腐蚀下浸渍石墨材料的摩擦磨损特性研究

摘要：以火箭发动机涡轮泵石墨密封和核主泵水润滑石墨轴承为应用背景，针对浸渍石墨材料研究烧 制工艺和销盘配副下的摩擦磨损。工艺主参数是烧制温度，通过控制它制备了三种石墨化程度的试样；销 盘配副试验是密封和轴承材料研究的基础试验，先进的 UMT-2 型试验机满足材料和工艺初选要求。结果 表明，干摩擦状态下，随着石墨化程度的增加，试样的摩擦系数降低、磨损率增加；在腐蚀环境下，石墨 化程度小的试样在 pv=30 时的摩擦系数和磨损率较不腐蚀时变化不大，随着石墨化程度的增加，石墨的摩 擦系数和磨损量均增加，磨损量约为无腐蚀情况下的 2 至 3 倍，随着 pv 值的增加，石墨的磨损率显著增 加，摩擦系数降低。研究得到的基础摩擦学数据支持了密封和轴承浸渍石墨材料和工艺的选用。 关键词：腐蚀环境；浸渍石墨；干摩擦；摩擦系数；磨损量 中图分类号：TH 117 文献标志码：A 文章编号： 接触型机械密封是液体火箭发动机涡轮泵中轴端密封的常见形式[1,2]，其摩擦副多为软对硬组合形式， 静环为浸渍石墨、动环为硬质合金[3,4]。目前为止已有不少人对石墨材料的制备及使用性能进行了研究。 Gulevskii V A 针对铜基合金浸渍石墨的制备过程、结构及性能进行了研究[5]。Savchenko D V 研究了氧化硼 浸渍石墨的膨胀特性，并得到可以有效提高拉伸强度的改进的工艺[6]。Liu Chengbao 发展了一种制备方法 得到了薄层形式的多孔石墨，并对浸渍比和温度对其孔隙率的影响做了分析[7]。Tsai Ming-Yi 提出了一种将 纳米石墨颗粒浸渍聚氨酯以形成浸渍石墨衬垫的方法，用此方法制备的石墨衬垫维修率降低 40%，并延长 了使用寿命[8]。Tsai Ming-Yi 发明了一种用于机械砂轮磨削过程的浸渍石墨砂轮，这种砂轮具有良好适用性 和耐磨性[9]。Roe Mary 采用有限元方法分析了一类用于密封的膨胀石墨环在磨损下的压缩量情况，获得了 其在设计阶段的压缩量上限值[10,11]。Hirani H 针对蒸汽旋转接头用机械密封浸锑碳石墨材料进行了试验测 试研究，得到了干摩擦、水和蒸汽环境下的密封石墨材料的摩擦磨损特性[12]。 近年来随着空天设备及第三代核电站相关技术的快速发展，对石墨材料的要求指标也来越高，主要表 现在对服役性能和可靠性的要求上，如提高寿命、降低磨损等。制备出满足高速涡轮泵在强腐蚀等极端环 境下及核主泵长期服役周期下稳定工作的浸渍石墨密封材料具有重要价值，为此，本文展开对浸渍石墨制 备及摩擦磨损特性的研究，旨在为石墨材料的选材及工艺改进上提供试验与理论基础。 1.材料与方法 本文试验为试样试验，即把所需研究的摩擦件制成 尺寸较小的试样，在相应的试样试验机上进行的试验。 其试验条件选择范围较宽，影响因素容易控制。在短时 间内可以进行较多参数和较多次数的试验，试验数据重 复性较好，对比性较强，易于发现其规律性，一般多作 为研究性试验。 本文选用 UMT-2 摩擦磨损试验平台进行试样试验， 用摩擦系数和磨损量两个值考察试样的摩擦学性能，试 验系统如图 1 所示。试验以相似理论为指导，两试样采 用销-盘接触类型，上试样为石墨销，尺寸 Φ6 × 18 mm； 下试样为 9Cr18 盘，尺寸 Φ40 × 5 mm。用 pv 值模拟真 实工况下的比压和线速度，试验速度 V = 1 m/s，接触点旋转半径 r = 10 mm。 图1 UMT-2 摩擦磨损试验平台 收稿日期：2013-06-13 基金项目：国家 973 计划项目（编号：2009CB724304-2） 作者简介：贾 谦（1981-） ，男，陕西西安人，回族，博士研究生，主要研究方向为摩擦学。 董光能（1965-），男，安徽无为人，教授，博士，博士生导师，主要从事工程摩擦学等研究。 1.1 试样制备 浸渍石墨制备的工艺过程主要包括混合、成型、焙烧、石墨化、浸渍等。根据气密性等的需要，还需 对已经固化后的石墨材料进行二次浸渍，具体流程包括粗加工、质检、浸渍固化、成品检验、粗车、气密 性检查及成品检验等。试样的浸渍物为酚醛树脂，浸渍温度 60℃，树脂固化温度为 180℃。三种试样依次 编号为 1#、2#和 3#，试件见图 2 所示。为了区分三种试样的石墨化程度，石墨化程度是指含石墨态碳量 的多少，它决定了石墨材料的硬度和转移膜润滑性能，大小主要和烧制温度有关，测试方法按《JB/T 4220-1999 人造石墨的点阵参数测定方法》执行，在石墨成型时采用三种温度分别烧制获得了三种石墨化 度，见表 1。 由于空天设备的石墨密封环需要使用在含有 N2O4 液体介质的环境中，N2O4 介质具有较强的腐蚀性和 挥发性，难以直接利用试验机进行腐蚀摩擦实验，为模拟该类用于空天设备的密封环应用工况，将浸渍石 墨试样浸泡 N2O4 4 小时后进行销盘实验，以此来研究腐蚀状况下石墨材料的使用性能，浸泡介质的配比 为：水N2O4=12。 （a）石墨销 （b）不锈钢盘 图 2 试验用石墨销、不锈钢盘 表 1 三种石墨试样的制备过程参数 编号 烧制温度/℃ 石墨化度/% 1# 1000 614 2# 1500 4044 3# 3000 8085 1.2 销-盘式摩擦磨损试验 将试验用的石墨销先在超声波清洗机里进行清洗，烘干后测量其初始质量和高度。将 9Cr18 盘安装在 UMT-2 摩擦磨损试验机上，打开 UMT-2 摩擦磨损试验机的操作界面，输入各项参数，根据需要施加载荷， ，转 参数包括：试验力（F） 速 （n） ，旋转半径（r） ，再进行调零，点击操作界面启动按钮， ，实验时间（t） 试验开始。各项数据通过传感器采集获得。试验结束后，取出销子，在超声波清洗机里进行清洗，用电子 天平称量质量， 计算出磨损量。摩擦系数计算方法为： UMT-2 摩擦磨损试验机每隔 0.01s 测一次摩擦系数， 得一次数据，截取取实验时间 60 秒到 540 秒之间的所有摩擦系数值，共计有 48001 个数据，求其平均值， 即得该次试验的摩擦系数。磨损试验的试验条件：pv=30 MPam/s，运行时间 t=20 mins。磨损量采用体积 磨损量计算，即试验前后石墨体积的磨损量，用式（1）计算： WV = ΔG / d （1） 式中：WV—材料体积磨损量/cm3；ΔG—材料磨损的质量/g；d—体积密度/gcm-3 2.结果与讨论 2.1 无腐蚀情况下的实验结果讨论 图 3、表 2 给出了三种材料在不同 pv 值下的摩擦系数情况。随着试样石墨化程度的增加，摩擦系数降 低；随着 pv 值的增大摩擦系数降低，pv=35 与 pv=10 时比较，1#石墨材料摩擦系数降低了 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数受 pv 变化的影响较小。 2 （a）1#石墨 （b）2#石墨 （c）3#石墨 图 3 试样在不同 pv 值下的摩擦系数曲线 表 2 试样在不同 pv 值下摩擦系数 摩擦系数 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 体积磨损量平均值见表 3，表中数据为三组实验的平均值。表中可看到，随着石墨化程度的增加，磨 损量在增大，因为石墨化度越大，石墨六方层片结构形成的越完整，在剪应力下更加容易逐层脱落。 表 3 试样在 pv 值 30 时的体积磨损量 体积磨损量平均值 / mm3 pv 值（MPa m/s） 1#石墨 2#石墨 3#石墨 30 0.26 0.27 0.42 2.2 腐蚀下实验结果讨论 腐蚀环境下选取具有代表性的 pv 值：pv=30 进行实验，试验结果见图 4。表 3 中三组重复试验得到的 摩擦系数实验数据的均值，可知，腐蚀环境下，随着石墨化程度的增加，摩擦副的摩擦系数增加。原因为 腐蚀破坏了浸渍的树脂，增加了材料的孔隙，使得材料的减摩性能迅速地下降了。 （a）1#石墨 （b）2#石墨 （c）3#石墨 图 4 试样浸泡后摩擦系数曲线 表 4 试样浸泡后的摩擦系数值 摩擦系数 pv 值（MPa m/s） 1#石墨 2#石墨 3#石墨 30 0.205 0.223 0.262 pv=30 下与未腐蚀的实验结果相比较，1#石墨的摩擦系数减小了 9%、2#石墨的摩擦系数增加了 10%、 3#石墨的摩擦系数增加了 31%。表 5 为腐蚀环境下 pv=30MPa m/s 下的基本磨损特性。腐蚀环境下，随着 石墨化程度的增加，磨损率都增加，磨损量约为通常情况下的 2~3 倍，可见腐蚀加剧了磨损的发生。与未 经腐蚀时比较，相同 pv 值下 1#石墨磨损量增加了 115%、2#石墨增加了 215%、3#石墨增加了 298%。 表 5 腐蚀环境下的基本磨损特性 体积磨损量平均值 / mm3 pv 值（MPa m/s） 1#石墨 2#石墨 3#石墨 30 0.56 0.85 1.67 3.结论 1）干摩擦下，随着石墨制备石墨化程度的增加，石墨试样的摩擦系数降低、磨损量增加；石墨化度 不变时，随着 pv 值的增加，磨损量显著增加，摩擦系数降低。密封环石墨化度越高抗磨性能越弱，减摩 性能越强。 2）腐蚀后（用 N2O4 液体浸泡），pv=30 下，石墨度较小的试样摩擦系数和磨损率较未腐蚀时变化不 大；随着石墨化程度的增加，试样的摩擦系数和磨损量均增加，磨损量约为未经腐蚀时的 2~3 倍。腐蚀工 况下机械密封静环不易选择石墨化度过高的浸渍石墨。石墨化度较低时，腐蚀的影响不大。 3）空天设备机械密封工作于腐蚀介质下，运行时间极短不进行重复起停，考虑到瞬间加速及结构尺 寸因素，静环材料的石墨化度不宜过高也不宜过低，居中较为合适； 4）核主泵水润滑轴承的服役周期以数十年计，轴承的磨损主要在起停阶段，所以对石墨硬度要求较 高，选择石墨化度较低的石墨材料比较合适。