轴承用材料
在处理动态机器时，一个主要问题是摩擦．增加摩擦会导致过程变慢和操作效率低下。由于表面之间频繁的金属对金属接触，也可能对机器造成损坏。
摩擦可以通过使用来解决润滑剂，但即使是润滑剂也不是一个非常有效的解决方案。必须使用合适的润滑剂来适应特定的应用，否则它根本就不会有效。除此之外，润滑剂需要经常更换，并且必须正确处理，以避免任何环境污染。克服这些缺点的另一种选择-轴承．
轴承是一种机械组件，使机械能够高效、轻松地承载重物，并在减少摩擦的同时以极高的速度进行线性或旋转运动。几乎所有涉及运动部件的应用都使用一个或多个轴承。它们在几乎所有系统中都发挥着关键作用，从吊扇到汽车再到工业机械。
轴承行业使用各种材料制造不同的轴承部件。这些轴承材料经过不同的热处理和工艺，以获得所需的性能，以最大限度地提高轴承寿命和性能。
在这里，你将了解到:
- 不同类型的轴承
- 最常用的材料用于轴承和轴承部件
- 轴承材料的典型应用领域和选择合适材料时考虑的因素
轴承类型
下面列出了一些最常用的轴承，每种类型用于自己的应用[2]。
轴承类型 |
应用程序 |
例子 |
滚珠轴承 |
轻推力和径向负荷 |
电脑风扇 |
滚子轴承 |
径向载荷大 |
输送带托辊 |
滚珠止推轴承 |
轻径向负荷和低速应用 |
里 |
滚子止推轴承 |
大推力载荷 |
齿轮组 |
圆锥滚子轴承 |
推力大，径向载荷大 |
汽车中心 |
用于轴承的金属材料
铬钢SAE 52100
滚子，球和圆锥滚子轴承通常由铬制成SAE 52100轴承钢。这种材料优异的耐磨性能和一个洛氏硬度约64 HRC。由铬钢制成的轴承可以在高达120度的温度下工作°C，经过热处理，甚至可以高达220°C.然而，铬钢轴承的一个缺点是低铬含量这使得它们很容易腐蚀。
不锈钢AISI 440C
不锈钢轴承具有更高的铬含量(高达18%)，使其在耐腐蚀性方面优于SAE 52100。它们可以在高达250度的温度下工作°C但硬度和整体承载能力较低，此外有较高的生产成本[3]。
AISI 440 c的是一种高碳不锈钢，用于滚动接触轴承(球或滚子轴承)。它广泛应用于腐蚀性环境和耐腐蚀性比负载能力更重要的应用，如仪表球轴承[4]。
轴承钢化学成分[3]
元素 |
%重量 |
|
Sae 52100(美国) |
Aisi 440c(美国) |
|
碳 |
0.95 - 1.1% |
0.95 - 1.2% |
铬 |
1.3 - 1.6% |
16 - 18% |
硅 |
0.15 - 0.35% |
1%的马克斯 |
锰 |
0.5%的马克斯 |
1%的马克斯 |
钼 |
0.08%的马克斯 |
0.75%的马克斯 |
磷 |
0.012%的马克斯 |
0.04%的马克斯 |
镍 |
0.25%的马克斯 |
0.25%的马克斯 |
硫 |
0.25%的马克斯 |
0.30%的马克斯 |
AISI 440C可以热处理和硬化高达60 HRC。它的主要缺点是它的缩短疲劳寿命与SAE 52100相比。然而，一些应用通过使用集成了高疲劳和耐腐蚀的特性chrome-coated轴承由标准SAE 52100钢[4]。
轴承使用的其他金属材料包括[1]、[4]:
用于轴承的非金属材料
非金属轴承材料具有多种性能，适用于大量应用。它们通常用于低PV(压力-速度)值的应用中导热系数低与金属相比，除满足自润滑、低成本、耐化学性和高温稳定性要求外。非金属轴承材料可分为塑料、陶瓷、橡胶、碳石墨和其他材料。这里有一些常用的材料。
尼龙
尼龙是一种聚酰胺，一种晶体材料，广泛用于轴承材料，作为金属套筒或注塑套筒内的烧结层。它具有优异的韧性、耐磨性、疲劳性和耐化学性。尼龙轴承通常用于轻负荷应用，如家用电器[4]。尼龙填充MoS2特别是增强了润滑性能，非常适合于轴承。
酚醛材料
酚醛材料通常用于高速球轴承的保持架，如机床设备主轴。它们对水、酸性和碱性溶液具有良好的电阻性。然而，它们具有较低的热导率，并且易于膨胀，这使得它们在高负载速度应用[4]中不太理想。它们被用作电气开关装置、水轮机轴承和船舶螺旋桨轴轴承中的金属轴承的替代品。虽然酚醛网箱强度高，重量轻，但生产成本高，因此，塑料通常被用来代替它们。
丁腈橡胶
丁钠橡胶或丁腈橡胶是最常见的轴承密封材料之一。它耐多种化学物质，可在很宽的温度范围内使用。它还具有良好的机械性能，生产成本低廉。轴承密封件也可以由硅树脂和氟橡胶制成。但是，由于它们的高成本，它们仅在特定应用程序需要其独特属性时使用。
聚四氟乙烯
聚四氟乙烯(PTFE)特氟龙是一种热塑性高分子材料，具有较高的化学惰性、自润滑性能和低摩擦系数，是一种适用于滚动轴承保持架、轴颈和滑动轴承等的材料。特氟龙是一种柔软的材料，耐磨性和蠕变性较低，但通过加入添加剂，如纤维或较硬材料的颗粒[4]，可以提高一千倍。
非金属材料[4]轴承设计性能
材料 |
最大压力(MPa) |
最大速度(米/秒) |
最高温度（°C) |
光伏(Pa.m / s) |
PTFE(聚四氟乙烯) |
3.4 |
0.51 |
260 |
35000年 |
酚醛树脂 |
41.4 |
12.7 |
93 |
525000年 |
缩醛 |
6.9 |
5.1 |
82 |
105000年 |
聚碳酸酯(聚碳酸酯) |
6.9 |
5.1 |
104 |
105000年 |
尼龙 |
6.9 |
5.1 |
93 |
105000年 |
轴承材料的选择
没有理想的轴承材料——它们可以由塑料、金属或复合材料制成，这取决于轴承的类型、应用、速度、负载和运行条件。润滑方法也是一个关键因素。至关重要的是要考虑到轴承材料只是轴承选择过程中的一个细节，如果忽略其他设计原则，即使是最昂贵的轴承也不能确保成功的性能。
在应用要求方面，轴承材料应满足两个相反要求之间的平衡。一个是所使用的金属应足够坚硬和坚固为防止蠕变等问题，应具有适当水平的疲劳和抗冲击能力。另一方面，基质应该是柔软的、可塑的足以符合机械加工。在材料选择时要考虑的特性有[4]:
来源
[1] N.K. Jha，“轴承与绿色工程”，可持续发展的绿色设计与制造，博卡拉顿:CRC出版社，2015年。
[2] K. Nice，“轴承如何工作”，n.d.，可用[在线]:https://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/bearing3.htm[2019年11月14日访问]
[3] R.K. Upadhyay和L.A. Kumaraswamidhas，“轴承故障问题和通过表面工程的纠正措施”，在A.S.H. Makhlouf和M. Aliofkhazraei (Ed.s)，材料失效分析手册与案例研究，从建筑业，牛津:Butterworth-Heinemann, 2018。
[4] A. Harnoy，“滚动轴承的选择与设计”，机械轴承设计:工程摩擦学与润滑纽约:马塞尔·德克尔，2002年。
[5]“轴承材料-陶瓷，铬钢，不锈钢和塑料”，n.d，可用[在线]:https://www.astbearings.com/bearing-materials.html[2019年11月14日访问]