浸漬石墨密封材料的摩擦學(xué)性能試驗(yàn)體系的構(gòu)建

李宗瑛

(陜西工業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

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浸漬石墨密封材料的摩擦學(xué)性能試驗(yàn)體系的構(gòu)建

李宗瑛

(陜西工業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了浸漬酚醛樹脂石墨密封材料的性能評(píng)價(jià)方法及步驟，該方法從微觀結(jié)構(gòu)、基本熱物理性能、機(jī)械強(qiáng)度及摩擦學(xué)試驗(yàn)做出綜合評(píng)價(jià).采用該方法，結(jié)合大量試驗(yàn)在3種不同型號(hào)浸漬酚醛樹脂石墨中選出了一種最適合特定實(shí)際工作情況的石墨.

浸漬酚醛樹脂石墨；摩擦學(xué)性能；氣孔

隨著化工、航空航天、材料開發(fā)及制造技術(shù)等的快速發(fā)展.機(jī)械密封研究朝著機(jī)械密封的基礎(chǔ)理論研究和試驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面不斷深入發(fā)展[1].該文制定了選型試驗(yàn)方案，從編號(hào)1#、2#、3#的3種浸漬酚醛樹脂石墨(下文簡(jiǎn)稱石墨)中選擇一種最適用于特定工況的石墨.試驗(yàn)采用浸漬酚醛樹脂石墨試樣(表1)，它的對(duì)磨件為9Cr18硬質(zhì)合金，見圖1.

表1 浸漬石墨使用的特定工作情況

(a) 石墨試樣 (b) 9Cr18硬質(zhì)合金圖1 試驗(yàn)試樣

1 試驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)

影響浸漬酚醛樹脂石墨密封材料的摩擦學(xué)涉及到材料的基本物理性能、機(jī)械性能、熱物性等，也是作為密封結(jié)構(gòu)所必須的基本要求.密封材料的基本物理性能如密度、孔隙率、孔的類型等關(guān)系到材料的致密性和機(jī)械強(qiáng)度，可以通過電鏡照片觀察并統(tǒng)計(jì)分析其氣孔大小及分布情況.在端面密封條件下，摩擦始終存在著，摩擦損耗產(chǎn)生材料損失即為磨損，產(chǎn)生能量損失即表現(xiàn)出摩擦溫升，對(duì)材料的熱性能也提出了要求，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小又防止表面的膠合.N2O4工況下石墨的摩擦磨損性能測(cè)試辦法：將試件在N2O4介質(zhì)中浸泡幾個(gè)小時(shí)，待N2O4進(jìn)入基體后再烘干拿來做試驗(yàn)，這樣試驗(yàn)是在干摩擦情況下進(jìn)行.經(jīng)過分析，將試驗(yàn)步驟細(xì)化為以下4個(gè)方面參數(shù)的測(cè)定：

(1)微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定及分析，具體的測(cè)量參數(shù)為：

a.掃描電鏡觀測(cè)；

b.表面孔隙率的計(jì)算；

c.石墨化度分析;

d.開口氣孔率的測(cè)定.

(2)基本熱物性能測(cè)量，具體的測(cè)試參數(shù)為：

a.線熱膨脹系數(shù)的測(cè)定；

b.導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定.

(3)基本摩擦磨損性能評(píng)定，具體的測(cè)試參數(shù)為：

a.不同PV值下的基本摩擦學(xué)特性試驗(yàn)；

b.浸泡N2O4前后石墨的摩擦磨損評(píng)定.

(4)機(jī)械強(qiáng)度測(cè)量，具體的測(cè)試參數(shù)為：

a.肖氏硬度的測(cè)定；

b.抗折強(qiáng)度的測(cè)定；

c.抗壓強(qiáng)度的測(cè)定；

d.體積密度的測(cè)定.

2 浸漬酚醛樹脂石墨的基本性能測(cè)試及分析

選定合適的試驗(yàn)儀器，嚴(yán)格執(zhí)行各種試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或算法，測(cè)定3種浸漬酚醛樹脂石墨的微觀結(jié)構(gòu)、基本熱物性能及機(jī)械強(qiáng)度并分析結(jié)果.每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)做至少3次并求得平均值，完成浸漬酚醛樹脂的基本性能測(cè)試(圖2).

圖2 設(shè)計(jì)選型試驗(yàn)方案

試驗(yàn)結(jié)果(表2)表明：3#石墨開孔氣孔率太大，容易造成端面泄漏，硬度較低，耐磨性較差.1#和2#石墨開孔氣孔率適中，導(dǎo)熱性能較好，滿足一定的機(jī)械強(qiáng)度，基本性能較好，但是還不能分析出導(dǎo)致石墨密封性能差異的關(guān)鍵因素，無法評(píng)價(jià)浸漬酚醛樹脂石墨的性能，需要進(jìn)一步研究浸漬石墨的摩擦學(xué)特性.

表2 浸漬石墨的基本性能測(cè)試結(jié)果

3 PV值和N2O4介質(zhì)對(duì)浸漬酚醛樹脂石墨的摩擦學(xué)性能測(cè)試及分析

一般用被密封介質(zhì)的壓力P與密封副摩擦面的平均滑動(dòng)速度V的乘積PV值作為機(jī)械密封耐磨性和耐熱性的指標(biāo)[2].

3.1 摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)

美國(guó) Center for Tribology(CETR)公司生產(chǎn)的UMT-2多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)滿足小試樣和工況的試驗(yàn)要求，如圖3所示.力傳感器測(cè)量載荷力N和水平摩擦力F并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，計(jì)算機(jī)利用公式μ=F/N自動(dòng)求出上千甚至上萬個(gè)摩擦系數(shù)的平均值并生成摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線.

(a) UMT-2試驗(yàn)機(jī) (b) UMT-2試驗(yàn)機(jī)原理圖圖3 UMT-2摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)原理

表3 不同PV值下的摩擦學(xué)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

摩擦副(銷盤接觸)采用干摩擦接觸方式.速度V=1 m/s，旋轉(zhuǎn)半徑r=10 mm，即轉(zhuǎn)速n=954.93 r/min.試驗(yàn)的其他參數(shù)見表3.

摩擦系數(shù)和磨損量沒有必然的聯(lián)系，摩擦系數(shù)小，磨損量不一定就小，還與其他條件參數(shù)有關(guān).摩擦學(xué)系統(tǒng)是依賴性的，表現(xiàn)在摩擦系數(shù)不只是決定于材料，而是與工況的溫度、載荷、速度、介質(zhì)的腐蝕性和人工操作的規(guī)范性等都有關(guān)系[3].本論文的磨損量計(jì)算采用的是體積磨損量，通常體積磨損量用式(1)表示[4]：

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/(g·cm-3).

3.2 PV值對(duì)浸漬石墨的摩擦學(xué)性能的影響

為了研究PV值對(duì)5種浸漬石墨的摩擦學(xué)性能的影響.3種石墨試樣分別進(jìn)行PV=10 MPa·m/s，PV=20 MPa·m/s，PV=30 MPa·m/s，PV=35 MPa·m/s 4種PV值條件下的試驗(yàn)并得出摩擦系數(shù)曲線.

(a) 1# (b) 2# (c) 3#圖4 3種石墨在不同PV值下的摩擦系數(shù)曲線

在載荷下，石墨轉(zhuǎn)移膜不斷地經(jīng)歷形成和破壞的過程[5].1#石墨在PV=30 MPa·m/s下石墨轉(zhuǎn)移膜分布均勻，當(dāng)載荷加大到PV=35 MPa·m/s，出現(xiàn)了魚鱗狀的粘著摩擦.2#石墨在不同載荷下的石墨轉(zhuǎn)移膜較均勻，摩擦系數(shù)曲線分布穩(wěn)定.

3.3 浸漬石墨浸泡N2O4前后的摩擦學(xué)試驗(yàn)

在浸泡過N2O4，PV=30 MPa·m/s(接近工況)的條件下，測(cè)定摩擦系數(shù)和磨損量.對(duì)試驗(yàn)后的石墨進(jìn)行電鏡觀測(cè)并討論了石墨浸泡前后孔隙變化.孔隙變化太大就有可能導(dǎo)致泄漏[6].

其中，磨損試驗(yàn)的試驗(yàn)條件：PV=30 MPa·m/s，運(yùn)行時(shí)間t=20 min.磨損量采用體積磨損量計(jì)算，結(jié)果見表4.

表4 浸泡N2O4前后的摩擦學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

1#石墨浸泡N2O4后摩擦系數(shù)減小13%，體積磨損量增大36%；2#石墨浸泡N2O4后摩擦系數(shù)增大15%，體積磨損量增大11%.電鏡照片顯示孔隙分布仍較均勻.可知2#石墨的摩擦磨損性能較1#好.

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的浸漬酚醛樹脂石墨密封材料的性能評(píng)價(jià)方法和步驟，密封用浸漬酚醛樹脂石墨的選型可從微觀結(jié)構(gòu)、基本熱物理性能、機(jī)械強(qiáng)度及摩擦學(xué)試驗(yàn)分步進(jìn)行.經(jīng)過大量的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)1#、2#及3#備選浸漬酚醛樹脂密封材料有以下特點(diǎn)：1#石墨機(jī)械強(qiáng)度較好，導(dǎo)熱系數(shù)較高，摩擦系數(shù)曲線穩(wěn)定，石墨轉(zhuǎn)移膜均勻穩(wěn)定，但在工況N2O4腐蝕介質(zhì)中磨損量增大較多.2#石墨基本性能良好，在不同PV值下摩擦系數(shù)曲線穩(wěn)定，石墨轉(zhuǎn)移膜均勻穩(wěn)定，在工況N2O4腐蝕介質(zhì)中磨損量基本不變.石墨化度和導(dǎo)熱系數(shù)較大、氣孔率較低，機(jī)械強(qiáng)度較高.3#石墨由于硬度低，不耐磨，摩擦系數(shù)變化不穩(wěn)定，且開口氣孔率最大，容易造成磨損和泄漏，綜合性能較差.綜上所述，2#浸漬酚醛樹脂石墨的綜合性能較其他石墨最好，最適合于工況.

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[責(zé)任編輯 馬云彤]

Construction of Test System for Tribological Properties ofImpregnated Graphite Sealing Material

LI Zong-ying

(School of Numerical Control Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China)

In this paper, the methods and procedures of performance evaluation of impregnated phenolic resin graphite sealing materials are designed, and a comprehensive evaluation is carried out from the aspects of microstructure, basic thermal physical properties, mechanical strength and Tribological test by the method. By using of this method, a large number of experiments were used to select one kind of graphite which is best suited to the specific working conditions in the three different types of phenolic resin impregnated graphite.

impregnated phenolic resin graphite; tribological properties; stoma

1008-5564(2016)04-0057-05

2016-04-29

李宗瑛(1987—)，女，陜西咸陽(yáng)人，陜西工業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程學(xué)院助教，碩士，主要從事機(jī)電一體化、數(shù)控技術(shù)應(yīng)用與維護(hù)研究.

TB321

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