文/韓 石 祝緒東 陳文振 呂成旭 秦俊生 劉 峰 （.9345 部隊(duì)；.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠)

石墨密封環(huán)廣泛應(yīng)用于高速轉(zhuǎn)動(dòng)副的端面密封。石墨環(huán)在力學(xué)性能方面，具有能夠承受一定彎矩以及在壓縮應(yīng)力下抗變形和破壞的能力。柱塞泵軸尾處利用石墨材料的潤(rùn)滑性和耐磨性，采用石墨環(huán)密封組件形式，具有支撐傳動(dòng)軸并防止傳動(dòng)軸滲漏的作用。某型柱塞泵使用過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)密封面有凹坑、磨損等問(wèn)題，造成軸尾滲漏故障影響泵的使用性能。因此，需要對(duì)影響石墨環(huán)使用性能的因素進(jìn)行分析與研究，通過(guò)對(duì)其密封原理和不同石墨材質(zhì)密封帶表面微觀形貌的分析來(lái)找出一種新的密封材料，以達(dá)到提高密封環(huán)密封性能的目的。

一、柱塞泵軸尾密封機(jī)理分析與石墨磨損分析

1.柱塞泵軸尾石墨環(huán)處實(shí)現(xiàn)密封的機(jī)理分析

石墨環(huán)與動(dòng)環(huán)之間是平面動(dòng)密封，其密封界面處是相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。柱塞泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中石墨環(huán)處密封主要有兩種狀態(tài)：液壓泵啟動(dòng)初期或停止后的邊界潤(rùn)滑或干摩擦狀態(tài)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程時(shí)全油膜潤(rùn)滑狀態(tài)。

柱塞泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，石墨環(huán)處全油膜潤(rùn)滑造成動(dòng)環(huán)與靜環(huán)間存在空隙，在旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力和油液壓差的作用下，會(huì)有一定的滲漏量，該滲漏量在設(shè)計(jì)上起到一定的減輕結(jié)構(gòu)磨損和增加散熱作用。如某柱塞泵在設(shè)計(jì)時(shí)就給定允許的漏油標(biāo)準(zhǔn)為“泵工作時(shí)漏油量不超過(guò)2 滴/小時(shí)，泵不工作時(shí)24 小時(shí)內(nèi)漏油量不超過(guò)0.5 毫升”。當(dāng)泵啟動(dòng)時(shí)，石墨環(huán)處以邊界潤(rùn)滑或干摩擦為主，此時(shí)是石墨環(huán)壽命周期中最關(guān)鍵的時(shí)刻，石墨環(huán)表面容易發(fā)生熱損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成漏油故障。

2.柱塞泵石墨環(huán)損傷特征分析

圖1 為尾軸滲漏故障石墨環(huán)的表面損傷情況，故障多發(fā)生在使用100 小時(shí)至300 小時(shí)之間，其石墨表面有磨損、凹坑特征，甚至表層還有起皮、皰疤、裂紋、偏磨特征。表面損傷情況反映石墨環(huán)的表面質(zhì)量是保證動(dòng)密封的必要條件，劃傷、掉塊等因素影響油膜的生成，容易造成泄漏。

圖1 故障石墨環(huán)損傷情況

3.石墨環(huán)磨損過(guò)程分析

從石墨環(huán)密封帶的情況來(lái)看，造成尾軸滲漏故障的直接原因?yàn)槭h(huán)表面存在損傷。對(duì)使用過(guò)程中石墨環(huán)發(fā)生磨損進(jìn)行原因分析：石墨密封面磨損過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，當(dāng)兩個(gè)密封面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，石墨表面產(chǎn)生塑性變形時(shí)，會(huì)在動(dòng)摩擦?xí)r釋放熱量，造成摩擦表面的溫度要比石墨基體的溫度高得多；當(dāng)溫度高于再結(jié)晶溫度時(shí)，因變形而引起的表面強(qiáng)化現(xiàn)象將消失。溫度繼續(xù)升高時(shí)，石墨被軟化，摩擦表面碳原子相互黏結(jié)；當(dāng)溫度升高到相變溫度，摩擦表面石墨晶體就會(huì)產(chǎn)生相變，強(qiáng)度和硬度也大大降低，位于基體中的石墨顆粒會(huì)在持續(xù)的摩擦中被分離，石墨密封面也會(huì)由于受熱不均，局部溫度過(guò)高造成石墨浸漬物析出形成起皮、皰疤、裂紋、偏磨等特征，造成密封失效。此外，在摩擦過(guò)程中，石墨表面還要與周?chē)橘|(zhì)起作用，如空氣中的水分和潤(rùn)滑油中的硫分均能與摩擦表面起化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化合物，加劇摩擦表面的磨損。因此，石墨晶體摩擦磨損過(guò)程就是由于機(jī)械和化學(xué)的作用，使石墨從表面不斷損失，進(jìn)而形成磨痕。

二、石墨環(huán)密封性能提升研究

1.研究思路

石墨為層狀晶體結(jié)構(gòu)，由于層間距離大、結(jié)合力小，各層可以滑動(dòng)，具有摩擦系數(shù)低、潤(rùn)滑特性。石墨摩擦過(guò)程中，石墨晶體發(fā)生層間解理分離出的碎斷石墨鱗片容易黏附在對(duì)磨金屬表面上而形成薄層轉(zhuǎn)移膜。當(dāng)轉(zhuǎn)移膜完全形成后，石墨與金屬之間的對(duì)磨過(guò)程就變成了石墨與石墨之間的摩擦，摩擦因數(shù)將顯著降低，對(duì)磨金屬的磨損速度也逐漸降低至恒定值。材料的微觀結(jié)構(gòu)影響著宏觀性能包括摩擦磨損性能、熱物理性能、機(jī)械性能等，微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定及分析可從定性觀測(cè)和定量計(jì)算開(kāi)展。定性觀測(cè)：對(duì)于浸漬石墨材料的耐磨性，表面磨損微觀樣貌和失效形式評(píng)測(cè)分析，同時(shí)對(duì)浸漬石墨損傷件進(jìn)行檢測(cè)分析，利用光學(xué)顯微鏡和3D 激光聚焦觀測(cè)浸漬石墨，分析表面形貌的劃痕和失效濁點(diǎn)分布情況。若表面劃痕和失效濁點(diǎn)較少，則石墨耐磨性好，泄漏量少。定量計(jì)算：利用對(duì)表面樣貌粗糙度波動(dòng)曲線分析整體磨損情況，粗糙度波動(dòng)曲線越平穩(wěn)，則石墨表面磨損越小。

2.性能提升研究實(shí)施

與國(guó)外機(jī)械密封用浸漬石墨材料的生產(chǎn)技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)的石墨加工工藝比較落后，主要表現(xiàn)在燒結(jié)石墨所用的原料顆粒粒徑不均勻、孔隙分布不均勻、焙燒工藝不夠規(guī)范、毛坯制造工藝不夠先進(jìn)、壽命較短等，可通過(guò)選用粒度更致密、結(jié)構(gòu)更細(xì)的碳石墨材料，選用耐高溫性能好的填充浸漬物，減少熱固性樹(shù)脂的使用。通過(guò)調(diào)研M256D、M106H、M298K 石墨材料，M256D、M106H 致密性較高且為耐高溫浸銻合金石墨，可避免皰疤產(chǎn)生。為有效驗(yàn)證M106H、M256D、M298K 三種材料的摩擦磨損性能，設(shè)定載荷為200 牛、轉(zhuǎn)速為200 轉(zhuǎn)/分鐘、試驗(yàn)時(shí)間為60 分鐘，對(duì)這三種石墨材料進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置如圖2 所示。

圖2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

3.三種石墨材料微觀表面測(cè)定及分析

（1）表面微觀磨損二、三維形貌：采用3D 激光聚焦進(jìn)一步觀測(cè)浸漬石墨表面磨損情況，摩擦后不同磨損情況和失效形式如圖3、圖4 所示，使用10×光學(xué)顯微鏡觀測(cè)浸漬石墨磨損表面形貌。

圖3 表面微觀磨損二維形貌

圖4 表面微觀磨損三維形貌

以浸漬石墨M106H 為例，如圖3 所示，1#（a）可觀測(cè)出表面磨痕較為顯著，呈現(xiàn)一道較深和兩道較淺的磨痕，且伴有部分失效濁點(diǎn)凹坑；1#（b）觀測(cè)出表面磨痕較為顯著；1#（c）觀測(cè)出表面失效濁點(diǎn)數(shù)量較多且較為顯著。表面磨痕主要是由于油液混雜磨屑雜質(zhì)，摩擦過(guò)程造成表面劃傷。表面失效濁點(diǎn)主要是由于材料達(dá)到極限強(qiáng)度，造成表面材料點(diǎn)狀脫落，從而形成較為顯著的凹坑。

仍以浸漬石墨M106H 為例，如圖4 所示，從1#（a）表面微觀磨損三維形貌可知，磨損后浸漬石墨表面整體較為粗糙，磨損深度和寬度較為顯著，表面磨痕覆蓋區(qū)域較廣，不同區(qū)域磨損深度不同，最大磨損深度可達(dá)到11.38 微米，磨損寬度可達(dá)到50 微米，底部呈深藍(lán)色，部分區(qū)域處于微量磨損，表面呈黃綠色，其他部分磨損不顯著呈橙紅色。由1#（b）可知較深磨損有三道，分別位于200、700 和800 微米處，橙紅色磨損區(qū)域最大，磨損量相近，同時(shí)出現(xiàn)間斷色，這是由于濁點(diǎn)凹坑造成的，石墨非類(lèi)似金屬原子成型，石墨具有高強(qiáng)度。

石墨是多層石墨烯結(jié)構(gòu)，石墨烯強(qiáng)度高于金剛石，磨屑過(guò)程中原子之間高強(qiáng)度鍵能破壞，造成多個(gè)碳環(huán)斷裂。且斷裂時(shí)，多層石墨烯的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形致石墨轉(zhuǎn)移碎片化脫離，從而出現(xiàn)濁點(diǎn)凹坑。

（2）表面微觀粗糙度波形分析：使用便攜式粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)三種石墨樣件表面進(jìn)行測(cè)量，得到的波形圖如圖5 所示。

圖5 樣件表面粗糙度波形

由圖5（a）表面粗糙度波形可知，在0 到100 微米處，表面粗糙度波形波動(dòng)較小，凸起對(duì)表面影響較為明顯；在100 到150 微米處，表面粗糙度波形波動(dòng)較大，波峰從1.5 微米下降到-3.8 微米波谷，波距為45微米，波距與磨痕寬度相對(duì)應(yīng)。在225 微米處，再次出現(xiàn)顯著波谷，波谷高度為-1.8 微米。在390 到350 微米處，出現(xiàn)波峰，波距為60 微米，波峰高度為2 微米。整體表面粗糙度波動(dòng)較為顯著，表面粗糙度較差，磨損較為顯著。

由圖5（b）表面粗糙度波形可知，在30 微米處，出現(xiàn)第一次波峰，波峰高度為1.4 微米，在220 微米處，出現(xiàn)第二次波峰，波峰高度為0.8 微米，兩波峰間距為190 微米，波峰高度變化為0.6 微米。在110 微米和195 微米處，出現(xiàn)兩次波谷，波谷高度分別為-0.6 微米和-1 微米，波谷高度變化為0.4 微米。在兩次從波峰到波谷的變化過(guò)程中，峰谷高度變化分別為2 微米和1.8 微米，兩次高度變化相差不大，周期性較為明顯。在220 微米到350 微米的變化過(guò)程中，高度從0.8 微米連續(xù)平緩下降至-2.4 微米，從整體的波形圖可看出，波形呈周期性變化，表面粗糙度良好，材質(zhì)均勻，磨損程度不大。

由圖5（c）表面粗糙度波形可知，在50 微米處出現(xiàn)第一次波峰，峰值高度為0.5 微米；在85 微米處出現(xiàn)第一次波谷，波谷高度為-4 微米，波峰到波谷高度變化為4.5 微米，幅值變化較大，表面粗糙度波形波動(dòng)較大。從85 至125 微米變化過(guò)程中，波形高度均勻上升；從125 至350 微米變化過(guò)程中，波動(dòng)趨于平穩(wěn)，表面粗糙度波動(dòng)較小，凸起對(duì)表面影響較為明顯。從整個(gè)波形可以看出，周期性變化并不明顯，波動(dòng)幅值較大，極不穩(wěn)定。

4.浸漬石墨材料的摩擦磨損和力學(xué)分析測(cè)定

對(duì)M106H、M256D 和M298K 三種不同材料浸漬石墨進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)分析，相同工況下，樣件表面磨損微觀樣貌、摩擦系數(shù)變化和磨損量變化不同，對(duì)比三種不同材料浸漬石墨的磨損性能，如圖6 所示。

圖6 三種不同材料浸漬石墨摩擦性能對(duì)比

由圖6 (a)—(c) 可觀測(cè)M106H、M256D 和M298K三種浸漬石墨表面磨損微觀樣貌，M106H 和M298K浸漬石墨表面磨痕深度、寬度和面積較為顯著，M256D 浸漬石墨右側(cè)產(chǎn)生微量磨痕，相比磨損程度較小。由圖6(e)可知M106H、M256D 和M298K 三種浸漬石墨摩擦系數(shù)變化，從三個(gè)周期波動(dòng)可知M106H、M256D 和M298K 摩擦系數(shù)分別浮動(dòng)在0.12、0.05 和0.12，其中M256D 摩擦系數(shù)波動(dòng)較為穩(wěn)定。

三、結(jié)論

（1）石墨材料的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定及分析：微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定了表面二維和三維形貌。結(jié)果表明，2#M256D浸漬石墨材料磨損較小，表面形貌磨痕較淺和失效濁點(diǎn)凹坑較少，從而密封較好，更耐磨，其使用壽命也會(huì)更長(zhǎng)。

（2）石墨材料的摩擦磨損分析測(cè)定：測(cè)試了M106H、M256D 和M298K 三種浸漬石墨三個(gè)周期波動(dòng)摩擦系數(shù)變化，摩擦系數(shù)分別浮動(dòng)在0.12、0.05 和0.12，其中M256D摩擦系數(shù)波動(dòng)較為穩(wěn)定。由圖6(f)—(g)可知，M106H、M256D 和M298K 三種浸漬石墨磨損量變化分別為0.07819、0.03421 和0.13014g，磨損率分別為0.694%、0.204%和0.907%，M256D 浸漬石墨磨損最小。

綜合對(duì)比，M256D 浸漬石墨磨損性能較優(yōu)于其他兩種。

四、結(jié)語(yǔ)

石墨密封環(huán)多用于高速轉(zhuǎn)動(dòng)副的端面密封，石墨密封環(huán)的密封失效主要由于石墨發(fā)生磨損后表面形貌凹凸不均。對(duì)比研究三種石墨材料在同一工況下磨損后的表面微觀形貌，以及三種材料的摩擦學(xué)特性和磨損性能，結(jié)果表明，M256D 浸漬石墨材料表面磨痕和失效濁點(diǎn)凹坑較少，摩擦系數(shù)較低且穩(wěn)定，磨損量較小、耐磨性高，是一種綜合性能較好的石墨密封環(huán)材料，可提高密封性能和使用壽命。