[科普中国]-炭-石墨轴承

炭-石墨轴承（carbon-graphite bearing）是指用炭-石墨材料制作的滑动轴承。滑动轴承又分为径向轴承和止推轴承两种。炭-石墨滑动轴承应用于高温及低温、高速及低速滑动情况下，对有强腐蚀作用的气体及液体介质有耐腐蚀性能。

简介由于炭-石墨轴承具有许多独特的优点，其应用范围在迅速扩大，品种也越来越多，尤其是出现了各种复合炭-石墨轴承，提高了炭-石墨轴承的强度、韧性等性能，使用范围更加广泛。轴承有滑动轴承和滚动轴承，炭素材料专门用来制作滑动轴承，各种炭轴承主要有以下几种：胶合板干燥机用轴承、防水型泵用轴承、胶合板制造机用轴承套、潜水泵用轴承、汽油流量计零件用轴承、化学泵用轴承1。

炭-石墨轴承的安全运行进行轴承的研制设计时，流体的种类（组成、密度、粘度、浓度）、温度、压力、有无料浆、轴承材质及其加工精度、轴径、转速或圆周速度、满载荷和运行频度等数据是必要的条件，最重要的是把压力值控制在极限值之内，才能保证炭-石墨轴承的安全运行。极限值也因环境条件和轴承的加工形状（如有无开槽和倒角）等变动很大，除特殊情况外，设计时要有余量，一般为极限值的50%-70%。

在干运转的情况下，炭-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磨擦面上所产生热量的限制。而磨损速率又受到轴承的材质，轴及轴承的加工情况，载荷、速度及周围介质等条件的影响。一般说来，其磨损速率与载荷、温度和速度的平方成比例。在高温下其压力值必须比低温时要小得多，才能保证轴承的安全使用。

在干运转的情况下，轴承允许的压力值亦直接受到轴承材质的影响。故在这种情况下，一般都选用石墨质和金属石墨质轴承。

在选用炭-石墨轴承的时候，还要考虑轴承的运行温度。这个温度是由两个方面因素构成的，一方面是由于轴承周围介质的温度，另一方面是由于在轴承摩擦面产生的摩擦热量。当轴承浸在液体或是被液体所喷溅的时候（湿运转），其摩擦和磨损大大地降低了，在同一条件下，材料在液体中摩擦系数和磨损量往往为大气中的1/5-1/102。

炭-石墨轴承的磨损炭-石墨轴承的磨损取决于它的材质、轴的材质及表面状况、总压力、速度和周围环境等因素。就轴承来说，存在着两种形式的摩擦，即静摩擦和动摩擦。静摩擦取决于表面状态和所采用的材料。一般说来，炭-石墨轴承的静摩擦比同样情况下的金属轴承要小一些。

如果能够降低轴承的磨损，不仅增大了轴承的寿命而且也可提高极限值，改善不良的运行效果，保证炭-石墨轴承的安全运行。

炭-石墨轴承的性质1.良好的自润滑性能

炭-石墨轴承具有良好的自润滑性能，主要有两方面原因。原因之一是：石墨晶格内的碳原子按正六角形排列于各平面上，原子间的距离较近，为0.142nm，而各平面之间的距离为0.335nm，并且沿同一方向相互错开。第三个平面重复第一个平面的位置，第四个平面又重复第二个平面的位置，依次类推。在每一个平面上，碳原子间的结合力很强，而平面之间的距离较大，它们之间范德华作用力很弱，故层与层之间易于离开和相对滑动，这就是石墨材料具有自润滑性能的根本原因。

原因之二是：石墨材料与大部分金属材料有较强的附着力，因此在与金属对磨时剥落的石墨就很容易附着在金属表面上，形成一层石墨膜，变成了石墨与石墨之间的摩擦，从而大大降低了磨损和摩擦系数，这也是炭-石墨轴承具有优良的自润滑性能与减摩性能的原因之一。

正由于炭-石墨轴承具有良好的自润滑性能，在使用时可以不加润滑油而干运转，因此，炭-石墨轴承就被在工作时不允许加润滑油的工业部门所广泛采用。

2.具有良好的化学稳定性

石墨材料是一种化学稳定的材料，其化学稳定性不逊于贵金属。在熔融的银中它的溶解度仅为0.001%-0.002%。石墨不论在有机或是无机的溶剂中都不溶解。在大部分酸、碱和盐中不腐蚀、不溶解。

3.炭-石墨轴承的耐高温性能

经过实验，一般炭素级轴承使用温度可达350℃；金属石墨级轴承也是350℃；而电化石墨级轴承可达450-500℃（在轻载荷情况下），其物理和机械性能仍保持不变，如果在真空或者保护气氛下，其使用温度可达1000℃。

4.炭-石墨轴承的其他性能

炭-石墨轴承与其他轴承相比较，还具有导热性高，线膨胀系数小，耐急冷急热等性能。但是，炭-石墨制品是一种脆性的硬度不高的材料。它的机械强度依其结构和工艺条件而定。密度高的，机械强度也大。一般的炭-石墨材料的体积密度在1.55-1.98g/cm3之间，其抗压强度为20-68MPa，比强度为中等，但它的机械强度随着温度的升高而增大，在2000-2500℃之间它的机械强度大约比室温下增加一倍，在这样的温度下，它的比强度比现有的许多材料都高。尽管如此，由于炭-石墨材料属于脆性材料，其本身所固有的强度（在常温下）又不算高，因而使用范围受到了限制。

这个问题得到了解决，主要方法是：其一，改善原材料的粒度；其二，浸渍金属、树脂或聚四氟乙烯等；其三，在炭-石墨基内添加炭纤维等材料，还有利用固体润滑剂等，因此，不但改善了它的运转性能，而且轴承的强度和韧性都有很大的提高。据介绍，用树脂浸渍炭-石墨轴承，其强度可增加2-3倍，用金属来浸渍其强度就增加的更大。

5.炭-石墨浸渍轴承的性能

炭-石墨轴承选用哪种材料做浸渍剂比较合适，要根据轴承的工作条件来决定。用来浸渍炭-石墨轴承的有酚醛树脂、呋喃树脂，环氧树脂等等。

6.炭-石墨复合轴承

炭-石墨复合轴承的种类很多，材质除单一的炭质或石墨质外，为了改善润滑性和耐磨性，提高强度和硬度等各种需要，改变原料种类、配比和制造条件，来制成各种复合材料，这些材料的工业发展史较短，但发展得很迅速，具有很大的发展潜力。

该种轴承耐腐蚀性好，对于酸、碱和有机溶剂较稳定。耐热性好，因其热膨胀系数小，故热稳定性好，可适用于-250℃-250℃这一较宽的温度范围。

7.添加固体润滑剂

人们熟悉的固体润滑剂有石墨、二硫化钼、云母及滑石等，后来新开发了氟化石墨。固体润滑剂除以粉末状态的形式单独使用外，也常将其分散于水或油中，或者添加到润滑脂中使用3。

炭-石墨轴承的应用范围1.应用在轴承运转时不准许使用油脂润滑剂的地方

例如食品、饮料、纺织、化学等工业部门中使用的运输机、造纸工业用的干燥机、纺织工业中的布干燥机、人造纤维织机和香烟制造设备及潜水泵用机等的轴承。在这些地方油脂润滑剂被禁止使用，而炭-石墨轴承的自润滑性能很强，可不需要使用润滑油而进行干运转，因此，在这些部门可以广泛使用。

2.应用在因温度高而普通轴承不能使用的地方

铸锭运送机、锅炉预热器和锅炉室中焰管通风门和鼓风机、高温炉运料机、钢铁工业中的加料机以及烟道阀门调节机等的轴承均可使用炭-石墨轴承，而能保证其正常运转。

3.应用在化学和纺织等工业中

有些轴承运行在有腐蚀性的气体或者液体之中，在这种场合下，不但禁止使用油脂润滑剂，而且金属轴承也会很快被腐蚀。例如，叶轮轴承浸在各种液体里运转的离心泵；轴承在汽油、石腊、煤油等液体里运转的燃料计量泵；主叶轮轴承浸在热水中运行的中心热循环泵；轴承运行在各种具有腐蚀性介质中的混合器；主叶轮轴承浸在热水中运转的自动洗涤机；轴承浸在各种液体里的液体测量计，以及轴承运行在有酸喷溅的人造纤维湿法纺织机等，都采用炭-石墨轴承。另外，现代科技还需要炭-石墨轴承能够在放射性介质复杂环境中安全使用等3。

总结总之，现代的军事、经济、工业的发展对炭-石墨轴承提出了更高的要求，高密高强炭-石墨材料越来越受欢迎。可以通过细化原材料粒度，改良浸渍工艺、向炭-石墨基材中添加炭纤维、聚四氟乙烯、二硫化钼等添加剂来改善炭-石墨轴承的性能，哈炭厂研制的潜水泵用新型轴承M209F和印染行业用复合炭-石墨轴承，便是对原炭-石墨轴承成功的改良，使之适应了新环境，延长其使用寿命，有时甚至可以代替密封材料制成滑片、活塞杆、密封环、轴承等零件用于各个领域，可见，其应用还有待进一步开发1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学