腐蚀下浸渍石墨材料的摩擦磨损特性研究

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第 28卷第 3期Vol_28 No．3徐 州 工 程 学 院 学 报 (自 然 科 学 版 )Journal of Xuzhou Institute of Technology (Natural Sciences Edition)2013年 9月Sep．2013腐蚀下浸渍石墨材料的摩擦磨损特性研究贾 谦 ，董光能 ，赵伟刚 ，袁小阳(1．西安交通大学 现代 设计及 转子轴承 系统教 育部 重点实验 室，西安 710049；2．中国航天科技集 团公 司 西安航 天动力研 究所，西安 710lOO)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．通过控制工艺主参 数烧制温度 ，制备 了 3种石 墨化程度 的试样；销盘配副试验结果表 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为 30时的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，磨损量约为无腐蚀情况下的2～3倍 ；随着 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为密封和轴承浸渍石墨材料和工艺的选用提供 了参考.

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 117．1 文献标志码 ：A 文章编号 ：1674—358X(2013)03—0021-06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l_】 ]，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 ]．迄今 已有不少学者对石墨材料的制备及使用性能进行 了研究 ：Gu—levski等 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；Savchenko等[6 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工艺；Liu等 研究 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；Tsai等 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，他们还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[g ；Roe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[]o-l ；Hirani等口 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.

近年来随着空天设备及第 3代核电站相关技术的快速发展 ，对石墨材料指标的要求也越来越高，主要表现在对服役性能和可靠性的要求上，即提高寿命、降低磨损等．因此，制备出满足高速涡轮泵在强腐蚀等极端环境下 、以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意义．本文对浸渍石墨制备及摩擦磨损特性 的研究 ，为石墨材料 的选材及工艺改进提供了试验与理论基础.

1 材料与方法本研究为试样试验，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.

选用 UMT一2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 ，两试样采用销一盘接触类型，上试样为石墨销 ，尺寸 6 mm× 18mm；下试样为 9Cr18盘，尺寸 40 mm× 5 mm．用 pv值模拟真实工况下的比压和线速度，试验速度 V一1收稿 日期 ：2013-06—21基金项 目：国家 973计划项 目(2009CB724304—2)作者简介：贾 谦(1981一)，男，陕西西安人，博士研究生，主要从事摩擦学研究.

董光能(1965一)，男，安徽无为人，教授，博士，博士生导师，主要从事工程摩擦学研究· 21 ·
贾 谦 ，等：腐蚀下浸渍石墨材料的摩擦磨损特性研究试样用 N。O 浸泡 4 h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H2O ：N2O4— 1：2.

1．2 销一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．参数包括试验力(F)，转速( )，旋转半径(r)，实验时间( )．再进行调零，点击操作界面启动按钮，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 ：UMT-2摩擦磨损试验机每隔 0．01 S测 1次摩擦 系数，得 1次数据，取 6O～540 S共48 001个摩擦系数数据，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为 一30 MPa·m／s，运行时间 z一20 min．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一 △G ／d ， (1)式中：w 为材料体积磨损量(cm。)，△G为材料磨损的质量 (g)，d为密度(g／cm。).

2 结果与讨论2．1 无腐蚀情况下实验结果与分析图 3、表 2给出了3种材料在不同 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 值的增大摩擦系数降低，比较从 pv=35 MPa·m／s到pv=10 MPa·m／s时，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摩擦系数受 pv值变化 的影响越小.

凝髓时间 ／s(C)3 石墨图 3 试样在不同 值下的摩擦系数曲线· 23 ·徐州工程学院学报(自然科学版) 2013年第 3期o．2950．245o．226o．204o．237o．215o．203o．193o 21oo．208o．200o．180表 3为体积磨损量 3组实验的平均值．从表 3看到，随着石墨化程度的增加，磨损量亦增大，因为石墨化度越大，石墨六方层片结构形成越完整，在剪应力下更加容易逐层脱落.

表 3 试样在 pv=30时的体积磨损量2．2 腐蚀情况下实验结果与分析腐蚀环境下选取具有代表性的 一30 MPa·m／s进行实验，结果见图 4．表 4为 3组重复试验得到的摩擦系数实验数据均值，可以看出，腐蚀环境下，随着石墨化程度的增加，摩擦副的摩擦系数亦增加．原因是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下降.

辎避· 24 ·(a) 1 石墨籁蜷瞥籁撩避时间／s(b) 2*石墨图4 试样浸泡后摩擦系数曲线贾 谦，等 ：腐蚀下浸渍石墨材料的摩擦磨损特性研究在 pv=3O MPa·m／s情况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=30 MPa·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，磨损率亦增加，磨损量约为不腐蚀情况的 2～3倍，可见腐蚀加剧了磨损的发生．与无腐蚀结果比较来看，相同p 值下 1 石墨磨损量增加了 115 9，6，2 石墨增加了 215 ，3石墨增加了 298 .

表 s 腐蚀环境 下的基本 磨损特性3 结论1)干摩擦下，随着石墨化程度的增加，试样的摩擦系数降低，磨损量增加；石墨化度不变时，随着 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 N O 液体浸泡)，在 =30 MPa·m／s条件下，石墨化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宜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，不进行重复启停，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 以数十年记 ，轴承的磨损 主要在启停阶段 ，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.

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As the degree of graphitization increases，the friction coefficient and wear of graphite increase，which is a—bout two to three times of the non—corroding condition．As the value of pv increases，the wear rate ofgraphite increases significantly and friction coefficient decreases．Results will provide important referencefor the preparation and selection of graphite materials in corrosive environments.

Key words： corrosion environment； impregnated graphite； dry friction； friction coefficient；wearing capacity· 26 ·(编辑 武 峰)