腐蝕下浸漬石墨材料的摩擦磨損特性研究

摘要：以火箭發(fā)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(shù)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(tài)下，隨著石墨化程度的增加，試樣的摩擦系數(shù)降低、磨損率增加；在腐蝕環(huán)境下，石墨 化程度小的試樣在 pv=30 時的摩擦系數(shù)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(shù)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(shù)降低。研究得到的基礎摩擦學數(shù)據(jù)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(huán)境；浸漬石墨；干摩擦；摩擦系數(shù)；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(fā)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(huán)為浸漬石墨、動環(huán)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(fā)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(fā)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(huán)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(huán)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(fā)展，對石墨材料的要求指標也來越高，主要表 現(xiàn)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(huán) 境下及核主泵長期服役周期下穩(wěn)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(shù)和較多次數(shù)的試驗，試驗數(shù)據(jù)重 復性較好，對比性較強，易于發(fā)現(xiàn)其規(guī)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(shù)和磨損量兩個值考察試樣的摩擦學性能，試 驗系統(tǒng)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(jù)氣密性等的需要，還需 對已經(jīng)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(qū)分三種試樣的石墨化程度，石墨化程度是指含石墨態(tài)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(shù)測定方法》執(zhí)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(huán)需要使用在含有 N2O4 液體介質的環(huán)境中，N2O4 介質具有較強的腐蝕性和 揮發(fā)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(huán)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(shù) 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(shù)，根據(jù)需要施加載荷， ，轉 參數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)， 得一次數(shù)據(jù)，截取取實驗時間 60 秒到 540 秒之間的所有摩擦系數(shù)值，共計有 48001 個數(shù)據(jù)，求其平均值， 即得該次試驗的摩擦系數(shù)。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(shù)情況。隨著試樣石墨化程度的增加，摩擦系數(shù)降 低；隨著 pv 值的增大摩擦系數(shù)降低，pv=35 與 pv=10 時比較，1#石墨材料摩擦系數(shù)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(shù)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(shù)曲線 表 2 試樣在不同 pv 值下摩擦系數(shù) 摩擦系數(shù) 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(shù)據(jù)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(huán)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(shù)實驗數(shù)據(jù)的均值，可知，腐蝕環(huán)境下，隨著石墨化程度的增加，摩擦副的摩擦系數(shù)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(shù)曲線 表 4 試樣浸泡后的摩擦系數(shù)值 摩擦系數(shù) 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(shù)減小了 9%、2#石墨的摩擦系數(shù)增加了 10%、 3#石墨的摩擦系數(shù)增加了 31%。表 5 為腐蝕環(huán)境下 pv=30MPa m/s 下的基本磨損特性。腐蝕環(huán)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(fā)生。與未 經(jīng)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(huán)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(shù)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(shù)降低。密封環(huán)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(shù)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(shù)和磨損量均增加，磨損量約為未經(jīng)腐蝕時的 2~3 倍。腐蝕工 況下機械密封靜環(huán)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(huán)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(shù)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。