，石墨在乾淨表面滑動時，摩擦係數為0.1~0.2。但石墨用作固體潤滑時主要困難之一是如何保持連續供應石墨，以便在兩個滑動表面起固體潤滑劑作用。起始的想法是將石墨混入滑動元件之一的基體中以提供兩表面間的石墨，在最佳狀況下，金屬-石墨材料變成了自潤滑劑。這就是粉末冶金方法解決問題的獨到之處。其次，燒結減摩材料可以控制孔隙度，將油浸漬於孔隙可進行自潤

巴氏合金是最早應用於滑動軸承上的減摩材料（它是一種以錫或鉛為基體的軟合金），因最初由E.Babbitt（1839年）發明而稱為巴氏合金，其成分含有82%~84%錫，5%~6%銅和11%~10%銻。後來將所有錫、鉛基合金均稱為巴氏合金。又因為它主要用於軸瓦，故又稱為軸承合金。按組成的主要元素分，有錫基和鉛基兩類。

錫基合金的硬度較低（HB13~32），熔點也較低（240~320℃），當温度升高時，合金表面軟化，起着潤滑的作用，而且磨合容易。錫基軸承合金有良好的減摩性能，同時摩擦係數和膨脹係數小，塑性和導熱好等優點，但疲勞強度低。疲勞強度的值與工作温度和合金層的厚度有關，降低温度和減小厚度都會提高疲勞強度，但厚度小於1mm時，由於澆鑄時沿SnSb（銻化錫）晶界易出現裂紋，反而大大降低疲勞強度，故厚度不宜小於3mm。另外，合金中銻、銅含量不宜太多，否則在強度和耐磨性提高的同時，卻使塑性和韌性惡化。

鉛基合金以鉛為主，含有適量的銻（10%~18%）和錫（0～20%）也是一種在軟基體上分佈着硬質點的軸承合金。該合金的成本低高温強度好，有自潤滑性，但耐磨性、導熱性以及鋼背的附着能力不及錫基合金，可用於載荷不大和轉速不高的場合。錫基和鉛基巴氏合金的化學成分及性質見下表。

用作減摩材料的銅基合金主要有錫青銅和鉛青銅。錫青銅是指含有5%~15%的錫以及少量鋅、鉛等元素的銅合金，加鋅可使基體強度提高，加鉛可增加合金的抗粘着性和順應性，錫青銅的機械強度較高，減摩性和耐磨性也較好，適宜於製造重載軸承。

鉛青銅是一種硬基體軟質點型的軸承合金，其成分有30%左右的鉛，其餘由銅組成。鉛青銅的承載能力和疲勞強度較高，能在250℃以下的温度正常工作，但順應性和嵌合性較差，也不耐腐蝕。

用作減摩材料的銅基合金主要有錫青銅和鉛青銅。錫青銅是指含有（5%~15%）的錫和少量鋅、鉛等元素的銅合金，加鋅可使基體強度提高，加鉛可增加合金的抗粘着性和順應性，錫青銅的機械強度較高，減摩性和耐磨性也較好，適宜於製造重載軸承。

鉛青銅是一種硬基體軟質點型的軸承合金，其成分有30%左右的鉛，其餘為銅組成。鉛青銅的承載能力和疲勞強度高，能在250~C以下的温度正常工作，面應性和嵌合性較差，也不耐磨蝕。

鋁基合金是最近幾十年發展起來的一種新型減摩材料，其特點是比重小，導熱性好，疲勞強度高和耐磨性好，且原料充足，價格低廉。但熱膨脹係數大，抗膠合性、嵌合性與順應性較差。得到應用的有鋁銻鎂軸承合金和高錫鋁基軸承合金。前者的成分為3.5%~4.5%銻，0.3%~0.7%鎂，其餘為鋁，鋁為軟基體，鋁銻化合物（AISb）為一均勻分佈的硬質點，加入鎂能提高合金的屈服強度。鋁銻鎂軸承合金適用於載荷不超過20N/mm²及滑動速度不大於10m/s的滑動軸承。

高錫鋁基軸承合金的成分為20%的錫和1%的銅，其餘為鋁，該合金的顯微組織以鋁為硬基體，均勻分佈着軟的錫質點，添加的銅溶於鋁中使基體強化。該材料適用於載荷達28N/mm²，滑動速度在13m/s以下的滑動軸承。

該材料為雙金屬、三金屬等結構，各種金屬的性能具有互補性，以滿足機器高速、重載等工況下的使用要求。

該材料是用金屬粉末與具有減摩性能的非金屬固體粉末，按一定比例，經混合後壓制成型，再經燒結和整形得到的一種具有多孔性組織的材料。一般孔隙度在15%~20%範圍。如用浸漬方法使孔隙中充滿潤滑油，便成為一種具有自潤滑性能的減摩材料，含油軸承即為這種材料的一種製品。當軸頸轉動時，由於軸頸在接觸區有泵吸作用，迫使孔隙中的潤滑油經毛細管作用被吸至軸承接觸表面；同時由於摩擦熱的作用，油的體積膨脹大於金屬而被擠至摩擦表面，從而起着潤滑作用。當停止轉動後，温度下降，由於毛細管作用又將油吸回到孔隙中。因而這是一種具有自潤滑、減摩及耐磨並有吸振作用的減摩材料。

常用的粉末冶金減摩材料有銅基和鐵基兩類。

銅基的主要成分為85%~89%銅、10%錫、0~3%鉛和1%~5%石墨，該材料自潤滑性能、減摩性能均較好，硬度低，易跑合。

鐵基的主要成分為96%以上的鐵粉，其餘為石墨粉。其特點是承載能力高，價格低。

利用粉末冶金技術可以使製成的減摩材料具有各種特殊的功能，例如能在重載下工作的極高強度材料，可在高温下工作而具有高抗氧化性能的材料，以及在真空無潤滑條件下具有良好抗擦傷能力和低摩擦係數的材料等。所以近年來粉末冶金減摩材料都是以較高的速度增長，而且適用的速度、載荷和温度範圍也在擴大。除銅基和鐵基外，在特殊的工作條件下還可用鉛基、鋅基、錫基、銀基和鎳基材料。所用的固體潤滑劑除石墨外，還可添加硫、硫化物、鉬、釩及其他金屬硒化物、氟化物、鹵化物等。為了提高耐磨性和強度，可添加錳、鉻、鎳和鉬等合金元素，使材料獲得可改善減摩性能的多相組織。

砂無機和有機材料都具有減摩性能，可用於在幹摩擦或邊界摩擦條件下工作的摩擦元件，其中應用較多的是高分子聚合物和各種工程塑料。

通稱為尼龍。它具有較高的機械強度和較好的耐磨性及自潤滑性能，摩擦係數μ=0.25，易成型，價格低，耐磨蝕。可在無潤滑條件下工作。然而尼龍熱膨脹係數大，導熱性差，有吸濕性。不宜在潮濕或温度變化較大的環境下工作，在有泥沙或塵土的環境中工作時，其耐磨性優於軸承鋼，比青銅的耐磨性高几倍。在尼龍中添加聚四氟乙烯、二硫化鉬、石墨或雲母等固體潤滑劑後，可降低摩擦係數；添加金屬粉可增加導熱性，而添加玻璃纖維等，也提高強度，增加耐磨性。

尼龍除整體使用外，還可作為表面耐磨塗層的塗料。

POM具有優良的綜合性能，吸水性小，尺寸穩定，物理和機械性能超過尼龍。彈性模量和硬度高，在850℃以保持抗拉強度長期不變，耐腐蝕，摩擦係數低而穩定。但熱穩定性差，收縮率大，在大氣中曝曬易老化。

聚四氟乙烯是一種結晶性高聚物，具有極優越的化學穩定性、熱穩定性以及優越的電性能，PTFE形成的長鏈團分子中的碳原子被周圍原子包圍住，分子間的實際粘着力很小，形成低能量的表面，使表面分子可以相互滑動，呈現出極低的摩擦係數（0.1~0.04）。它與金屬等摩擦時，能在極短時間內在金屬表面上形成一層聚四氟乙烯轉移膜，以致金屬與PTFE的摩擦實際上成為PTFE對PTFE的摩擦。由於PTFE轉移膜與金屬形成強的化學鍵，故膜雖薄但也很牢固。

PTFE的缺點是耐磨性較差，機械強度低，受載後易變形，線膨脹係數大。因此PTFE作為減摩材料使用，主要是以填料形式添加到其他塑料中，或者在PTFE中添加金屬或其他材料，以改善其機械性能、導熱性和線膨脹係數。例如用碳素纖維增強的PTFE織物複合材料，其耐磨性和強度都可提高10倍。

芳綸盤根材料，以芳綸做主體材料，並浸漬了PTFE和高閃點的潤滑材料，可在-100~60℃的條件下使用。芳綸又稱聚芳酰胺纖維，由美國杜邦公司於1972年以“凱夫拉”（Kevlar）的商品名推出，其強度比鋼高，比重只是鋼的1/5，耐熱性好。

它是美國某公司在1969年為解決螺紋接頭的密封問題而研製的，它將PTFE膨脹為一種高韌性和多孔性的低密度材料，將其應用在密封上獲得了成功，取得了專利。EPTFE不僅保留了PTFE的化學穩定性好、摩擦係數低、不老化等性能，而且還擴大了使用温度範圍，提高了機械強度、膨脹係數小、多孔性、正極高的韌性等。

成型工藝：分散PTFE樹脂（潤滑助劑）—混合—預成型糊膏—擠壓—高速拉伸（低於PTFE熔點）—熱定型（高於PTFE熔點温度下）—成品。

此外，用作減摩的聚合物材料尚有聚碳酸酯（PC）、聚礬（PSF）、聚酰亞胺（PI）等。 ^[2]