王镇泉 谭春飞 蔡镜仑
摘要：由于聚晶金刚石硬度高，耐磨性好，磨擦系数小，热传导系数太，是一种理想的滑动轴承摩擦材料。英国已有滑动轴承牙轮钻头，我国目前也在开展此方面的研究。本文介绍了聚晶金刚石滑动轴承的摩擦机理和摩擦磨损特性以及使用性能试验和效果。
关键词：聚晶金刚石，轴承
一、绪论
聚晶金刚石以其的性能，在各个工业领域的应用越来越广泛，从磨料，刃具到电子光学等部件，聚晶金刚石的应用正向多极化的方向发展。深入全面地开展聚晶金剐石的应用广度和深度的研究，必将对世界工业的发展产生巨大的影响。为此笔者将近年来在聚晶金刚石滑动轴承方面的一些研究成果在此发表并提出一些观点和建议，以促进这项工作的进一步开展。
由于聚晶金刚石硬度高，耐磨性好，摩擦系数小，热传导系数大，是一种理想的滑动轴承摩擦材料。特别在PV值较大，润滑条件恶劣的情况下，更有其的优势。国外在此方面的研究发展迅速，已有产品在石油、地质、矿山等设备工具上应用。美国在九十年代研制成功井下动力钻具有PDC滑动止推轴承，并申请了PDC滑动轴承牙轮钻头。国内也积极开展了此方面的研究工作。笔者为提高牙轮钻头滑动轴承的工作性能，对聚晶金刚石滑动轴承的磨擦性作了大量的试验研究工作，初步探索了聚晶金刚石滑动轴承的摩擦机理和摩擦磨损特性。
二、聚晶金刚石用作滑动轴承摩擦材质的可行性分析
在PV值较大，润滑不良甚至在润滑介质中含有大量强研磨性磨粒的情况下，如石油，地质钻井用井下工具，轴承的工作比压大于100kg/cm2。润滑介质通常为含磨粒泥浆，常规材质的轴承寿命短，有些情况下甚至不能正常运转。在此条件下，轴承的失效原因除与工作环境有关外；摩擦材料的固有性质也是非常关键因素。
根据摩擦学原理，轴承的润滑状态划分为三类：流体动力润滑、边界润滑和弹性流体动力润滑。对于井下工作在含砂泥浆中的滑动轴承，一般认为是在边界润滑和弹性流体动力润滑状态下工作，因而轴承的失效原因主要为粘着磨损和磨粒磨损。
到目前为止，还没有一种理论能够比较准确地对材质的抗年着磨损和磨粒磨损的能力作出定量的评价。因此，笔者引用普遍的理论定性地分析聚晶金刚石用作滑动轴承摩擦材质的可行性。
摩擦学原理认为，材料的摩擦磨损特性除与润滑条件有关外。还与材质的固有特性密切相关。对于粘着磨损，Archard(1953年)提出了一个衡量材质抗粘着磨损能力的简化计算公式：
从公式可知，材料的抗粘着磨损能力与材料硬度成正比。衡量材料的抗磨粒磨损能力的简单公式与上式类似，结论也是材料的抗磨粒磨损能力与材料硬度成正比。显然这些理论是不全面的，材料的摩擦磨损特性还与材料的扬氏模量、摩擦系数、导热性等性能有关．简言之，材料的扬氏模量大、摩擦系数小、导热性好，其摩擦磨损特性就好。
金刚石是人类已知的Z硬物料，其莫氏硬度为10。金刚石的抗压性能也Z强，抗压强度为88000bar，抗磨损能力为钢的90000倍。金刚石等硬质材料的几种物理、机械性能见表1。从表中明显看出，金刚石的硬度、扬氏模量、热导率远高于钢等硬质材料，而摩擦系数又Z小，是做轴承摩擦副的理想材质。因此，在恶劣工况下采用聚晶金刚石作为滑动轴承摩擦材质，以提高轴承的工作特性是可行的。
表１ 金刚石等硬质和超硬材料的几种重要机械、物理特性
三、轴承的制造和试验
(一)聚晶金刚石滑动轴承的制造
采用聚晶金刚石作为轴承的摩擦表面材质有许多优点，但存在不利因素，主要有以下二点：①聚晶金刚石的抗冲击韧性差，受冲击载荷时易发生崩裂：②聚晶金刚石硬度大、加工成本较高。
要将聚晶金刚石用作轴承的表面摩擦材质，必须从制造工艺和轴承结构上想办法。以有效地解决上述问题。笔者解决方案如下：①采用特殊的粉未冶金工艺，将片状聚晶金刚石牢固地镶嵌在滑动轴承的摩擦表面，并在聚晶金刚石片的底都形成一层具有相当硬度和弹性的合金过渡层，以吸收和传递聚晶金刚石
发布时间:2009-10-16
