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(dòng)機(jī)渦輪泵石墨密封和核主泵水潤(rùn)滑石墨軸承為應(yīng)用背景，針對(duì)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(guò)控制它制備了三種石墨化程度的試樣；銷 盤配副試驗(yàn)是密封和軸承材料研究的基礎(chǔ)試驗(yàn)，先進(jìn)的 UMT-2 型試驗(yàn)機(jī)滿足材料和工藝初選要求。結(jié)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(shí)的摩擦系數(shù)和磨損率較不腐蝕時(shí)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(wú)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(chǔ)摩擦學(xué)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(guān)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(hào)：TH 117 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)： 接觸型機(jī)械密封是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵中軸端密封的常見(jiàn)形式[1,2]，其摩擦副多為軟對(duì)硬組合形式， 靜環(huán)為浸漬石墨、動(dòng)環(huán)為硬質(zhì)合金[3,4]。目前為止已有不少人對(duì)石墨材料的制備及使用性能進(jìn)行了研究。 Gulevskii V A 針對(duì)銅基合金浸漬石墨的制備過(guò)程、結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)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(qiáng)度的改進(jìn)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(duì)浸漬比和溫度對(duì)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(zhǎng) 了使用壽命[8]。Tsai Ming-Yi 發(fā)明了一種用于機(jī)械砂輪磨削過(guò)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(shè)計(jì)階段的壓縮量上限值[10,11]。Hirani H 針對(duì)蒸汽旋轉(zhuǎn)接頭用機(jī)械密封浸銻碳石墨材料進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè) 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(lái)隨著空天設(shè)備及第三代核電站相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)石墨材料的要求指標(biāo)也來(lái)越高，主要表 現(xiàn)在對(duì)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(qiáng)腐蝕等極端環(huán) 境下及核主泵長(zhǎng)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(jià)值，為此，本文展開(kāi)對(duì)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(jìn)上提供試驗(yàn)與理論基礎(chǔ)。 1.材料與方法 本文試驗(yàn)為試樣試驗(yàn)，即把所需研究的摩擦件制成 尺寸較小的試樣，在相應(yīng)的試樣試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)。 其試驗(yàn)條件選擇范圍較寬，影響因素容易控制。在短時(shí) 間內(nèi)可以進(jìn)行較多參數(shù)和較多次數(shù)的試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)重 復(fù)性較好，對(duì)比性較強(qiáng)，易于發(fā)現(xiàn)其規(guī)律性，一般多作 為研究性試驗(yàn)。 本文選用 UMT-2 摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試樣試驗(yàn)， 用摩擦系數(shù)和磨損量?jī)蓚€(gè)值考察試樣的摩擦學(xué)性能，試 驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1 所示。試驗(yàn)以相似理論為指導(dǎo)，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(shí)工況下的比壓和線速度，試驗(yàn)速度 V = 1 m/s，接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑 r = 10 mm。 圖1 UMT-2 摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái) 收稿日期：2013-06-13 基金項(xiàng)目：國(guó)家 973 計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2009CB724304-2） 作者簡(jiǎn)介：賈 謙（1981-） ，男，陜西西安人，回族，博士研究生，主要研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)。 董光能（1965-），男，安徽無(wú)為人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事工程摩擦學(xué)等研究。 1.1 試樣制備 浸漬石墨制備的工藝過(guò)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(duì)已經(jīng)固化后的石墨材料進(jìn)行二次浸漬，具體流程包括粗加工、質(zhì)檢、浸漬固化、成品檢驗(yàn)、粗車、氣密 性檢查及成品檢驗(yàn)等。試樣的浸漬物為酚醛樹(shù)脂，浸漬溫度 60℃，樹(shù)脂固化溫度為 180℃。三種試樣依次 編號(hào)為 1#、2#和 3#，試件見(jiàn)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(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑性能，大小主要和燒制溫度有關(guān)，測(cè)試方法按《JB/T 4220-1999 人造石墨的點(diǎn)陣參數(shù)測(cè)定方法》執(zhí)行，在石墨成型時(shí)采用三種溫度分別燒制獲得了三種石墨化 度，見(jiàn)表 1。 由于空天設(shè)備的石墨密封環(huán)需要使用在含有 N2O4 液體介質(zhì)的環(huán)境中，N2O4 介質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性和 揮發(fā)性，難以直接利用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行腐蝕摩擦實(shí)驗(yàn)，為模擬該類用于空天設(shè)備的密封環(huán)應(yīng)用工況，將浸漬石 墨試樣浸泡 N2O4 4 小時(shí)后進(jìn)行銷盤實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)研究腐蝕狀況下石墨材料的使用性能，浸泡介質(zhì)的配比 為：水N2O4=12。 （a）石墨銷 （b）不銹鋼盤 圖 2 試驗(yàn)用石墨銷、不銹鋼盤 表 1 三種石墨試樣的制備過(guò)程參數(shù) 編號(hào) 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(yàn) 將試驗(yàn)用的石墨銷先在超聲波清洗機(jī)里進(jìn)行清洗，烘干后測(cè)量其初始質(zhì)量和高度。將 9Cr18 盤安裝在 UMT-2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，打開(kāi) UMT-2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的操作界面，輸入各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)需要施加載荷， ，轉(zhuǎn) 參數(shù)包括：試驗(yàn)力（F） 速 （n） ，旋轉(zhuǎn)半徑（r） ，再進(jìn)行調(diào)零，點(diǎn)擊操作界面啟動(dòng)按鈕， ，實(shí)驗(yàn)時(shí)間（t） 試驗(yàn)開(kāi)始。各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器采集獲得。試驗(yàn)結(jié)束后，取出銷子，在超聲波清洗機(jī)里進(jìn)行清洗，用電子 天平稱量質(zhì)量， 計(jì)算出磨損量。摩擦系數(shù)計(jì)算方法為： UMT-2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)每隔 0.01s 測(cè)一次摩擦系數(shù)， 得一次數(shù)據(jù)，截取取實(shí)驗(yàn)時(shí)間 60 秒到 540 秒之間的所有摩擦系數(shù)值，共計(jì)有 48001 個(gè)數(shù)據(jù)，求其平均值， 即得該次試驗(yàn)的摩擦系數(shù)。磨損試驗(yàn)的試驗(yàn)條件：pv=30 MPam/s，運(yùn)行時(shí)間 t=20 mins。磨損量采用體積 磨損量計(jì)算，即試驗(yàn)前后石墨體積的磨損量，用式（1）計(jì)算： WV = ΔG / d （1） 式中：WV—材料體積磨損量/cm3；ΔG—材料磨損的質(zhì)量/g；d—體積密度/gcm-3 2.結(jié)果與討論 2.1 無(wú)腐蝕情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)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(jiàn)表 3，表中數(shù)據(jù)為三組實(shí)驗(yàn)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?yàn)槭仍酱?，石墨六方層片結(jié)構(gòu)形成的越完整，在剪應(yīng)力下更加容易逐層脫落。 表 3 試樣在 pv 值 30 時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果討論 腐蝕環(huán)境下選取具有代表性的 pv 值：pv=30 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 4。表 3 中三組重復(fù)試驗(yàn)得到的 摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)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?yàn)?腐蝕破壞了浸漬的樹(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jiàn)腐蝕加劇了磨損的發(fā)生。與未 經(jīng)腐蝕時(shí)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(jié)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(shí)，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(qiáng)。 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(shí)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(shí)的 2~3 倍。腐蝕工 況下機(jī)械密封靜環(huán)不易選擇石墨化度過(guò)高的浸漬石墨。石墨化度較低時(shí)，腐蝕的影響不大。 3）空天設(shè)備機(jī)械密封工作于腐蝕介質(zhì)下，運(yùn)行時(shí)間極短不進(jìn)行重復(fù)起停，考慮到瞬間加速及結(jié)構(gòu)尺 寸因素，靜環(huán)材料的石墨化度不宜過(guò)高也不宜過(guò)低，居中較為合適； 4）核主泵水潤(rùn)滑軸承的服役周期以數(shù)十年計(jì)，軸承的磨損主要在起停階段，所以對(duì)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。