高精密轴承常用保持架材料

范雨晴，马 莹，姜韶峰,李红涛

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.洛阳地区代表室，河南 洛阳 471039)

保持架不但受到摩擦力、张力、离心力和惯性力等机械应力的作用，而且需要承受某些润滑剂及其添加剂或其老化产物、有机溶剂或冷却剂产生的化学作用。这些作用还可能受到工况条件的影响,如高温、冲击载荷、振动或此类因素与其他条件的组合等。因此,对于保持架的性能以及轴承本身的运行可靠性来说，保持架材料的选择十分重要，尤其是高精密轴承保持架材料的选择。

1 高精密轴承的性能特点

高精密轴承是为满足精密机床和其他精密设备需求的一类专用轴承，包括高精密角接触球轴承、圆柱滚子轴承、单向和双向推力角接触球轴承、深沟球轴承等，其具有高转速、高精度、高刚度、低温升、低振动和低噪声等特性。为保证高精密轴承的上述特性，对保持架材料的性能有特殊的要求，如吸振、耐热和耐磨损等。

2 高精密轴承保持架材料的选择原则和性能

保持架材料的选择是根据转速、噪声、振动、润滑和工作环境来确定的。高精密轴承常用保持架材料有聚酰胺、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、酚醛层压布管、青铜和黄铜，通过了解其特性(包括使用限制和极限温度)可为不同型号和工况的轴承选择出较合适的保持架材料。

2.1 保持架材料特性

2.1.1 聚酰胺(PA)[1-3]

聚酰胺俗称尼龙，其具有机械强度高、软化点高、耐热、耐磨损、摩擦系数低、自润滑、吸振、消音、耐油、耐弱酸、耐碱和一般溶剂、绝缘性好、自熄、无毒、无臭、耐候性好、染色性差等优点。缺点是吸水性大，影响尺寸稳定性和电性能。纤维增强可降低树脂吸水率，使其能在高温和高湿下工作。尼龙与玻璃纤维亲合性十分良好。

尼龙66(PA66)为半透明或不透明的乳白色结晶型聚合物，具有可塑性。其密度为1.15 g/cm3，可连续耐热80～120 ℃,热膨胀系数为(2～4.6)×10-5/ ℃，平衡吸水率为2.5%。该材料可耐酸、碱、大多数无机盐水溶液、卤代烷、烃类、酯类及酮类等腐蚀，但易溶于苯酚和甲酸等极性溶剂。其具有优良的耐磨性和自润滑性，机械强度较高。但吸水性较大，因而尺寸稳定性较差。尼龙中PA66的硬度和刚性最高，但韧性最差。尼龙6(PA6)的性能及应用与PA66相仿, 但其比PA66熔点低, 耐热性略差, 弹性模量稍低, 吸水率略高。

尼龙46(PA46)具有如下特性：(1)优异的耐热性。其熔点高达295 ℃。在1.82 MPa载荷下，其热变形温度达220 ℃，玻璃纤维增强品级高达285 ℃。即使在高温下也能维持较高的机械强度和刚性。(2)优良的耐蠕变性和耐疲劳性。其耐蠕变性和耐疲劳性均优于PA66。(3)优良的耐化学药品性。其结晶度高，对化学药品的抵抗性优良。玻璃纤维增强PA46的耐油性要明显优于玻璃纤维增强PA66。(4)优良的耐摩擦磨损性。其耐摩擦磨损特性优于PA66。

2.1.2 聚四氟乙烯(PTFE)[4-6]

与普通塑料相比, PTFE具有以下优良特性：

(1)耐高、低温性。PTFE受温度的影响不大,温域范围广，在-260 ℃时仍有韧性，250 ℃以下长时间加热仍保持优良的力学性能。

(2)耐化学腐蚀性和耐候性。除熔融的碱金属、氟化介质以及高于300 ℃的氢氧化钠外,PTFE几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸,甚至在王水中煮沸,其质量及性能均无变化,也几乎不溶于任何溶剂,只在300 ℃以上稍溶于全烷烃(约0.1 g/100 g)。PTFE不吸潮,不易燃烧,对氧和紫外线均极稳定,所以耐候性优异。

(3)绝缘性。PTFE在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低,而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。

(4)自润滑性。在所有塑料中，PTFE的摩擦系数最小,是理想的无油润滑材料。

(5)不黏性。PTFE是表面能最小的固体材料,已知的固体物质都不能黏附在其表面。

PTFE的耐辐射性能较差(104rad)，受高能辐射后会引起降解，高分子的电性能和力学性能均明显下降。膨胀系数(25～250 ℃)为(10～12)×10-5/ ℃ 。

2.1.3 聚酰亚胺(PI)[7]

PI因其耐高温、抗氧化、抗辐射、耐腐蚀、耐湿热、高强度、高模量等独特的综合性能而受到广泛的关注和应用。

PI的化学结构决定了其拥有许多优良特性,主要包括:

(1)耐热性。PI的分解温度一般超过500 ℃,有时甚至更高,是目前已知的有机聚合物中热稳定性最高的品种之一,这主要是因为分子链中含有大量的芳香环。

(2)力学性能。未增强的基体材料的抗张强度都在100 MPa 以上。用均酐制备的Kapton 薄膜抗张强度为170 MPa ,而联苯型PI(Upilex S)可达到400 MPa。PI纤维的弹性模量可达到500 MPa,仅次于碳纤维。

(3)化学稳定性及耐湿热性。PI材料一般不溶于有机溶剂,耐腐蚀和耐水解。改变分子设计可以得到不同结构的品种。

(4)耐辐射性。PI薄膜经5×109rad剂量辐射后,强度仍保持86%；某些PI纤维经1×1010rad快电子辐射后,其强度保持率为90%。

上述性能在很宽的温度范围和频率范围内都是稳定的。除此之外, PI还具有耐低温、膨胀系数低、阻燃以及良好的生物相容性等特性。PI优异的综合性能和合成化学上的多样性,使其可广泛应用于多种领域。

2.1.4 聚苯硫醚(PPS)[8]

(1)一般性能。PPS为一种外观白色、高结晶度、硬而脆的聚合物，纯PPS的相对密度为1.3，但改性后会增大。PPS的吸水率极小，一般只有0.03%左右。PPS为自身阻燃的聚合物(V-0/5V)，其氧指数高达44%，在塑料中属高阻燃材料(纯PVC的氧指数为47%，PSF为30%，PA为29%，MPPO为28%，PC为25%)。

(2)力学性能。纯PPS的力学性能不高，尤其冲击强度比较低。以玻璃纤维增强后会大幅度提高其冲击强度，由27 J/m增大到76 J/m，拉伸强度也由60 MPa增大到137 MPa。PPS的刚性很高，在工程塑料中比较少见。纯PPS的弯曲模量可达3.8 GPa，无机填充改性后可达到12.6 GPa。PPS在负载下的耐蠕变性好，硬度高；耐磨性高，其1 000 r时的磨耗量仅为0.04 g，填充PTFE及二硫化钼后还会进一步得到改善；PPS还具有一定的自润性。PPS的力学性能对温度的敏感性小。

(3)热学性能。PPS具有优异的热学性能，短期可耐265 ℃，并可在200～240 ℃下长期使用；其耐热性与PI相当，仅次于PTFE。

(4)环境性能。PPS的最大特点之一是耐化学腐蚀性好，其化学稳定性能仅次于PTFE；PPS耐酸、酯、酮、醛、酚及脂肪烃、芳香烃、氯代烃等，不耐氯代联苯及氧化性酸、氧化剂、浓硫酸、浓硝酸、王水、过氧化氢及次氯酸钠等。

2.1.5 聚醚醚酮(PEEK)[9-10]

PEEK是芳香族结晶型热塑性高分子材料,其熔点为334 ℃,具有机械强度高、耐高温、耐冲击、阻燃、耐酸碱、耐水解、耐磨、耐疲劳、耐辐照及良好的电性能等特点；而且其质量轻，噪声低，可在无润滑、高速高载下或在液体、固体粉尘污染等恶劣环境下使用。其主要的特性概括如下：

(1)耐高温性。PEEK树脂具有较高的熔点(334 ℃)和玻璃化转变温度(143 ℃)，且连续使用温度可达到260 ℃，其30%GF或CF增强牌号的负载热变形温度高达316 ℃。

(2)机械特性。PEEK树脂具有良好的韧性和刚性，具备与合金材料媲美的对交变应力的优良耐疲劳性。

(3)自润滑性(耐腐蚀性)。PEEK树脂具备优良的滑动特性，适合于对低摩擦系数和耐磨耗要求严格的情况下使用。

(4)耐化学药品性。PEEK的耐腐蚀性与镍钢相近，其只溶解于浓硫酸，特别是在高温条件下比PI更耐酸碱。

(5)阻燃性。PEEK树脂是非常稳定的聚合物，1.45 mm厚的样品，不加任何阻燃剂即可达到最高阻燃标准。

(6)耐辐照性和耐剥离性。因PEEK具有良好的耐辐照性和耐剥离性,故可以用来制成特殊用途的电磁线。

(7)耐疲劳性。PEEK树脂在所有树脂中具有最好的耐疲劳性。

(8)耐水解性。PEEK树脂及其复合材料做成的制品在高温高压水中连续使用仍可保持良好的性能。

(9)易加工性。PEEK树脂在高温下具有良好的流动性和很高的热分解温度，可采用注射成型、模压成型、挤出成型、吹塑成型和熔融纺丝等加工方式。

(10)绝缘稳定性。PEEK具有良好的电绝缘性能，并保持在很高的温度范围。其介电损耗在高频情况下也很小。

(11)耐磨性。PEEK的良好耐磨性相当于PI。

2.1.6 酚醛层压布管[11]

酚醛层压布管密度小,机械强度较高,机械加工性能好，有一定的耐热温度和吸油、渗油等性能。酚醛层压布管保持架具有较高的机械强度、耐磨损性能和自润滑性能，有一定的弹性、塑性、刚度、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性等，吸振性好适用于高速油润滑，与水接触膨胀影响其性能。酚醛层压布管塑料保持架轴承的使用温度范围为-40～120 ℃。

2.1.7 青铜[12-13]

青铜是纯铜(紫铜)加入锡或铅的合金。与纯铜相比，青铜的强度高且熔点低(25%的锡冶炼青铜，熔点会降低到800 ℃，而纯铜的熔点为1 083 ℃)。青铜铸造性好，耐磨且化学性稳定，具有耐腐蚀、硬度大、色泽光亮等特点，但青铜保持架遇冷会反常膨胀。以下介绍3种保持架材料常用青铜。

(1)铝青铜。QAL10-4-4铝青铜在400 ℃以下具有稳定的力学性能，有良好的减摩性，在大气、淡水、海水中耐蚀性良好，可热加工和焊接，但不易钎焊。

(2)铍青铜。铍青铜是w(Be)≤2.5%的铜铍二元合金，除具有高强度、弹性、硬度，耐磨性,耐疲劳性及无磁特性外，还有优良的导电性、导热性和耐蚀性，冲击时不产生火花，并有优良的工艺性能。

(3)硅青铜。硅青铜是以硅为主要合金元素的青铜。工业上应用的硅青铜除含硅外，还含有少量的锰、镍、锌或其他元素。硅在铜中呈有限固溶，在 852 ℃时最大溶解度可达5.3%，并随温度降低而减小，但时效硬化效应不强，一般不进行强化热处理。QSi3-1硅青铜可在冷、热态下压力加工，力学、耐腐蚀、耐磨和焊接性能好，无磁，冲击时不产生火花。QSi3.5-3-1.5硅青铜为含有锌、锰、铁等元素的硅青铜，性能同QSi3-1，但耐热性较好，棒材、线材存放时自行开裂的倾向性较小。

2.1.8 黄铜[14-15]

黄铜是由铜和锌所组成的合金。铜中锌的含量越高，其强度也越高，塑性越低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%，再高将会产生脆性，使合金性能变坏。以下介绍4种保持架材料常用黄铜。

(1)锡黄铜。在黄铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力，因此称为“海军黄铜”。锡能改善黄铜的切削加工性能。

(2)铅黄铜。铅黄铜即通常所说的易削国标铜。加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，铅对黄铜的强度影响不大。雕刻铜也是铅黄铜的一种。多数黄铜具有良好色泽、加工性、延展性，易于电镀或涂装。

(3)镍黄铜。黄铜中加入镍可显著提高黄铜在大气和海水中的耐蚀性。镍还能提高黄铜的再结晶温度，促使形成更细的晶粒。

(4)锰黄铜。黄铜中加入1%～4%的锰，可显著提高合金的强度和耐蚀性，而不降低其塑性，同时冷、热态下的压力加工性能相当好。

2.2 保持架的使用限制和极限温度

表1所示为不同高精密轴承常用保持架的使用限制和极限温度，以便轴承选材。

表1 高精密轴承常用保持架的使用限制和极限温度

3 高精密轴承保持架材料的选用情况及适用对象

NSK,SKF,FAG和ZYS等公司对高精密轴承常用保持架材料的性能作了大量研究和试验,并根据各自的试验研究成果,分别为不同类型的高精密轴承选择了综合性能较优异的保持架材料[16-18]，如表2～表5所示。

表3 SKF精密轴承常用保持架材料

表4 FAG精密轴承常用保持架材料

表5 ZYS精密轴承常用保持架材料

目前本公司可根据客户要求、工况条件、材料成本和工艺成本等选用最优的保持架材料。同时也可根据特殊工用和工作条件，选择出最合适的保持架材料，如用二硫化钼、PTFE、玻璃纤维改性的PI作轴承保持架，可在真空辐射下无油润滑工作，已应用于宇宙飞船上。多孔含油PI保持架使用在陀螺仪长寿命轴承上，PI保持架使用在高速牙钻轴承上，效果良好。

根据以上对比分析，表6列出了高精密轴承保持架常用材料的适用对象。

表6 高精密轴承保持架常用材料的适用对象

4 结束语

通过对各种高精密轴承保持架常用材料性能的介绍，总结了高精密轴承保持架常用材料的适用对象。在实际设计轴承时，要根据具体转速、具体工况和具体润滑条件等因素选择最佳的保持架材料。