腐蝕下浸漬石墨材料的摩擦磨損特性研究

摘要：以火箭發動機渦輪泵石墨密封和核主泵水潤滑石墨軸承為應用背景，針對浸漬石墨材料研究燒 制工藝和銷盤配副下的摩擦磨損。工藝主參數是燒制溫度，通過控制它制備了三種石墨化程度的試樣；銷 盤配副試驗是密封和軸承材料研究的基礎試驗，先進的 UMT-2 型試驗機滿足材料和工藝初選要求。結果 表明，干摩擦狀態下，隨著石墨化程度的增加，試樣的摩擦系數降低、磨損率增加；在腐蝕環境下，石墨 化程度小的試樣在 pv=30 時的摩擦系數和磨損率較不腐蝕時變化不大，隨著石墨化程度的增加，石墨的摩 擦系數和磨損量均增加，磨損量約為無腐蝕情況下的 2 至 3 倍，隨著 pv 值的增加，石墨的磨損率顯著增 加，摩擦系數降低。研究得到的基礎摩擦學數據支持了密封和軸承浸漬石墨材料和工藝的選用。 關鍵詞：腐蝕環境；浸漬石墨；干摩擦；摩擦系數；磨損量 中圖分類號：TH 117 文獻標志碼：A 文章編號： 接觸型機械密封是液體火箭發動機渦輪泵中軸端密封的常見形式[1,2]，其摩擦副多為軟對硬組合形式， 靜環為浸漬石墨、動環為硬質合金[3,4]。目前為止已有不少人對石墨材料的制備及使用性能進行了研究。 Gulevskii V A 針對銅基合金浸漬石墨的制備過程、結構及性能進行了研究[5]。Savchenko D V 研究了氧化硼 浸漬石墨的膨脹特性，并得到可以有效提高拉伸強度的改進的工藝[6]。Liu Chengbao 發展了一種制備方法 得到了薄層形式的多孔石墨，并對浸漬比和溫度對其孔隙率的影響做了分析[7]。Tsai Ming-Yi 提出了一種將 納米石墨顆粒浸漬聚氨酯以形成浸漬石墨襯墊的方法，用此方法制備的石墨襯墊維修率降低 40%，并延長 了使用壽命[8]。Tsai Ming-Yi 發明了一種用于機械砂輪磨削過程的浸漬石墨砂輪，這種砂輪具有良好適用性 和耐磨性[9]。Roe Mary 采用有限元方法分析了一類用于密封的膨脹石墨環在磨損下的壓縮量情況，獲得了 其在設計階段的壓縮量上限值[10,11]。Hirani H 針對蒸汽旋轉接頭用機械密封浸銻碳石墨材料進行了試驗測 試研究，得到了干摩擦、水和蒸汽環境下的密封石墨材料的摩擦磨損特性[12]。 近年來隨著空天設備及第三代核電站相關技術的快速發展，對石墨材料的要求指標也來越高，主要表 現在對服役性能和可靠性的要求上，如提高壽命、降低磨損等。制備出滿足高速渦輪泵在強腐蝕等極端環 境下及核主泵長期服役周期下穩定工作的浸漬石墨密封材料具有重要價值，為此，本文展開對浸漬石墨制 備及摩擦磨損特性的研究，旨在為石墨材料的選材及工藝改進上提供試驗與理論基礎。 1.材料與方法 本文試驗為試樣試驗，即把所需研究的摩擦件制成 尺寸較小的試樣，在相應的試樣試驗機上進行的試驗。 其試驗條件選擇范圍較寬，影響因素容易控制。在短時 間內可以進行較多參數和較多次數的試驗，試驗數據重 復性較好，對比性較強，易于發現其規律性，一般多作 為研究性試驗。 本文選用 UMT-2 摩擦磨損試驗平臺進行試樣試驗， 用摩擦系數和磨損量兩個值考察試樣的摩擦學性能，試 驗系統如圖 1 所示。試驗以相似理論為指導，兩試樣采 用銷-盤接觸類型，上試樣為石墨銷，尺寸 Φ6 × 18 mm； 下試樣為 9Cr18 盤，尺寸 Φ40 × 5 mm。用 pv 值模擬真 實工況下的比壓和線速度，試驗速度 V = 1 m/s，接觸點旋轉半徑 r = 10 mm。 圖1 UMT-2 摩擦磨損試驗平臺 收稿日期：2013-06-13 基金項目：國家 973 計劃項目（編號：2009CB724304-2） 作者簡介：賈 謙（1981-） ，男，陜西西安人，回族，博士研究生，主要研究方向為摩擦學。 董光能（1965-），男，安徽無為人，教授，博士，博士生導師，主要從事工程摩擦學等研究。 1.1 試樣制備 浸漬石墨制備的工藝過程主要包括混合、成型、焙燒、石墨化、浸漬等。根據氣密性等的需要，還需 對已經固化后的石墨材料進行二次浸漬，具體流程包括粗加工、質檢、浸漬固化、成品檢驗、粗車、氣密 性檢查及成品檢驗等。試樣的浸漬物為酚醛樹脂，浸漬溫度 60℃，樹脂固化溫度為 180℃。三種試樣依次 編號為 1#、2#和 3#，試件見圖 2 所示。為了區分三種試樣的石墨化程度，石墨化程度是指含石墨態碳量 的多少，它決定了石墨材料的硬度和轉移膜潤滑性能，大小主要和燒制溫度有關，測試方法按《JB/T 4220-1999 人造石墨的點陣參數測定方法》執行，在石墨成型時采用三種溫度分別燒制獲得了三種石墨化 度，見表 1。 由于空天設備的石墨密封環需要使用在含有 N2O4 液體介質的環境中，N2O4 介質具有較強的腐蝕性和 揮發性，難以直接利用試驗機進行腐蝕摩擦實驗，為模擬該類用于空天設備的密封環應用工況，將浸漬石 墨試樣浸泡 N2O4 4 小時后進行銷盤實驗，以此來研究腐蝕狀況下石墨材料的使用性能，浸泡介質的配比 為：水N2O4=12。 （a）石墨銷 （b）不銹鋼盤 圖 2 試驗用石墨銷、不銹鋼盤 表 1 三種石墨試樣的制備過程參數 編號 燒制溫度/℃ 石墨化度/% 1# 1000 614 2# 1500 4044 3# 3000 8085 1.2 銷-盤式摩擦磨損試驗 將試驗用的石墨銷先在超聲波清洗機里進行清洗，烘干后測量其初始質量和高度。將 9Cr18 盤安裝在 UMT-2 摩擦磨損試驗機上，打開 UMT-2 摩擦磨損試驗機的操作界面，輸入各項參數，根據需要施加載荷， ，轉 參數包括：試驗力（F） 速 （n） ，旋轉半徑（r） ，再進行調零，點擊操作界面啟動按鈕， ，實驗時間（t） 試驗開始。各項數據通過傳感器采集獲得。試驗結束后，取出銷子，在超聲波清洗機里進行清洗，用電子 天平稱量質量， 計算出磨損量。摩擦系數計算方法為： UMT-2 摩擦磨損試驗機每隔 0.01s 測一次摩擦系數， 得一次數據，截取取實驗時間 60 秒到 540 秒之間的所有摩擦系數值，共計有 48001 個數據，求其平均值， 即得該次試驗的摩擦系數。磨損試驗的試驗條件：pv=30 MPam/s，運行時間 t=20 mins。磨損量采用體積 磨損量計算，即試驗前后石墨體積的磨損量，用式（1）計算： WV = ΔG / d （1） 式中：WV—材料體積磨損量/cm3；ΔG—材料磨損的質量/g；d—體積密度/gcm-3 2.結果與討論 2.1 無腐蝕情況下的實驗結果討論 圖 3、表 2 給出了三種材料在不同 pv 值下的摩擦系數情況。隨著試樣石墨化程度的增加，摩擦系數降 低；隨著 pv 值的增大摩擦系數降低，pv=35 與 pv=10 時比較，1#石墨材料摩擦系數降低了 31.5%、2#石墨 材料降低了 19.6%、3#石墨材料降低了 14.3%；石墨化程度越高的材料的摩擦系數受 pv 變化的影響較小。 2 （a）1#石墨 （b）2#石墨 （c）3#石墨 圖 3 試樣在不同 pv 值下的摩擦系數曲線 表 2 試樣在不同 pv 值下摩擦系數 摩擦系數 pv 值（MPa m/s） 1#石墨 2#石墨 3#石墨 10 0.295 0.237 0.210 20 0.245 0.215 0.208 30 0.226 0.203 0.200 35 0.204 0.193 0.180 體積磨損量平均值見表 3，表中數據為三組實驗的平均值。表中可看到，隨著石墨化程度的增加，磨 損量在增大，因為石墨化度越大，石墨六方層片結構形成的越完整，在剪應力下更加容易逐層脫落。 表 3 試樣在 pv 值 30 時的體積磨損量 體積磨損量平均值 / mm3 pv 值（MPa m/s） 1#石墨 2#石墨 3#石墨 30 0.26 0.27 0.42 2.2 腐蝕下實驗結果討論 腐蝕環境下選取具有代表性的 pv 值：pv=30 進行實驗，試驗結果見圖 4。表 3 中三組重復試驗得到的 摩擦系數實驗數據的均值，可知，腐蝕環境下，隨著石墨化程度的增加，摩擦副的摩擦系數增加。原因為 腐蝕破壞了浸漬的樹脂，增加了材料的孔隙，使得材料的減摩性能迅速地下降了。 （a）1#石墨 （b）2#石墨 （c）3#石墨 圖 4 試樣浸泡后摩擦系數曲線 表 4 試樣浸泡后的摩擦系數值 摩擦系數 pv 值（MPa m/s） 1#石墨 2#石墨 3#石墨 30 0.205 0.223 0.262 pv=30 下與未腐蝕的實驗結果相比較，1#石墨的摩擦系數減小了 9%、2#石墨的摩擦系數增加了 10%、 3#石墨的摩擦系數增加了 31%。表 5 為腐蝕環境下 pv=30MPa m/s 下的基本磨損特性。腐蝕環境下，隨著 石墨化程度的增加，磨損率都增加，磨損量約為通常情況下的 2~3 倍，可見腐蝕加劇了磨損的發生。與未 經腐蝕時比較，相同 pv 值下 1#石墨磨損量增加了 115%、2#石墨增加了 215%、3#石墨增加了 298%。 表 5 腐蝕環境下的基本磨損特性 體積磨損量平均值 / mm3 pv 值（MPa m/s） 1#石墨 2#石墨 3#石墨 30 0.56 0.85 1.67 3.結論 1）干摩擦下，隨著石墨制備石墨化程度的增加，石墨試樣的摩擦系數降低、磨損量增加；石墨化度 不變時，隨著 pv 值的增加，磨損量顯著增加，摩擦系數降低。密封環石墨化度越高抗磨性能越弱，減摩 性能越強。 2）腐蝕后（用 N2O4 液體浸泡），pv=30 下，石墨度較小的試樣摩擦系數和磨損率較未腐蝕時變化不 大；隨著石墨化程度的增加，試樣的摩擦系數和磨損量均增加，磨損量約為未經腐蝕時的 2~3 倍。腐蝕工 況下機械密封靜環不易選擇石墨化度過高的浸漬石墨。石墨化度較低時，腐蝕的影響不大。 3）空天設備機械密封工作于腐蝕介質下，運行時間極短不進行重復起停，考慮到瞬間加速及結構尺 寸因素，靜環材料的石墨化度不宜過高也不宜過低，居中較為合適； 4）核主泵水潤滑軸承的服役周期以數十年計，軸承的磨損主要在起停階段，所以對石墨硬度要求較 高，選擇石墨化度較低的石墨材料比較合適。