浸酚醛樹(shù)脂石墨/SiC密封材料摩擦學(xué)特性研究

彭旭東 何良杰 江錦波 孟祥鎧 胡麗國(guó) 郭軍剛

1. 浙江工業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州，310032 2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第18研究所, 北京，100076

0 引言

機(jī)械密封常常被用于流程工業(yè)用旋轉(zhuǎn)設(shè)備和特種設(shè)備的軸端密封，如果密封失效，將導(dǎo)致設(shè)備乃至整個(gè)工作系統(tǒng)都陷于停運(yùn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。密封失效主要表現(xiàn)為端面磨損和熱力交變作用引起的端面微裂紋，因此，針對(duì)典型密封副材料開(kāi)展相關(guān)摩擦學(xué)特性的研究具有重要意義。OMRANI等[3]總結(jié)了干摩擦條件下鋁基石墨復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了石墨尺度和體積分?jǐn)?shù)等材料因素以及載荷和滑動(dòng)速度等機(jī)械因素對(duì)自潤(rùn)滑鋁基石墨復(fù)合材料摩擦學(xué)特性的影響，結(jié)果表明復(fù)合材料的磨損率和摩擦因數(shù)隨石墨體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，而石墨體積分?jǐn)?shù)過(guò)高會(huì)不利于復(fù)合材料的強(qiáng)度與摩擦學(xué)特性之間的合理均衡；石墨粒子尺度增大會(huì)引起復(fù)合材料的磨損率降低，磨損面更光滑，但是文中并未對(duì)此作出解釋。JIA等[4]探討了石墨化程度不同的浸漬石墨的摩擦學(xué)特性，結(jié)果表明干摩擦條件下隨著石墨化程度增加，試樣的摩擦因數(shù)減小，磨損率增大；在腐蝕環(huán)境中，摩擦因數(shù)和磨損率均隨試樣石墨化程度的增加而增大；無(wú)論在干摩擦還是腐蝕條件下石墨化度在40%～44%時(shí)都表現(xiàn)出了較好的耐磨性。劉景文等[5]在Al2O3/TiB2基體的陶瓷材料中添加不同含量的CaF2，進(jìn)行了干摩擦狀態(tài)下與淬硬鋼的摩擦試驗(yàn)，研究表明材料摩擦因數(shù)隨CaF2含量的增大而減小，并指出TiB2的原位反應(yīng)和CaF2的自身潤(rùn)滑是造成此現(xiàn)象的根本原因。JIN等[6]研究了不同石墨化度酚醛樹(shù)脂浸漬石墨與9Cr18密封材料的摩擦學(xué)特性，研究表明，高pv值下石墨化程度較高的石墨環(huán)磨損程度更大，石墨基體顆粒細(xì)膩、熱導(dǎo)率大和硬度高以及石墨化度在50%左右的石墨材料在高pv值工況中適應(yīng)能力更好。

浸漬石墨和SiC陶瓷材料作為渦輪泵用機(jī)械密封的典型摩擦配對(duì)副材料組合受到了廣泛關(guān)注[7-9]，但是多數(shù)關(guān)于這種密封材料組對(duì)的摩擦學(xué)特性研究?jī)H僅考慮了介質(zhì)或速度或載荷等單一因素的影響，沒(méi)有進(jìn)行深入系統(tǒng)的摩擦磨損機(jī)理分析。鑒于目前鮮見(jiàn)15號(hào)航空液壓油條件下機(jī)械密封端面摩擦副配對(duì)的有關(guān)技術(shù)資料，同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)機(jī)械密封在實(shí)際啟停和運(yùn)行期間其密封端面可能經(jīng)歷的不同摩擦狀態(tài)，本文采用上述設(shè)備中典型機(jī)械密封并用3種浸漬酚醛樹(shù)脂石墨作為SiC陶瓷的對(duì)摩副材料開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)比研究，通過(guò)獲取浸漬酚醛樹(shù)脂石墨在干摩擦和15號(hào)航空液壓油潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)特性，分析其磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料制備

本文采用UMT-3型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的銷-盤(pán)試驗(yàn)?zāi)K，由國(guó)內(nèi)3個(gè)主要碳石墨密封用材制造企業(yè)各提供一種優(yōu)質(zhì)浸漬酚醛樹(shù)脂石墨(研究代號(hào)分別為B1、H1、X1)，均加工制成φ6 mm×18 mm的石墨銷，并與無(wú)壓燒結(jié)SiC圓盤(pán)配對(duì)開(kāi)展摩擦學(xué)特性試驗(yàn)研究，圓盤(pán)試樣尺寸為φ71 mm×6.5 mm。銷和圓盤(pán)的實(shí)物照片如圖1所示，3種浸漬酚醛樹(shù)脂石墨的材料物理性能參數(shù)如表1所示。

(a) 銷試樣

表1 浸漬石墨的物理性能

試驗(yàn)前，首先對(duì)SiC圓盤(pán)材料進(jìn)行拋光打磨，然后使用OLS5000激光三維形貌儀測(cè)量圓盤(pán)得到表面粗糙度值Ra，并取分度120°的3個(gè)位置測(cè)量Ra的平均值；依據(jù)機(jī)械密封的技術(shù)條件，控制SiC圓盤(pán)Ra≤0.1 μm(實(shí)際測(cè)量值Ra≈0.01 μm)。其次，對(duì)圓盤(pán)試樣用丙酮進(jìn)行超聲波清洗，并擱置于干燥箱中進(jìn)行除水處理。再次，為保證試驗(yàn)前銷盤(pán)間的完全接觸，試驗(yàn)前將石墨銷與1800目砂紙(粘貼在試驗(yàn)備用盤(pán)面上)對(duì)磨，之后對(duì)石墨銷進(jìn)行離子水超聲波清洗。最后，所有試樣在干燥箱中自然冷卻至室溫后，拿出分裝至帶有干燥劑的包裝袋中，以備試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)及測(cè)試方法

在UMT-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展銷-盤(pán)試驗(yàn)，如圖2所示。在室溫(25±2)℃、相對(duì)濕度RH60%±5%的環(huán)境下，采用控制pv值(p為載荷，v為速度)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，研究硬盤(pán)表面粗糙度給定情況下，石墨銷在不同轉(zhuǎn)速和載荷條件下的摩擦學(xué)特性，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為25 min，分別在干摩擦和15號(hào)航空液壓油潤(rùn)滑的情況下進(jìn)行。試驗(yàn)前，石墨銷質(zhì)量用FA2004電子分析天平稱重并記錄，試驗(yàn)后用超聲波清洗、干燥并再次稱重，獲得試驗(yàn)前后石墨銷的質(zhì)量差Δm。將測(cè)得的質(zhì)量磨損量轉(zhuǎn)化為磨損率：

圖2 銷盤(pán)試驗(yàn)原理圖

式中，W為磨損率，mm3/(N·m)；Δm為磨損質(zhì)量，mg；ρ為材料密度，mg/mm3；F為施加載荷，N；L為摩擦距離，m。

此外，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始前在旋轉(zhuǎn)腔中導(dǎo)入超出圓盤(pán)接觸面4～5 mm的油，保證啟動(dòng)過(guò)程中接觸面處于富油潤(rùn)滑，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中每隔10～20 s滴入1～2滴油，通過(guò)上述方式實(shí)現(xiàn)油潤(rùn)滑工況。石墨銷與SiC盤(pán)的摩擦學(xué)特性試驗(yàn)在不同pv值下進(jìn)行，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2和表3。試驗(yàn)后，利用能譜儀和掃描電子顯微鏡等設(shè)備對(duì)磨損表面進(jìn)行觀察。

表2 定載荷變速度

表3 定速度變載荷

2 結(jié)果分析

2.1 干摩狀態(tài)下的石墨摩擦學(xué)特性

圖3示出了干摩擦條件下B1/SiC在25 min內(nèi)的端面平均摩擦因數(shù)時(shí)變曲線及不同速度下的平均摩擦因數(shù)(取平穩(wěn)運(yùn)行后1000～1400 s的平均摩擦因數(shù))。可以看出，摩擦因數(shù)都是先升后降，隨著速度的增大，摩擦因數(shù)到達(dá)平穩(wěn)階段所經(jīng)歷的時(shí)間縮短，0.5 m/s時(shí)需900 s進(jìn)入穩(wěn)定階段，2.5 m/s時(shí)需約200 s便進(jìn)入穩(wěn)定階段。原因是隨著速度或pv值的增大，浸漬石墨相對(duì)較易磨損，石墨銷和SiC圓盤(pán)的界面間更易在短時(shí)間內(nèi)形成具有自潤(rùn)滑性的石墨層，并且這層固體潤(rùn)滑膜逐漸由完全離散分布發(fā)展為完全整體分布。

圖3 速度對(duì)B1/SiC配對(duì)副干摩擦因數(shù)的影響

圖4所示是3種浸漬石墨材料在不同工況下的干摩擦因數(shù)變化曲線。由圖4a可以看出，隨著速度的增大，3種浸漬石墨的干摩擦因數(shù)呈不同的變化趨勢(shì)，但是整體呈下降趨勢(shì)。其中，浸漬石墨B1的摩擦因數(shù)處于0.115～0.160之間，均值最?。欢n石墨H1的摩擦因數(shù)始終呈下降趨勢(shì)，從0.186降至0.120；浸漬石墨X1的摩擦因數(shù)在定載荷條件下波動(dòng)最大，并且隨速度增大呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，而在定速度條件下卻隨載荷增大呈先快速下降后平緩的趨勢(shì)。究其原因是：浸漬石墨的力學(xué)性能固然是影響銷摩擦因數(shù)大小的重要因素，但石墨化度也是不可或缺的因素。已有研究表明，石墨化度一般為40～55%左右較合適，石墨化度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大[4，10]，顯然本文結(jié)果與此一致。

(a) p=2 MPa

圖5示出了不同pv值下，3種浸漬石墨材料與SiC對(duì)摩時(shí)磨損率的變化?？梢钥闯?，隨著pv值的增大，3種浸漬石墨的磨損率均呈下降趨勢(shì)，原因是在較低pv值時(shí)石墨層難以在SiC配副表面形成致密轉(zhuǎn)移層，石墨和SiC易產(chǎn)生直接接觸，而在較高pv值下，SiC配副表面形成的石墨自潤(rùn)滑層易于壓實(shí)，界面摩擦實(shí)際處于石墨與石墨之間的低摩擦，因此磨損率有所下降。此外，3種浸漬石墨在相同pv值、定載荷條件下的磨損率均較定速度條件下的磨損率高，表明石墨磨損率受速度影響較大，原因是速度變化更容易導(dǎo)致石墨潤(rùn)滑膜破壞。對(duì)比圖6相同pv值干摩擦狀態(tài)下H1/SiC圓盤(pán)石墨層，明顯看出在相同pv值下速度較大的SiC圓盤(pán)上石墨層破壞較為嚴(yán)重，整體石墨層相對(duì)淺，在其局部放大圖中可以更清晰地觀察到石墨層遭破壞后脫落的塊狀區(qū)域。

(a) B1/SiC

(a) p=2 MPa，v=2.5 m/s

B1和H1兩種浸漬石墨的磨損率比X1浸漬石墨的磨損率幾乎小一個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢酝茰y(cè)，浸漬石墨X1的硬度小、力學(xué)性能低且石墨化度高是導(dǎo)致其磨損率高的原因，而且石墨化度越高，內(nèi)部存在的層狀分子結(jié)構(gòu)就越完整，導(dǎo)致耐磨性越差[4，11]。

圖7所示為H1和X1兩種浸漬石墨分別在pv值為1 MPa·m/s和5 MPa·m/s下的磨損表面?？梢钥闯?，H1浸漬石墨表面磨損由輕微黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的黏著磨損，而X1浸漬石墨表面磨損不僅由輕微黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩^嚴(yán)重的黏著磨損，而且產(chǎn)生了磨粒磨損，最終導(dǎo)致磨損加劇。該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了石墨的石墨化度對(duì)石墨材料摩擦磨損特性的影響，石墨化度達(dá)到70%以上會(huì)顯著降低石墨材料的耐磨特性。

(a) pv=1 MPa·m/s, H1

圖8和圖9為定載荷或定速度下摩擦界面溫度隨pv值的變化曲線，其中圖8a～圖8c與圖9a～圖9c分別是圖8d和圖9d對(duì)應(yīng)3種材料的溫度時(shí)變曲線?？梢钥闯觯S著pv值的增大，3種石墨銷的摩擦界面溫度均呈上升趨勢(shì)，其值波動(dòng)程度與圖4所示的摩擦因數(shù)非常相似。渦輪泵實(shí)際啟動(dòng)期間，端面可能出現(xiàn)乏液導(dǎo)致的干摩現(xiàn)象，與圖8工況類似。由圖8d看出，H1浸漬石墨在定載變速條件下，其界面溫度隨pv值的增大呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)，上升幅度14.9 ℃，而B(niǎo)1和X1兩種浸漬石墨界面溫度上升幅度均超過(guò)20 ℃。

(a) B1/SiC

(a) B1/SiC

2.2 油潤(rùn)滑狀態(tài)下的石墨摩擦學(xué)特性

圖10示出了油潤(rùn)滑狀態(tài)下3種石墨的摩擦因數(shù)變化情況?？梢钥闯?，3種浸漬石墨的摩擦因數(shù)在pv值為1～5 MPa·m/s范圍內(nèi)均處于較低值，其中H1浸漬石墨摩擦因數(shù)在定載荷和定速度下的最小值分別為0.057(圖10a)和0.065(圖10b)，遠(yuǎn)小于圖4所示的0.120(圖4a)和0.145(圖4b)，而且摩擦因數(shù)變化相對(duì)穩(wěn)定。

與圖10對(duì)應(yīng)，圖11給出了油潤(rùn)滑狀態(tài)下3種石墨銷摩擦界面溫度隨pv值的變化曲線?？梢钥闯觯Spv值的增大界面溫度呈上升趨勢(shì)，因?yàn)榻缑婺Σ翢崤c摩擦因數(shù)、pv值和摩擦界面面積三者成正比。與干摩擦的溫升時(shí)變曲線相比，油潤(rùn)滑的溫升時(shí)變曲線波動(dòng)小，更易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(a) p=2 MPa

(a) B1/SiC

綜合圖4～圖12所示結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)操作模式中最常見(jiàn)的操作模式(即灌注介質(zhì)并保持設(shè)定載荷基本不變之后再啟動(dòng)的操作模式)，可以確定這3種浸漬石墨中H1浸漬石墨是最佳選擇，其次是X1浸漬石墨。

(a) B1/SiC

2.3 不同摩擦狀態(tài)下的石墨/SiC磨損機(jī)理

依據(jù)上述結(jié)果，根據(jù)干摩擦下磨損率、摩擦因數(shù)和溫度以及物理性能等實(shí)際結(jié)果綜合評(píng)判，選取整體表現(xiàn)適中的B1/SiC配對(duì)副系統(tǒng)，分析其在不同pv值下的磨損機(jī)理。

圖13示出了干摩擦狀態(tài)下B1浸漬石墨摩擦界面的磨損隨pv值的變化情況，結(jié)合圖4a和圖5a可以看出：當(dāng)摩擦副在低pv值下運(yùn)行時(shí)，石墨表面產(chǎn)生了輕微的磨損(圖13a)，磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為輕微磨粒磨損和輕微黏著磨損，此時(shí)對(duì)摩面并未形成石墨層，因此摩擦因數(shù)大，但石墨的磨損也大；當(dāng)pv值略有升高時(shí)，石墨表面產(chǎn)生了比圖13a更嚴(yán)重的黏著磨損(圖13b)，同時(shí)還產(chǎn)生了輕微的疲勞磨損，因此可以想象，SiC對(duì)摩面上逐漸生成了石墨層，此時(shí)摩擦因數(shù)減小，磨損減小。根據(jù)石墨呈現(xiàn)層狀晶體交錯(cuò)排布的原子結(jié)構(gòu)可知，其分子層狀結(jié)構(gòu)之間的化學(xué)鍵易隨著摩擦斷裂，這種特性使石墨具有良好的自潤(rùn)滑性[12-13]，在宏觀的摩擦過(guò)程中表現(xiàn)為產(chǎn)生石墨層剝落，摩擦因數(shù)隨著pv值的升高呈下降趨勢(shì)。結(jié)合圖7分析可知，當(dāng)pv值進(jìn)一步升高至5 MPa·m/s時(shí)，石墨表面不僅產(chǎn)生了疲勞磨損和磨粒磨損，表面出現(xiàn)了斷裂樹(shù)脂(見(jiàn)圖13c右上)，而且產(chǎn)生了更嚴(yán)重的黏著磨損(見(jiàn)圖13c右下)；鑒于斷裂樹(shù)脂可能黏附在對(duì)摩面上，且浸漬石墨摩擦面變得粗糙，因此摩擦因數(shù)略有回升，而磨損率繼續(xù)保持低值。

(a) pv=1 MPa·m/s

圖14示出了B1/SiC摩擦副在pv值為5 MPa·m/s的干摩擦條件下試驗(yàn)前后SiC盤(pán)試樣表面元素含量。圖15示出了SiC盤(pán)在干摩擦和油潤(rùn)滑狀態(tài)下的磨損表面微觀形貌?？梢钥闯?，試驗(yàn)前碳元素與硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例約為3∶7，氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不到1%；試驗(yàn)后碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增大，與硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例接近于1∶1，說(shuō)明在pv值較高的條件下B1浸漬石墨向?qū)δΩ盨iC表面發(fā)生了轉(zhuǎn)移，而且形成了較穩(wěn)定的不連續(xù)黑色轉(zhuǎn)移膜，如圖15a所示。同時(shí)氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增大，表明在較高pv值下端面摩擦生熱可能會(huì)存在少量微米級(jí)別的SiO2粒子[14-16]和硅酸等氧化物[17]。微米級(jí)別SiO2的存在使得作用相對(duì)較弱的范德華力代替了摩擦副表面共價(jià)鍵、金屬鍵或者是離子鍵產(chǎn)生的連接力[18]，也是圖4a所示的摩擦因數(shù)呈減小趨勢(shì)的影響因素。在油潤(rùn)滑條件下受油反復(fù)擠壓和黏滯力作用，浸漬石墨中的樹(shù)脂微段從石墨銷脫落，并與液壓油混合形成一種黏附力強(qiáng)的物質(zhì)，如圖15b所示，這可能是平端面機(jī)械密封在正常運(yùn)行過(guò)程中端面形成了局部微動(dòng)壓墊，使得磨損較低。在未被黏性混合物覆蓋的區(qū)域也存在輕微劃痕，如圖16所示?；谂ｎD剪切定律，可以計(jì)算獲得全膜潤(rùn)滑狀態(tài)下石墨和SiC之間的摩擦因數(shù)，該數(shù)值遠(yuǎn)小于0.1；此外，由圖16可發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)后摩擦副界面(包括SiC圓盤(pán)和石墨銷)上均存在輕微刮痕。上述結(jié)果證實(shí)了配對(duì)副在實(shí)際油潤(rùn)滑運(yùn)行過(guò)程中并非處于全膜流體潤(rùn)滑狀態(tài)，而是混合摩擦狀態(tài)。

(a) 試驗(yàn)前

(a) 干摩擦

(a) pv=1 MPa·m/s

3 結(jié)論

(1)在干摩擦條件下，隨著pv值的增大，3種浸漬石墨的摩擦因數(shù)整體呈減小趨勢(shì)，磨損機(jī)理由輕微的磨粒磨損和黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩^嚴(yán)重的磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損；在相同條件下，石墨磨損率受速度的影響大于受載荷的影響。

(2)在油潤(rùn)滑狀態(tài)下，隨著pv值的增大，3種浸漬石墨的摩擦因數(shù)基本保持在0.1以下，磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為黏著磨損和疲勞磨損；3種浸漬石墨的摩擦因數(shù)和端面溫升均明顯小于干摩擦條件下的相應(yīng)數(shù)值。

(3)綜合考慮不同摩擦狀態(tài)下浸漬樹(shù)脂石墨的力學(xué)性能、摩擦學(xué)特性和端面摩擦溫升，推薦石墨的石墨化度在45～55%，可獲得最佳摩擦學(xué)特性和相對(duì)較低且穩(wěn)定的摩擦界面溫度。