氮化硅軸承與硝基氧化劑的相容性試驗(yàn)研究

陳傳寶，丁大江，岳守體，劉照智，張永江

（1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2. 太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原，030027）

0 引 言

中國(guó)運(yùn)載火箭常溫雙組元液體推進(jìn)劑中氧化劑最常用的是硝基氧化劑，硝基氧化劑的腐蝕性很強(qiáng)，因此在這種推進(jìn)劑加注系統(tǒng)使用的加注泵中，與介質(zhì)接觸的零部件必須采用相容的材料，特別是泵中與介質(zhì)接觸的軸承尤為重要。軸承一旦損壞，輕則使泵能力下降，造成運(yùn)轉(zhuǎn)異常，重則導(dǎo)致泵軸、葉輪等損壞，造成泵報(bào)廢。

能與硝基氧化劑相容的材料有不銹鋼、聚四氟乙烯等。但用作軸承時(shí)，不銹鋼軸承需要增加潤(rùn)滑劑，而潤(rùn)滑劑本身與硝基氧化劑不相容。聚四氟乙烯軸承耐磨性差、強(qiáng)度低，所以一般充填耐磨材料（如玻璃纖維及石墨）。在以往的推進(jìn)劑加注系統(tǒng)中使用的屏蔽泵曾采用了聚四氟乙烯軸承，但在多年的實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)屏蔽泵系統(tǒng)停用一段時(shí)間后再啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)軸承抱死現(xiàn)象。將泵拆卸后發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯軸承表面有較多白色結(jié)晶物，是硝酸與軸承中的玻璃纖維粉的反應(yīng)生成物，主要成分是硝酸鹽的混合物。

氮化硅（SiN）工程應(yīng)用是20 世紀(jì)50 年代中期逐步發(fā)展起來(lái)的，中國(guó)在20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始研制氮化硅材料，并逐步應(yīng)用到密封、軸承、切削、發(fā)動(dòng)機(jī)等多種領(lǐng)域。氮化硅具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨擦性能、抗熱震性能好、壽命長(zhǎng)、可機(jī)械加工等特點(diǎn)，因此在硝基氧化劑中可考慮采用氮化硅軸承。但由于硝基氧化劑特別是硝酸27S，其含有N0、氫氟酸和磷酸，腐蝕性極強(qiáng)，氮化硅材料與其相容性目前沒(méi)有具體數(shù)據(jù)作為依據(jù)，因此有必要對(duì)氮化硅軸承材料進(jìn)行相容性試驗(yàn)研究。

1 氮化硅的耐腐蝕性能

由于氮化硅晶體結(jié)構(gòu)中的Si-N 共價(jià)鍵鍵能較大，有四面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，化學(xué)穩(wěn)定性很好，耐腐蝕能力強(qiáng)，能耐所有無(wú)機(jī)酸（除氫氟酸外）和某些堿溶液。陜西陶瓷非金屬研究所采用氮化硅制作了泵的動(dòng)密封元件，其在66%~70%的稀硫酸并混有5%以下的硝酸和其他雜質(zhì)的介質(zhì)中浸泡79 天，并連續(xù)運(yùn)行36 天后，氮化硅元件仍然完好。段洪基等人根據(jù)其工廠實(shí)際選用經(jīng)驗(yàn)，指出在20%濃度稀硝酸、5%濃度的磷酸中推薦使用氮化硅材料。上海燎原化工廠曾對(duì)氮化硅材料進(jìn)行了耐化學(xué)介質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明分別在濃度65%~68%的硝酸和85%的磷酸中煮沸2 h 后，氮化硅的腐蝕率分別為0.30%和0.10%。

2 氮化硅軸承與硝基氧化劑的相容性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案及步驟

由于硝基氧化劑中的硝酸27S 包括N0、氫氟酸和磷酸，因此采用硝酸27S 作為介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，即可覆蓋全部硝基氧化劑。試驗(yàn)參考QJ 1387-1988《金屬材料在硝基氧化劑中靜態(tài)浸泡腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用常溫靜態(tài)浸泡法進(jìn)行相容性試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為 40 天，氮化硅試驗(yàn)件數(shù)為5 件。步驟如下：

a）將試驗(yàn)件懸掛在容器中，控制懸掛高度與介質(zhì)量，保證試驗(yàn)件浸泡在液相中，試驗(yàn)件與容器壁和試樣間不互相接觸；

b）封閉容器，進(jìn)行氣密性檢查，氣密性檢查合格后方可進(jìn)行介質(zhì)灌注，確保介質(zhì)量符合試驗(yàn)要求；

c）進(jìn)行試驗(yàn)件常溫浸泡試驗(yàn)，試驗(yàn)期間檢查試驗(yàn)容器的密封性，如有泄漏，及時(shí)采取相應(yīng)措施；

d）達(dá)到40 天試驗(yàn)周期后，將容器打開(kāi)，取出氮化硅試驗(yàn)件依次進(jìn)行質(zhì)量變化率、體積變化率測(cè)試，同時(shí)還應(yīng)對(duì)試驗(yàn)前后的試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行分析，檢查試驗(yàn)前后氮化硅材料對(duì)介質(zhì)的影響變化。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 試驗(yàn)后外觀變化情況

試驗(yàn)后外觀沒(méi)有明顯被腐蝕的痕跡，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物形貌，材料表面硬度沒(méi)有明顯變化。但是，試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)浸泡后，表面顏色發(fā)生微弱改變。與浸泡前相比，浸泡后試驗(yàn)件表面光澤暗淡，由黑色變?yōu)榛野咨?/p>

試驗(yàn)前后試驗(yàn)件質(zhì)量、體積變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

表1 氮化硅試驗(yàn)件浸泡試驗(yàn)前后質(zhì)量變化Tab.1 Mass Variation of Si3N4 before and after the Experiment

表2 氮化硅試驗(yàn)件浸泡試驗(yàn)前后體積變化Tab.2 Volume Variation of Si3N4 before and after the Experiment

同時(shí)，抽取了3 件試驗(yàn)件，對(duì)外表面進(jìn)行了光譜成分分析，結(jié)果如表3 至表5 所示。

表3 試驗(yàn)件1 浸泡試驗(yàn)前后成分變化Tab.3 Elements Variation of Si3N4 before and after the Experiment

表4 試驗(yàn)件2 浸泡試驗(yàn)前后成分變化Tab.4 Elements Variation of Si3N4 before and after the Experiment

表5 試驗(yàn)件3 浸泡試驗(yàn)前后成分變化Tab.5 Elements Variation of Si3N4 before and after the Experiment

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，可以看出：

a）試驗(yàn)件為均勻腐蝕；

b）試驗(yàn)件質(zhì)量的輕微變化分析是由于氮化硅在制造過(guò)程中增加了燒結(jié)劑，硝基氧化劑對(duì)燒結(jié)劑殘余產(chǎn)生了腐蝕；

c）試驗(yàn)件表面元素相對(duì)較大的變化也是由于燒結(jié)劑的腐蝕帶來(lái)的影響。

可按照如下公式計(jì)算年腐蝕率，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 氮化硅在硝酸27S 中的年腐蝕率Tab.6 Corrossion Rate Per Annum of Si3N4 in Nitric Acid-27S

式中為常數(shù)，8.76×10；Δ為質(zhì)量變化量，g；為試驗(yàn)件試驗(yàn)前表面積，cm；為試驗(yàn)時(shí)間，h；為試驗(yàn)件密度，g/cm。

2.2.2 試驗(yàn)后推進(jìn)劑質(zhì)量分析情況

對(duì)試驗(yàn)前后的硝酸27S 介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表7 所示。

表7 硝酸27S 試驗(yàn)前后成分變化Tab.7 Elements Variation of Nitric Acid-27S before and after the Experiment

3 軸承實(shí)際使用試驗(yàn)

對(duì)使用了氮化硅軸承的泵進(jìn)行硝酸27S 介質(zhì)輸送運(yùn)行試驗(yàn)，累計(jì)時(shí)間共4 h，泵運(yùn)行良好。而后泵內(nèi)充滿硝酸27S 介質(zhì)并浸泡了8 個(gè)月。對(duì)泵清洗、分解后檢查，結(jié)果表明與之前浸泡試驗(yàn)類似，氮化硅軸承表面顏色局部變?yōu)榛野咨?，沒(méi)有明顯被腐蝕的痕跡，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物形貌，材料表面硬度經(jīng)過(guò)目視對(duì)比沒(méi)有明顯變化。

4 結(jié) 論

a）經(jīng)過(guò)氮化硅軸承在硝基氧化劑中的相容性試驗(yàn)，結(jié)果表明氮化硅在硝酸27S 中具有良好的耐腐蝕性，平均年腐蝕率為0.00351 mm/a；

b）試驗(yàn)前后，硝基氧化劑成分雖有部分變化，但各檢測(cè)指標(biāo)仍滿足使用要求，說(shuō)明氮化硅試驗(yàn)件未對(duì)硝基氧化劑技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響；

c）參考QJ 1387-1988《金屬材料在硝基氧化劑中靜態(tài)浸泡腐蝕試驗(yàn)方法》中材料相容性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，氮化硅材料年腐蝕率小于0.0254 mm/a，且硝基氧化劑不受影響，屬于一級(jí)相容性材料，可以在泵中長(zhǎng)期使用；

d）使用了氮化硅軸承的泵累計(jì)通過(guò)了4 h 硝酸27S輸送運(yùn)行試驗(yàn)以及8 個(gè)月浸泡試驗(yàn)，泵運(yùn)行良好，且軸承無(wú)明顯腐蝕及硬度變化。