水润滑陶瓷滑动轴承研究综述

水润滑陶瓷滑动轴承研究综述

王蕴1刘峰2

(1.白城师范学院机械电子工程系，吉林白城 137000 2.天津大学机械工程学院,天津 300072)

摘要：现行的滑动轴承多为油基滑动轴承，但是由于矿物油严重的污染问题，不符合工业界绿色制造的趋势。水作为一种资源丰富、低成本、无污染的润滑介质，可以和具有独特性能的陶瓷材料组成水润滑陶瓷滑动轴承，以独特的优势应用于工业界。本文通过对水润滑陶瓷滑动轴承研究情况的总结，首先介绍了水作为润滑剂的特性，其次分析了当用作水润滑轴承时不同陶瓷材料的摩擦磨损特性，最后重点讨论了水的改性、轴承润滑方式的选择、轴承设计方法、制造及试验等水润滑陶瓷滑动轴承关键技术，期望上述研究工作促进水润滑陶瓷滑动轴承进一步发展。

关键词：水润滑，轴承，绿色制造，润滑剂

中图分类号：TH133.31; TH117

AN OVERVIEW OF WATER-LUBRICATED CERAMIC BEARINGS

WANG Yun1WANG Zhan Bin2WEI Jian Hua2

（1.Department of Mechanical & Electrical Engineering,BaiCheng Normal College, BaiCheng, JiLin 137000 China 2.School of Mechanical Engineering,Tianjin University 300072 China ）

The State Education Ministry Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, Tianjin

University, Tianjin, China

Abstract:Bearings are normally lubricated with oil-based lubricants, which are not considered environmentally-friendly in green manufacturing. Water, one of the abundant resources, can be used as a lubricant in industry. However, due to its physical and chemical properties, there are advantages and limitations in water-lubricated ceramic bearings. This paper reports a review of the published research works on water-lubricated bearings. We have compared water as a lubricant with others. We also have compared the wear mechanisms/behaviors and applications of these bearings made of different ceramic materials. Finally, we have highlighted the improvements of water, the selections of bearing materials and lubricating modes, the methods for new design of the water-lubricated bearings and the critical issues in manufacturing of these bearings, which are wished to be helpful for development of water-lubricated ceramic bearings.

Keywords: Water-Lubricated, Bearings, Green Manufacturing, Lubricant

1．绪论

近年来，液浮滑动轴承作为高精密主轴的关键技术受到广泛的关注。但是对于传统的滑动轴承摩擦副，由于润滑油粘度较高，并且在高速回转时由于发热大，导致机床热稳定性变差，因此使得油润滑滑动轴承不适合应用于高精密技术领域。而理论上来讲，同种工况下如果高速轴承采用低粘度的水来润滑，摩擦副发热则会比较小；并且水本身所固有的清洁性和阻燃性能够满足现代社会对工程技术的安全性、环境友好性要求，它具备作为矿物油低成本的替代品的潜力。现在，水润滑滑动轴承逐渐成为当今精密加工行业的一大前沿研究课题[1]。

传统的滑动轴承材料多为金属，但是其密度大、热导率与热膨胀系数大，如果用在精密主轴系

统中，主轴性能会受到很大影响。同时由于水对于金属有锈蚀性，因此在水润滑条件下金属已不再适宜作为轴承材料。但是陶瓷材料可以弥补水润滑的一些缺点，它具有耐磨损、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等优良特性，因此它可以适应水润滑的边界摩擦和干摩擦状态，同时也不易发生腐蚀[2]。因此水润滑陶瓷轴承具备实现高速高精度指标、广泛快速发展的潜力。

2．水作为润滑剂的特性

矿物油是滑动轴承最为普遍的润滑剂，因此选用某品牌L-FD-22主轴润滑油与水进行性能对比。

表1 水与润滑油性能比较

特性油(L-FD-22)水

20 ºC下比重0.87 1.00

运动粘度(mm2/s)24.2 0.66

比热(kJ/kg·K) 2.11 4.18

闪（沸）点(ºC )140 100

倾（熔）点(ºC )-12 0 如表1所示，水与润滑油最大的不同在于粘度。水润滑主轴的承载能力、刚度都比较低，所以润滑形式的选择、结构设计及制造技术对水润滑轴承极为重要。同时，相同工况下水膜厚度会比较小，边界润滑或干摩擦情况可能会出现，因此轴承材料应具有较高的耐磨性。但水的低粘度带来的好处是，其摩擦功率要远小于油润滑形式时的摩擦功率，理论上水润滑主轴系统的发热量就较小，回转精度也较高。

与油相比水具有更高的比热值，相同情况下摩擦副的温升也更小，因此当主轴转速很高时水润滑主轴具有更优良的热稳定性，这也是水润滑轴承最为突出的优点之一。

水的溶点更高导致水润滑轴承不适宜用在冰点以下的环境。同时水的沸点较低，因此在循环润滑系统中应该设计温度控制环节以防止水蒸气产生。事实上由于高的比热值，当水作为轴承润滑剂时一般工作温度远低于其沸点。另外，由于水没有闪点，并且水本身就是天然灭火剂，当采用水润滑轴承时工作安全性也要更高。

3．陶瓷材料的选择

同传统金属轴承材料等相比，陶瓷轴承材料具有许多优良性能，主要有：陶瓷材料耐磨性好，因此在边界润滑甚至短时间干摩擦情况下依然能保持良好的工作状态；具有耐腐蚀、绝缘和耐高温的优良性能；陶瓷材料的高刚性使得陶瓷滑动轴承可减轻机械的振动，从而提高精度；陶瓷材料的高硬度、较高的抗压强度及很低的摩擦系数，使陶瓷滑动轴承具有更长的寿命；陶瓷材料的低热膨胀特性，使陶瓷滑动轴承能在温度变化大的环境中使用；作为多孔材料，陶瓷滑动轴承又具有一定的自润滑性。

常用的工程陶瓷材料主要有Al2O3、ZrO2、SiC 和Si3N4，但是其在干摩擦及水润滑条件下的摩擦磨损机理又不尽相同。当干摩擦发生时，陶瓷摩擦副的摩擦性能较为关键；当轴承中水膜完整时，陶瓷摩擦副的流体摩擦作用会很明显。下面分别对这两部分进行研究。

干摩擦:干摩擦条件下增韧ZrO2（部分稳定氧化锆PSZ、氧化钇稳定的四方多晶氧化锆Y-TZP、氧化锆增韧氧化铝ZTA）磨损机理主要包括塑性变形及磨粒磨损，高速情况下发生脆性断裂。Al2O3同样会发生脆性剥落及磨粒磨损。非氧化物陶瓷方面，在不同的工况下，Si3N4磨损行为包括微裂纹、塑性变形、犁耕及粘着。Andersson和Holmberg对Si3N4相对钢和其本身进行盘销试验后发现，Si3N4很容易发生摩擦层迁移现象[3]。SiC的磨损机理与Si3N4类似，但是其摩擦的副产物SiO2，如同固体润滑剂一样可以附着在SiC摩擦副表面，有效减少磨损量和降低摩擦系数，可能发生的反应[4]

SiC + 2O2→ SiO2 + CO2

单从干摩擦性能来看，SiC更适宜作为轴承材料。

水润滑：在水润滑条件下，氧化物陶瓷Al2O3和ZrO2受流体润滑作用影响更为明显。其中Al2O3经流体摩擦会产生Al(OH)3，可以提高其耐磨性。