塑料在滚动轴承中的应用

时间：2010-12-20

滚动 轴承 是机械传动中不可缺少的重要零件，它对于提高传动效率，降低能耗起着不可替代的作用。

在现代滚动 轴承 技术发展过程中，为提高 轴承 的承载能力，对其进行优化设计，采用新材料新技术。塑料，特别是工程塑料以及特种工程塑料已日益显示出它们在 轴承 行业所具有的优越性和重要性。

塑料比重小，耐磨损、耐腐蚀、耐辐射、韧性好，能抗震、能嵌埋固体异物，并能根据设计和使用要求进行有针对性的改性以提高其相应的性能，加工方便，可直接注塑成型复杂的结构，提高了设计的灵活性和自由度，这一切为塑料在滚动 轴承 中的应用提供了技术和经济上的可行性。

塑料在滚动 轴承 中的应用概况

自1930年以热固性树脂制成的 轴承 首次面市以来，在 轴承 领域里各种聚合物和以聚合物为主的各种混合物的应用不断增加，应用范围也不断扩大。

塑料在 轴承 保持架上获得应用

第二次世界大战后，瑞典SKF 轴承 公司用PA66成功制作了“0”类 轴承 塑料保持架；上世纪70代美国铁姆肯 轴承 公司对汽车前轮主轴圆锥 轴承 采用PA66保持架进行了系统的试验和研究，行车试验16万公里以上，尼龙保持架良好无损，证明了其性能寿命优于钢保持架。

应用塑料保持架最为突出的是德国。SKF公司在上世纪80年代，己有70％圆柱滚子 轴承 和80％的新一代圆柱滚子 轴承 都采用了塑料保持架；FAG 轴承 公司在它为每辆汽车提供的50多套 轴承 中绝大多数采用了塑料保持架，“E”型对称球面滚子 轴承 (D≤320mm)100％采用PA66/GF保持架，滚子加长数量增多，从而使 轴承 承载能力提高了7％-37％，使用温度为-60-+120℃。SKF公司在有高速、高温，化学侵蚀要求的场合，已广泛使用PEEK/GF。

为了满足汽车领域极为苛刻的应用需要，SKF的工程师在深槽滚珠 轴承 的设计中开始转而使用VICTREX PEEK等高性能聚合材料

我国应用塑料保持架起步于上世纪60年代中期。上世纪80年代，在国外各类 轴承 结构的塑料保持架都在兴起并广泛应用的影响下，国内也有不少单位慎重开展了塑料保持架的研究开发和应用工作，并在军品 轴承 和一些专用 轴承 中获得较好的应用。另外在电机 轴承 、轧机 轴承 、冷冻机 轴承 、直线运动 轴承 、重大型 轴承 等方面，塑料保持架也逐步得到应用。

保持架是滚动 轴承 中的重要零件。它不但要受到摩擦力、张力和惯性力等机械应力的作用，而且还要受某些润滑剂、润滑添加剂或其老化产物、有机溶剂或冷却剂产生的化学作用，它们的影响程度还可能受到诸如高温、冲击、振动、辐射等因素及其因素组合的影响。

保持架材料的性能和运行的可靠性是保证 轴承 正常工作的关键之一。高分子材料保持架能实现强度和弹性的完美结合，它在润滑的钢材表面有良好的滑动性能，极低的摩擦力，从而使 轴承 的磨损和发热保持在最低的水平。低密度材料的惯性低，即使在缺乏润滑剂的条件下，塑料保持架也仍具有优良的运行性能，因此 轴承 即使是连续工作也不会有卡死和二次损伤的风险。

塑料保持架可在相同外形尺寸和截面条件下容纳数量更多、尺寸更大的滚动体，从而提高 轴承 的承载能力，另外在存贮润滑剂改善润滑条件、减少振动、自调适应性和节约材料、提高生产效率方面都具有明显的优越性。目前塑料保持架主要用材是玻璃纤维增强尼龙66， 玻璃纤维含量25％-30％。随着工程塑料改性技术的发展和新材料的出现，将会进一步扩大塑料在 轴承 保持架中的应用。

塑料在滚动 轴承 中应用的进一步拓展

塑料在 轴承 保持架的广泛应用，己突显了塑料在滚动 轴承 中应用的优越性。随着现代科技的发展，塑料新材料的成功开发及应用范围的延伸，为塑料在滚动 轴承 中的应用进一步拓展了空间。

1)、 轴承 保持架用塑料己从PA66/GF，逐渐开始使用PTFE、PTFE/GF、PEI、PVDF、PEEK/GF、PEEK/CF、PPS、PI、UHMWPE等材料，以适应不同的工况要求。如PTFE、PVDF主要用于有耐腐蚀要求的工况条件；UHMWPE有较好的强度、低的摩擦性以及低温应用特性(最低可至-150℃)，PEEK/GF或CF主要用于耐高温、耐辐射、低摩擦等工况条件。

2)、内、外圈已出现用塑料制造。种类较多，用途各异。

例如：内、外圈用POM或PA， 保持架采用PA66/GF (wt25％)，滚动体为玻璃、不锈钢或陶瓷(主要是氧化锆ZrO2、氮化硅Si3N4、碳化硅SiC)。此种 轴承 在碱性环境下表现良好，但不适用酸性腐蚀环境下运行。

内、外圈用HDPE、PP或UHMWPE， 保持架采用HDPE、PP或UHMWPE的 轴承 ，可用于相对较弱酸碱交变环境(通过30％CuCL2溶液和30％NaOH溶液测试)，可适用于大多数酸/碱/盐/溶剂/油/气体及海水腐蚀环境。

内、外圈采用PEEK/CF、PEEK/GF、PI、PPS等材料也有使用。以POM或PEEK为内、外圈， 保持架为PA66或PA66/GF或PEEK的塑料 轴承 ，其精度和公差比一般的塑料 轴承 提高很多，可适用于精密机械、特殊工况和转速要求较高的场合。

3)、目前滚动体材料基本上是使用不锈钢为主，陶瓷、玻璃的滚动体也有采用。近年来已出现了用PEEK、PI制造的滚动体。

轴承 主要原料为SiC

4)、目前滚动体材料基本上是使用不锈钢为主，陶瓷、玻璃的滚动体也有采用。近年来已出现了用PEEK、PI制造的滚动体。

塑料的发展，为其在 轴承 中的应用提供了有力技术支撑

在国外，塑料 轴承 发展很快，应用范围也较广泛，这首先得益于塑料的发展。据报道，美国TIMKEN 轴承 公司研发了一种先进的 轴承 材料，这是继NSK 轴承 公司开发塑料 轴承 材料和SKF 轴承 公司研发高性能的汽车塑料 轴承 保持架之后又一个新发展。日本精工在2005年通过优化PA原材料分子量、GF直径以及与GF的混合比例等，将材料的刚性和拉伸强度分别比以前应用的材料提高了70％和45％，从而提高了材料的承载能力和抗蠕变性能，这对于提高 轴承 的性能提供了有力的技术支撑。

在国内，原材料的生产尤其是 轴承 专用塑料品种的研发和生产起步较晚，与国外有较大的差距。我国的工程塑料及特种工程塑料不少品种还主要依靠进口，有的所谓“战略物资”国外对我国仍实行封锁，这在一定程度上制约了我国塑料 轴承 的发展。

塑料在 轴承 中应用需注意的问题

塑料的不少性能特点与金属相比使其在 轴承 中获得了广泛的应用，但塑料一些固有的特性也使其在 轴承 中应用时不得不要给予充分的考虑。如强度相对较低、硬度较差，热膨胀系数比金属大得多，导热系数低，导热性差，热变形温度低，有的塑料耐酸碱性能相对较差，还有高温蠕变等问题，有的塑料耐油性差等，下面就有关一些问题提出我们的看法。

配合精度

在GB和ISO标准中规定了 轴承 的精度等级，除普通精度P0级外，还有P6、P5、P4级，精度依次提高，这一标准只适用于钢 轴承 和陶瓷 轴承 而不适用于塑料 轴承 。塑料 轴承 的精度与上两类 轴承 相比相对较低。

游隙值的设定和控制是决定 轴承 精度非常重要的指标。滚动 轴承 运转中的内部游隙值的大小，对其疲劳寿命、振动噪音、温升等 轴承 性能影响很大。所谓游隙值是指 轴承 内圈（或外圈）一方固定，将另一方的套圈上下或左右方向移动的移动量。对钢 轴承 和陶瓷 轴承 的游隙值国家有相关规定。但对内，外圈或内、外圈滚动体全部是塑料制造的，该规定不适用，这可能是因为塑料的热性能较差，使游隙值较大而且难以控制的原因。

同样，使用塑料 轴承 时其径向配合间隙比金属 轴承 要大。例如对碳纤维填充的PTFE而言，通常取 轴承 内径间隙为(0.006-0.015)D，D为轴径(mm)。一般情况下，总径向间隙不得小于0.1mm(当D<10mm时，其间隙值可小于0.1mm)，这样可避免 轴承 因材料膨胀而抱死。

热膨胀系数的大小与制品精度密切相关。一般热膨胀系数的降低会使材料的成型收缩率减少、制品精度提高，因此为减少塑料 轴承 的游隙值，提高配合精度，必须使材料的热膨胀系数降低。另外需注意的是对纤维增强塑料而言，由于纤维在流动方向的取向，使流动方向上的热膨胀系数要大于垂直方向，产生各向异性，使制品挠曲，尺寸稳定性变差。

相对运动的零件要有较高的刚性和一定的硬度差

金属 轴承 其内、外圈与滚动体， 滚动体与保持架的材质之间均有一定的硬度差。这对塑料 轴承 来说，也有同样的要求。

塑料的硬度与刚性密切关联。凡能提高材料刚性的措施都有提高硬度的效果。

塑料与不同材料配合时会产生不同类型的磨损。当啮合材料为金属时，与较硬金属（如钢）配合时磨损较小，而与较软金属（如黄铜、铝合金等）配合时磨损较大。如金属表面不平则会产生“剥蚀磨损”；如金属表面很光滑，则会产生“粘着磨损”。当啮合材料为异种树脂时，粘着磨损一般会较大，其程度视品种而异，如PBT、PA与POM亲合性差，不易产生粘着磨损，而ABS、PP与POM则易产生粘着磨损。当啮合材料为同种树脂时，其摩擦磨损特性要比与金属或异种树脂配合时要差得多，粘着磨损要大得多，这一方面是因硬度差不够，另一方面是因为树脂的耐热性较差，导热性比金属低，尤其是在高压下滚动，滑动面产生异常高温而出现蠕变，硬度下降，大大促进了粘着，同时很容易发出刺耳噪音甚至抱死。

同类材料之间没有足够的硬度差，易导致相对运动时有较大的摩擦，产生的大量摩擦热积蓄在摩擦面上，而使树脂软化甚至熔融，使摩擦阻力进一步扩大；而树脂与金属之间存在有硬度差，同时摩擦系数较小，金属易于导热，使积蓄在摩擦面上的热量耗散而减少，从而使树脂软化或熔融要发生在更高的载荷或更快速度之下。

在金属 轴承 中，滚动体的硬度一般比内外圈高，这对于减少摩擦磨损，提高 轴承 使用寿命和承载能力是有利的。目前在塑料 轴承 中，滚动体很少采用塑料，刚性或硬度差不够也许是一个重要的原因。

降低摩擦磨损问题

通常对高分子材料的摩擦磨损特性用摩擦系数、比磨耗率、临界PV值和噪音等指标来评价。

在塑料中一般POM、PA66、UHMWPE、PTFE、PEEK等材料的耐磨性较好，但作为摩擦付使用时，其摩擦系数仍较高， 比磨耗率较大， 临界PV值也较低，甚至会发生刺耳噪音。

一般材料的摩擦系数小，自润滑性也好。具备自润滑性的条件是分子间的凝聚力要小，分子结构中原子呈对称排列。另外润滑性能与润滑条件有关。

从耐磨耗性来看，UHMWPE、PA、POM、PTFE等树脂均优于碳钢和黄铜。

为降低树脂的摩擦系数和磨耗量，除选用摩擦系数小的树脂，改善润滑条件外，还可以通过在树脂中填充耐磨填料，如PTFE、UHMWPE、石墨、MoS2、润滑油、青铜粉等以及用GF、CF等纤维增强一系列改性措施。

PV值的问题

PV值是表示相对运动零件之间压力与速度关系的一个很重要的指标。临界PV值是塑料及有关覆盖层滑动 轴承 的干摩擦和油润滑时压力(载荷)或速度的极限，它决定了材料的耐磨性，是对产品的寿命或产品使用温度的限制，此值与摩擦功率损耗成正比，它表征了 轴承 的发热因素。限制PV值的目的就是限制温升，防止 轴承 温升过高而出现胶合破坏。

PV值的大小与树脂的基体的性能、摩擦对象、润滑条件与工作温度等有关。例如POM相互配合时的临界PV值为0.04-0.09MPa.m/s，通过自润滑改性后， 临界PV值可达0.196MPa.m/s; 而POM与45#钢配合时， 临界PV值可高达0.392-0.588MPa?m/s。PTFE基纳米复合材料的PV值可达1.42-1.49MPa.m/s，使用温度可达230℃。不同的树脂在同一速度时，不同的温度下PV值不同；同一种树脂，在不同的温度下PV值也不同。

PEEK特别是CF增强级别，在200℃下，V=183m/min时其PV值可达60MPa?m/min，而且摩擦系数小、 磨损率低，因此它在 轴承 中的应用前景很明显。GF和CF增强PEEK的热变形温度可达315℃，长期使用温度可达250-260℃；在各种压力、速度、温度和原始粗糙程度条件下都表现出良好的耐磨性、自润滑性，它适用于对摩擦系数要低，耐磨耗要求严格的工况。

PEEK的耐γ射线辐照性、耐化学剥离性，耐疲劳性是所有树脂中最好的。它可在超过250℃的蒸汽或高压水中使用数百小时而性能不会有很大的变化。PEEK在宇航，航空以及特殊工况下使用的塑料 轴承 提供了极大的材料优势。

PA66/GF一般使用温度不超过120℃，对某些侵蚀性强的介质如压缩机中作为制冷剂使用的氨，它就不能在70℃以上的工作温度下使用。SKF公司在保持架中普遍使用PEEK/GF，以满足对高速，化学侵蚀或高温而严格要求的交流电机或变压器等应用埸所。

总之，应根据临界PV值、树脂的温升发热情况，使用的工况条件来合理选择 轴承 所用的塑料品种。

做好节能减排

即使在金属结构的 轴承 中采用了塑料保持架，为进一步减少摩擦，仍然要使用润滑剂，而且一旦内部的润滑剂用完，其寿命便宣告结束。对 轴承 寿命而言，最关键的是起动阶段，在初始运行阶段，由于润滑膜尚未形成， 轴承 往往处于干态运行，如 轴承 从运行一开始就有润滑，这就能解决润滑膜滞后形成的问题。

美国igus系列塑料 轴承 无需添加润滑剂，实现了环保化，其聚合物 轴承 内部的固体润滑剂还可以减轻 轴承 质量，同时减少燃料和润滑剂的消耗量，减少二氧化碳的排放量。

从这方面来看，用于制造 轴承 零件的聚合物应进行必要的改性，以解决润滑膜滞后形成的问题，达到尽量少用甚至不用工业润滑剂，实现节能减排。

结论

塑料因其所具备的特性，通过适当而必要的改性后，能够而且已经在 轴承 中获得了应用。

塑料在 轴承 内、外圈中的应用得到了稳步发展；对其在滚动体上的应用应根据具体情况慎重对待。

要根据临界PV值，摩擦磨耗特性以及各种塑料特性，合理选用应用埸合。目前PEEK/CF(或GF)的性能最为突出。

塑料在 轴承 上应用时，要注意技术可行性、经济可行性和环保性的协调。