浸渍石墨密封材料的摩擦学性能试验体系的构建

李宗瑛

(陕西工业技术学院 数控工程学院，陕西 咸阳 712000)



浸渍石墨密封材料的摩擦学性能试验体系的构建

李宗瑛

(陕西工业技术学院 数控工程学院，陕西 咸阳 712000)

系统地设计了浸渍酚醛树脂石墨密封材料的性能评价方法及步骤，该方法从微观结构、基本热物理性能、机械强度及摩擦学试验做出综合评价.采用该方法，结合大量试验在3种不同型号浸渍酚醛树脂石墨中选出了一种最适合特定实际工作情况的石墨.

浸渍酚醛树脂石墨；摩擦学性能；气孔

随着化工、航空航天、材料开发及制造技术等的快速发展.机械密封研究朝着机械密封的基础理论研究和试验研究两个方面不断深入发展[1].该文制定了选型试验方案，从编号1#、2#、3#的3种浸渍酚醛树脂石墨(下文简称石墨)中选择一种最适用于特定工况的石墨.试验采用浸渍酚醛树脂石墨试样(表1)，它的对磨件为9Cr18硬质合金，见图1.

表1 浸渍石墨使用的特定工作情况

(a) 石墨试样 (b) 9Cr18硬质合金图1 试验试样

1 试验总体方案设计

影响浸渍酚醛树脂石墨密封材料的摩擦学涉及到材料的基本物理性能、机械性能、热物性等，也是作为密封结构所必须的基本要求.密封材料的基本物理性能如密度、孔隙率、孔的类型等关系到材料的致密性和机械强度，可以通过电镜照片观察并统计分析其气孔大小及分布情况.在端面密封条件下，摩擦始终存在着，摩擦损耗产生材料损失即为磨损，产生能量损失即表现出摩擦温升，对材料的热性能也提出了要求，导热性好，热膨胀系数小又防止表面的胶合.N2O4工况下石墨的摩擦磨损性能测试办法：将试件在N2O4介质中浸泡几个小时，待N2O4进入基体后再烘干拿来做试验，这样试验是在干摩擦情况下进行.经过分析，将试验步骤细化为以下4个方面参数的测定：

(1)微观结构测定及分析，具体的测量参数为：

a.扫描电镜观测；

b.表面孔隙率的计算；

c.石墨化度分析;

d.开口气孔率的测定.

(2)基本热物性能测量，具体的测试参数为：

a.线热膨胀系数的测定；

b.导热系数的测定.

(3)基本摩擦磨损性能评定，具体的测试参数为：

a.不同PV值下的基本摩擦学特性试验；

b.浸泡N2O4前后石墨的摩擦磨损评定.

(4)机械强度测量，具体的测试参数为：

a.肖氏硬度的测定；

b.抗折强度的测定；

c.抗压强度的测定；

d.体积密度的测定.

2 浸渍酚醛树脂石墨的基本性能测试及分析

选定合适的试验仪器，严格执行各种试验标准或算法，测定3种浸渍酚醛树脂石墨的微观结构、基本热物性能及机械强度并分析结果.每个试验重复做至少3次并求得平均值，完成浸渍酚醛树脂的基本性能测试(图2).

图2 设计选型试验方案

试验结果(表2)表明：3#石墨开孔气孔率太大，容易造成端面泄漏，硬度较低，耐磨性较差.1#和2#石墨开孔气孔率适中，导热性能较好，满足一定的机械强度，基本性能较好，但是还不能分析出导致石墨密封性能差异的关键因素，无法评价浸渍酚醛树脂石墨的性能，需要进一步研究浸渍石墨的摩擦学特性.

表2 浸渍石墨的基本性能测试结果

3 PV值和N2O4介质对浸渍酚醛树脂石墨的摩擦学性能测试及分析

一般用被密封介质的压力P与密封副摩擦面的平均滑动速度V的乘积PV值作为机械密封耐磨性和耐热性的指标[2].

3.1 摩擦磨损试验设计

美国 Center for Tribology(CETR)公司生产的UMT-2多功能摩擦磨损试验机满足小试样和工况的试验要求，如图3所示.力传感器测量载荷力N和水平摩擦力F并转化成电信号输出，计算机利用公式μ=F/N自动求出上千甚至上万个摩擦系数的平均值并生成摩擦系数随时间变化曲线.

(a) UMT-2试验机 (b) UMT-2试验机原理图图3 UMT-2摩擦磨损试验机原理

表3 不同PV值下的摩擦学试验参数设计

摩擦副(销盘接触)采用干摩擦接触方式.速度V=1 m/s，旋转半径r=10 mm，即转速n=954.93 r/min.试验的其他参数见表3.

摩擦系数和磨损量没有必然的联系，摩擦系数小，磨损量不一定就小，还与其他条件参数有关.摩擦学系统是依赖性的，表现在摩擦系数不只是决定于材料，而是与工况的温度、载荷、速度、介质的腐蚀性和人工操作的规范性等都有关系[3].本论文的磨损量计算采用的是体积磨损量，通常体积磨损量用式(1)表示[4]：

WV=ΔG/d

(1)

式中：WV——材料体积磨损量/cm3；ΔG——材料磨损的质量/g；d——体积密度/(g·cm-3).

3.2 PV值对浸渍石墨的摩擦学性能的影响

为了研究PV值对5种浸渍石墨的摩擦学性能的影响.3种石墨试样分别进行PV=10 MPa·m/s，PV=20 MPa·m/s，PV=30 MPa·m/s，PV=35 MPa·m/s 4种PV值条件下的试验并得出摩擦系数曲线.

(a) 1# (b) 2# (c) 3#图4 3种石墨在不同PV值下的摩擦系数曲线

在载荷下，石墨转移膜不断地经历形成和破坏的过程[5].1#石墨在PV=30 MPa·m/s下石墨转移膜分布均匀，当载荷加大到PV=35 MPa·m/s，出现了鱼鳞状的粘着摩擦.2#石墨在不同载荷下的石墨转移膜较均匀，摩擦系数曲线分布稳定.

3.3 浸渍石墨浸泡N2O4前后的摩擦学试验

在浸泡过N2O4，PV=30 MPa·m/s(接近工况)的条件下，测定摩擦系数和磨损量.对试验后的石墨进行电镜观测并讨论了石墨浸泡前后孔隙变化.孔隙变化太大就有可能导致泄漏[6].

其中，磨损试验的试验条件：PV=30 MPa·m/s，运行时间t=20 min.磨损量采用体积磨损量计算，结果见表4.

表4 浸泡N2O4前后的摩擦学试验结果

1#石墨浸泡N2O4后摩擦系数减小13%，体积磨损量增大36%；2#石墨浸泡N2O4后摩擦系数增大15%，体积磨损量增大11%.电镜照片显示孔隙分布仍较均匀.可知2#石墨的摩擦磨损性能较1#好.

4 结语

设计了系统的浸渍酚醛树脂石墨密封材料的性能评价方法和步骤，密封用浸渍酚醛树脂石墨的选型可从微观结构、基本热物理性能、机械强度及摩擦学试验分步进行.经过大量的试验，发现1#、2#及3#备选浸渍酚醛树脂密封材料有以下特点：1#石墨机械强度较好，导热系数较高，摩擦系数曲线稳定，石墨转移膜均匀稳定，但在工况N2O4腐蚀介质中磨损量增大较多.2#石墨基本性能良好，在不同PV值下摩擦系数曲线稳定，石墨转移膜均匀稳定，在工况N2O4腐蚀介质中磨损量基本不变.石墨化度和导热系数较大、气孔率较低，机械强度较高.3#石墨由于硬度低，不耐磨，摩擦系数变化不稳定，且开口气孔率最大，容易造成磨损和泄漏，综合性能较差.综上所述，2#浸渍酚醛树脂石墨的综合性能较其他石墨最好，最适合于工况.

[1] 左振亮，李楠.机械密封技术与研发方向[J].辽宁化工，2008，37(10)：698-700.

[2] PETERSON M B,WINER W O.磨损控制手册[M].北京：机械工业出版社，1994:537-547.

[3] 伍俏平.几种陶瓷涂层与浸渍石墨摩擦副的磨损性能及机理研究[D].长沙：湖南大学硕士论文，2007:14.

[4] 贾谦，董光能，赵伟刚，等.腐蚀下浸渍石墨材料的摩擦磨损特性研究[J].徐州工程学院学报(自然科学版)，2013，28(3)：21-26.

[5] 张立章.ATM中橡胶轮材料的摩擦磨损特性研究[D].西安:西安交通大学机械工程学院润滑理论及轴承研究所,2009.

[6] 胡亚非，王启立，刘颀，等.石墨密封材料润滑膜形成规律及摩擦磨损研究[J].中国矿业大学学报，2010，39(2):223-226.

[责任编辑 马云彤]

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，陕西咸阳人，陕西工业技术学院数控工程学院助教，硕士，主要从事机电一体化、数控技术应用与维护研究.

TB321

A