李宗瑛

(陜西工業(yè)技術(shù)學院 數(shù)控工程學院，陜西 咸陽 712000)

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浸漬石墨密封材料的摩擦學性能試驗體系的構(gòu)建

李宗瑛

(陜西工業(yè)技術(shù)學院 數(shù)控工程學院，陜西 咸陽 712000)

系統(tǒng)地設計了浸漬酚醛樹脂石墨密封材料的性能評價方法及步驟，該方法從微觀結(jié)構(gòu)、基本熱物理性能、機械強度及摩擦學試驗做出綜合評價.采用該方法，結(jié)合大量試驗在3種不同型號浸漬酚醛樹脂石墨中選出了一種最適合特定實際工作情況的石墨.

浸漬酚醛樹脂石墨；摩擦學性能；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.機械密封研究朝著機械密封的基礎理論研究和試驗研究兩個方面不斷深入發(fā)展[1].該文制定了選型試驗方案，從編號1#、2#、3#的3種浸漬酚醛樹脂石墨(下文簡稱石墨)中選擇一種最適用于特定工況的石墨.試驗采用浸漬酚醛樹脂石墨試樣(表1)，它的對磨件為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 試驗試樣

1 試驗總體方案設計

影響浸漬酚醛樹脂石墨密封材料的摩擦學涉及到材料的基本物理性能、機械性能、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、孔的類型等關系到材料的致密性和機械強度，可以通過電鏡照片觀察并統(tǒng)計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，對材料的熱性能也提出了要求，導熱性好，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試辦法：將試件在N2O4介質(zhì)中浸泡幾個小時，待N2O4進入基體后再烘干拿來做試驗，這樣試驗是在干摩擦情況下進行.經(jīng)過分析，將試驗步驟細化為以下4個方面參數(shù)的測定：

(1)微觀結(jié)構(gòu)測定及分析，具體的測量參數(shù)為：

a.掃描電鏡觀測；

b.表面孔隙率的計算；

c.石墨化度分析;

d.開口氣孔率的測定.

(2)基本熱物性能測量，具體的測試參數(shù)為：

a.線熱膨脹系數(shù)的測定；

b.導熱系數(shù)的測定.

(3)基本摩擦磨損性能評定，具體的測試參數(shù)為：

a.不同PV值下的基本摩擦學特性試驗；

b.浸泡N2O4前后石墨的摩擦磨損評定.

(4)機械強度測量，具體的測試參數(shù)為：

a.肖氏硬度的測定；

b.抗折強度的測定；

c.抗壓強度的測定；

d.體積密度的測定.

2 浸漬酚醛樹脂石墨的基本性能測試及分析

選定合適的試驗儀器，嚴格執(zhí)行各種試驗標準或算法，測定3種浸漬酚醛樹脂石墨的微觀結(jié)構(gòu)、基本熱物性能及機械強度并分析結(jié)果.每個試驗重復做至少3次并求得平均值，完成浸漬酚醛樹脂的基本性能測試(圖2).

圖2 設計選型試驗方案

試驗結(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，導熱性能較好，滿足一定的機械強度，基本性能較好，但是還不能分析出導致石墨密封性能差異的關鍵因素，無法評價浸漬酚醛樹脂石墨的性能，需要進一步研究浸漬石墨的摩擦學特性.

表2 浸漬石墨的基本性能測試結(jié)果

3 PV值和N2O4介質(zhì)對浸漬酚醛樹脂石墨的摩擦學性能測試及分析

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速度V的乘積PV值作為機械密封耐磨性和耐熱性的指標[2].

3.1 摩擦磨損試驗設計

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

(a) UMT-2試驗機 (b) UMT-2試驗機原理圖圖3 UMT-2摩擦磨損試驗機原理

表3 不同PV值下的摩擦學試驗參數(shù)設計

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.摩擦學系統(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)范性等都有關系[3].本論文的磨損量計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值對浸漬石墨的摩擦學性能的影響

為了研究PV值對5種浸漬石墨的摩擦學性能的影響.3種石墨試樣分別進行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前后的摩擦學試驗

在浸泡過N2O4，PV=30 MPa·m/s(接近工況)的條件下，測定摩擦系數(shù)和磨損量.對試驗后的石墨進行電鏡觀測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致泄漏[6].

其中，磨損試驗的試驗條件：PV=30 MPa·m/s，運行時間t=20 min.磨損量采用體積磨損量計算，結(jié)果見表4.

表4 浸泡N2O4前后的摩擦學試驗結(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

設計了系統(tǒng)的浸漬酚醛樹脂石墨密封材料的性能評價方法和步驟，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、機械強度及摩擦學試驗分步進行.經(jīng)過大量的試驗，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：1#石墨機械強度較好，導熱系數(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.石墨化度和導熱系數(shù)較大、氣孔率較低，機械強度較高.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.

[1] 左振亮，李楠.機械密封技術(shù)與研發(fā)方向[J].遼寧化工，2008，37(10)：698-700.

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[3] 伍俏平.幾種陶瓷涂層與浸漬石墨摩擦副的磨損性能及機理研究[D].長沙：湖南大學碩士論文，2007:14.

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[責任編輯 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，陜西咸陽人，陜西工業(yè)技術(shù)學院數(shù)控工程學院助教，碩士，主要從事機電一體化、數(shù)控技術(shù)應用與維護研究.

TB321

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