农机滑动轴承材料性能要求及发展前景

张朝阳 邓正华 寿德荣

(重庆三峡学院机械工程学院，重庆 404000)

引言

农机滑动轴承是农业机械中关键零部件之一，其性能直接影响着农机设备的工作效率、可靠性和寿命。目前，由于农机的工作环境恶劣，导致轴承容易出现腐蚀、磨粒磨损、刮伤、出现裂纹等形式的失效[1]，轴承的损坏会直接影响到农机设备整体的寿命，更换轴承或者维修农机设备往往需要投入一定时间及金钱成本，因此需要滑动轴承材料具有更优良的性能来适应复杂的工作环境。本文结合农机滑动轴承的性能要求，通过总结滑动轴承材料的发展现状，探究适合于农机滑动轴承制造的高性能材料，以期提高农机的工作效率，促进农业机械化的发展。

1 农机滑动轴承材料性能要求

1.1 较强的耐腐蚀性

农业机械的工作环境通常较为恶劣，使农业机械在使用过程中容易接触到水分、化肥、土壤中残留的农药等物质，这些物质与轴承材料的表面发生化学反应，导致零件腐蚀[2]。并且农机轴承在长时间运行时会导致温度升高，润滑油在高温下也会发生化学变化生成一定的腐蚀性物质[3]。轴承的腐蚀会对农机设备产生严重的影响，使轴承在转动过程中易出现卡死现象，降低轴承工作效率；腐蚀还会影响轴承表面的光滑度，使轴承在工作过程中摩擦增大，磨损加剧，降低轴承的使用寿命，当轴承腐蚀严重时，可能会造成轴承的断裂，进而影响农机的整体寿命，甚至会引发安全问题，因此需要轴承材料具有较强的耐腐蚀性。

1.2 一定的强度

由于农业机械工作环境比较复杂，农机设备在实际使用时，实际载荷有时会很大，会导致轴承出现开裂或压塌[3]，因此需要轴承材料具有一定的强度。

1.3 良好的导热性

农机轴承在长时间运行时由于产生的摩擦热量无法有效散发，导致轴承的温度升高，滑动轴承在运行中温度过高将导致轴承合金损坏[4]，强度降低，容易造成轴承开裂，因此需要轴承材料具有良好的导热性。

1.4 良好的减摩耐磨性

农机设备在工作中，石子、泥沙以及在加工时留下的金属屑等颗粒容易进入到轴承的内部，与轴承表面发生摩擦，造成磨损，水分进入会破坏润滑油油层的结构[5]，使轴与轴承之间的摩擦增加，加剧了轴承的损坏。并且农机轴承在农业环境下工作，其润滑油膜破裂时，轴承与轴颈之间容易发生咬合，因此需要轴承材料有良好的减摩耐磨性，减小摩擦阻力，降低摩擦热[6]。

1.5 良好的嵌入性

农机在使用过程中，轴承表面可能会有磨损产生的碎屑，这些碎屑随着润滑油进入轴承的缝隙，划伤轴承表面，致使轴承失效，因此需要轴承材料具有良好的嵌入性，将碎屑嵌入轴承表面，避免在轴承内部滚动产生进一步的磨损[7]。

1.6 抗疲劳性

农机设备在工作中，轴承会受到轴传递的周期性交变冲击载荷[8]，因此需要轴承材料具有较高的疲劳强度，在周期性交变冲击载荷下不被破坏。

2 滑动轴承材料研究现状

2.1 巴氏合金轴承材料

巴氏合金又称白合金，是由美国人巴比特发明而得名，具有良好的减摩性、顺应性和嵌入性等特点。巴氏合金的组织特点是在软相基体上分布着硬相质点，在磨合后，软基体内凹，硬质点外凸，形成细小的间隙，能够储存润滑油，提高材料的减摩性，硬质点上凸起到支承作用，有利于承载[9]。但巴氏合金的耐磨性和抗疲劳能力较差，只能用于低速和轻载的工作环境中[10]。巴氏合金分为锡基合金和铅基合金。锡基合金是在锡的基础上再加入少量的Cu、Pb、Sb等元素，与其他的轴承材料相比，具有优良减摩性能和抗腐蚀性能，但在实际应用中，其硬度受到温度的制约，过高的温度使合金的硬度降低，因此最高工作温度不能超过130～150℃[11]。铅基合金由于铅本身的特点，能够提高轴承的减摩性、顺应性和嵌入性，且与锡基合金相比，价格更低，但铅是一种有毒元素，随着环保意识的增强，无铅化成为必然的发展趋势[12]。

2.2 铜基轴承材料

铜基轴承材料主要有锡青铜、铅青铜及铝青铜。铜锡合金是以铜为基体加入较高的锡元素以及少量的其他元素的多元系合金，具有良好的耐磨性、导热性及耐腐蚀性，被用于连杆衬套、轴承等零部件的制造，但锡的价格较为昂贵，使用范围有限[13]。铅青铜具有良好的耐磨性、优异的自润滑性能及良好的耐高温性能等，广泛应用在重载、高速的环境中，Cu-Pb合金中的软质富Pb相的熔点低，摩擦作用下容易受热熔化，在合金的表面形成一层润滑膜，成为润滑剂，降低摩擦系数[14]。但由于铅具有毒性，在生产加工过程中会危害人体健康及污染环境[15]，因此含铅材料逐渐被淘汰。铝青铜根据元素的组成可以分为简单铝青铜和复杂铝青铜，简单铝青铜仅由铜铝2种元素组成，即二元Cu-Al合金，复杂铝青铜是在铜铝的基础上再添加铁、镍、锰、锌等元素组成的多元铜合金，简单铝青铜的性能较差，使用受限，目前使用的均为复杂铝青铜，铝青铜具有优异的抗疲劳强度和承载能力，良好的导热性及良好的耐腐蚀性，广泛应用于航天、船舶、机械、交通等领域[16]。

2.3 铁基轴承材料

铁基轴承材料具有抗压强度高的力学性能和良好的自润滑能力，且价格低廉，是目前应用较广泛的轴承材料，铁基轴承材料有Fe-C系、Fe-Cu-C系、Fe-Mo-C系及Fe-Pb-Cu系等[17，18]。

Fe-C轴承材料是通过向铁基材料中添加石墨从而改善材料磨损严重的问题，但强度相对较低[17]。Fe-Cu-C轴承材料是通过向铁中添加铜和石墨以改善其力学性能和摩擦学性能，研究发现，当添加适量的铜能够提高材料的硬度、强度和摩擦学性能，但是当铜的含量过大时，材料的硬度降低，磨损增加；随着石墨的添加，材料的强度有所下降，而摩擦学性能得到了显著改善[18]。Fe-Mo-C轴承材料，通过向Fe-石墨中添加Mo，能够提高材料的硬度以及强度，并且在高温下具有良好的摩擦学性能[19]。Fe-Pb-Cu轴承材料由于Pb的加入，轴承的摩擦系数减小，但是当Pb含量过大时，轴承的表面易产生金属流动，铅粒反将孔隙堵塞，使轴承运转时内部的润滑油不能渗出，摩擦性能下降，因此，含铅量太大或者太小都不利于提升轴承的性能，只有添加适当的铅，轴承的摩擦性能才能达到最佳[20]。

2.4 TiAl基轴承材料

TiAl基轴承材料具有较高的比强度、良好的抗氧化、抗蠕变和优异的抗疲劳性能及较低的密度等优点，是目前极具开发前景的高温金属结构材料[21]。并且同时具有金属的塑性和陶瓷的高温特性，在高温的环境下仍能保持足够的强度和刚度，相比于镍基合金和不锈钢等传统的高温合金，TiAl基合金的综合性能良好，韧性也高于普通的陶瓷材料，能够替代传统的轴承材料不锈钢及轴承钢等[22]。但TiAl基合金的室温延展性较低，成形较差，难以进行加工，且TiAl基合金本身具有脆性，摩擦过程中易断裂，此外，TiAl基合金的高温抗氧化性还存在不足，当温度超过850℃时，合金的高温抗氧化性开始迅速下降，阻碍了TiAl基材料的大规模应用[21，23]。

2.5 铝基轴承材料

铝基轴承材料具有良好的导电、导热性、较强的耐腐蚀性、重量轻、价格低廉等优良特点，相同体积的铝基制品质量不到铁基和铜基的1/3，能够有效减轻机械重量，节约成本，并且在工作过程中温升小，不容易锈蚀，延长了轴承的使用寿命[24]。铝基滑动轴承材料有Al-Sn系、Al-Pb系、Al-Zn系、Al-Bi系及Al-Cu系等。

Al-Sn合金由于具有优异的耐腐蚀性、嵌入性和较高的承载能力，被用于飞机、船舶、拖拉机等发动机上，但由于锡的价格昂贵，使用范围有限。Al-Pb合金铅的加入提高了材料的耐磨性和抗疲劳强度，且与锡相比，铅的价格更低，但铅会对人体产生危害，在使用过程中析出铅还会对润滑油造成污染，对机器造成损害，已逐渐不被使用。Al-Zn合金在铝基体中添加锌，具有较高的承载能力，但需要严格控制锌的添加，添加量太少软质相所起的作用不明显，添加太多合金的硬度过高，抗咬合性能降低；Al-Bi合金中Bi元素在合金中以游离态的形式存在，能够改善合金的摩擦性能，但Bi的质地较软且脆，使合金受到摩擦力的作用时延展性降低，制约合金在低载荷下的自润滑性能和高载荷下的疲劳强度[25]。Al-Cu合金是通过向铝基体中添加铜以提高材料的性能，与其他的铝合金相比具有较高的强度、硬度和耐磨性等优点，广泛应用于汽车、航天等领域[26]。

2.6 非金属轴承材料

非金属滑动轴承材料主要有塑料、炭石墨、陶瓷等。使用塑料制作的轴承具有耐腐蚀性强、质量轻、密度小等优点，但与金属材料相比，塑料的强度不足，热导率低，易受到温度和湿度的影响，导致轴承尺寸稳定性差；炭石墨材料具有自润滑性、耐高温、耐腐蚀性强的特点，与塑料相比，热导率较高，但是在湿度很低时，其润滑性会丧失；陶瓷轴承材料具有质地硬、耐高温、良好的耐磨性等特点，但具有脆性，且加工困难，成本较高[27]。

综上所述，巴氏合金轴承材料具有良好的顺应性和嵌入性，但是其耐热、抗疲劳能力较差。铜基轴承材料具有优异的抗疲劳强度和较高的承载能力，但其质量较大，价格较为昂贵。铁基轴承材料具有抗压强度高、价格低廉等优点，但其抗腐蚀能力差、嵌入性较差。非金属轴承材料的密度低、耐腐蚀性强，但其导热性能差、加工较难。TiAl基轴承材料具有较高的比强度和良好的抗蠕变、抗氧化性能，但其抗磨损能力较差，室温塑性低，且TiAl基合金本身具有脆性，使其在摩擦过程中容易发生断裂。铝基轴承材料重量轻、价格低廉，能够减轻机械的重量，节约制造成本，且铝基材料具有良好的导电、导热性及较强的耐腐蚀性，在工作过程中温升小、不容易锈蚀，适用于工作环境恶劣且追求低成本的农机轴承的制造，但铝基轴承材料质地较软，还存在强度不足的问题，因此需要继续通过优化铝基轴承的成分和制备工艺等方式提升材料的性能，使其在农机设备中具有更广的应用范围。

3 结论

农机滑动轴承作为农机设备中的一种关键零件，对农机的工作效率以及寿命有着重要影响，而滑动轴承受农机工作环境的影响，容易出现腐蚀、磨损、开裂等形式的损坏，严重影响农机寿命，因此对滑动轴承的性能要求越来越高。铝基材料由于具有优良的耐腐蚀性，能够适应恶劣的工作环境，且其重量轻，价格低廉，能够降低制造成本，减轻农民购买农机的经济压力，因此铝基材料在农机中具有广阔的应用和发展前景。