石墨密封材料潤(rùn)滑膜形成規(guī)律及摩擦磨損研究_圖文

1、第 39卷 第 2期 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) Vol. 39No. 22010年 3月 Journal of China University of Mining &Technology Mar. 2010收稿日期 :2009-06-15基金項(xiàng)目 :江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (B K2008131 ; 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科技基金項(xiàng)目 (2006A021作者簡(jiǎn)介 :胡亞非 (19552 , 女 , 四川省自貢市人 , 教授 , 博士生導(dǎo)師 , 工學(xué)博士 , 從事過(guò)程裝備與控制、 潤(rùn)滑與密封方面的研究 . E 2m ail :yf hucumt 163. com T el :0516283995268石

2、墨密封材料潤(rùn)滑膜形成規(guī)律及摩擦磨損研究胡亞非 1, 王啟立 1,2, 劉 頎 2, 熊建軍 1(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 江蘇 徐州 221116,2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 , 江蘇 徐州 221116摘要 :, 磨損試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)浸漬金屬銻 、 . 研究表明 :浸 , 0108左右 ; 浸樹(shù)脂石墨 , 摩擦系數(shù)為 0107011; , 0125左右 . 有膜摩擦耐磨損性能最好 , 貧膜摩擦耐磨損性 能不穩(wěn)定 , .關(guān)鍵詞 :石墨材料 ; 潤(rùn)滑膜 ; 摩擦磨損 ; 穩(wěn)定性 中圖分類(lèi)號(hào) :T H 11711文獻(xiàn)標(biāo)示碼 :A 文章編號(hào) :100021964(

3、2010 0220223204Research on Forming Rule of L ubricant Film andFriction 2Wearing of Grap hite Composite MaterialsHU Ya 2fei 1, WAN G Qi 2li 1,2, L IU Qi 2, XION G Jian 2jun 1(1. Key Lab of Coal Processing and Efficient Utilization , Ministry of Education , China University of Mining &Technology ,

4、 Xuzhou , Jiangsu 221116, China ; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering ,China University of Mining &Technology , Xuzhou , Jiangsu 221116, China Abstract :For st udying t he forming rule of lubricant film and f riction 2wear property of t he grap hite materials , t he f riction and

5、wear test s were carried out for grap hite/antimony compos 2ites , grap hite/resin compo sites and artifical grap hite using a MMW 21vertical universal wear test machine. The result s show t hat t he grap hite/antimony composites presented lubricant state wit h quick forming and fast stability abund

6、ant film. The f riction coefficient was about 0108. The grap hite/resin compo sites p resented lubricant state wit h abundant film , poor film and little film respectively because of t he different hardness of various samples. The f riction co 2efficient was 0107-011. The artifical grap hite p resen

7、ted having no film lubricant state and t he f riction coefficient was about 0125. The wearing resistance of abundant film , poor film and having no film was t he best , unstable and worst , respectively.K ey w ords :grap hite materials ; lubricant film ; friction and wearing ; stability石墨具有良好的潤(rùn)滑性 、

8、耐高溫耐腐蝕性 , 不 需要油 、 油脂類(lèi)潤(rùn)滑劑 , 特別適合在無(wú)給油裝置 、 潤(rùn) 滑劑難以使用的腐蝕性環(huán)境和高低溫環(huán)境中作為 密封材料 . 其弱點(diǎn)是氣密性差 、 材質(zhì)強(qiáng)度低 . 真正作為密封材料使用必須經(jīng)過(guò)浸漬強(qiáng)化 . 浸漬強(qiáng)化通常在高溫高壓下進(jìn)行 , 浸漬物決定浸漬工藝和難度 , 也決定了石墨密封材料的生產(chǎn)成本 1. 常用的浸漬 物有樹(shù)脂和金屬兩大類(lèi) 122, 浸漬后石墨材料兼有 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第 39卷了浸漬物的某些屬性 :浸樹(shù)脂石墨提高了氣密性和 強(qiáng)度 , 保留了石墨的耐腐蝕 , 削弱了耐高溫性 , 特別 適合作腐蝕性環(huán)境中的密封件 , 通常限制工作溫度 小于 250

9、 ; 浸金屬提高了氣密性和強(qiáng)度 , 保留了 石墨的耐高溫 , 削弱了耐腐蝕性 , 特別適合作高溫 環(huán)境中的密封件 .浸漬解決了石墨材料的氣密性 , 使其獲得了成 為密封材料的 “ 許可證” , 石墨密封材料已成為一個(gè) 非常龐大的家族 . 元素碳的價(jià)電子具有非常強(qiáng)的形 成化合物的能力 , 碳的化合物不僅種類(lèi)多 , 性能上 差異也非常大 , 石墨基體的配方與制備 、325方案的科學(xué)設(shè)計(jì) , 還需要對(duì)浸漬石墨材料的摩擦學(xué) 行為 、 潤(rùn)滑膜成膜條件和規(guī)律進(jìn)行基礎(chǔ)性研究 627. 作者已對(duì)碳素石墨材料的磨損性能與潤(rùn)滑膜成膜 特性進(jìn)行過(guò)研究 8, 本文繼續(xù)探討摩擦磨損過(guò)程中 石墨密封材料潤(rùn)滑膜成膜與磨損規(guī)

10、律 .1 實(shí) 驗(yàn)選取浸銻石墨 、 浸樹(shù)脂石墨和人造石墨 3組試 樣進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn) . 試樣 1,3,4,6為自制材料 , 試樣 9取自連云港新海電廠(chǎng)使用的國(guó)產(chǎn)密封環(huán)材 料 , 其余試樣材料分別購(gòu)自國(guó)外東洋碳素和德國(guó) . 試樣 1,2的制備差異 :試樣 1粉料細(xì)并添加了少量 3813m 的超細(xì)粉 ; 、 顆粒 粗2. 將試樣做成 尺寸 <418mm ×1217mm 的小圓柱 , 對(duì)磨副采用 硬度為 4446HRC 的淬火 45鋼 , 尺寸為外徑 3117mm , 內(nèi)徑 16mm , 厚度 10mm. 摩擦磨損時(shí)間 為 30min. 在相同的摩擦磨損試驗(yàn)條件下進(jìn)行實(shí) 驗(yàn) :正壓力

11、為 22110M Pa , 線(xiàn)速度 016244m/s , 主 軸轉(zhuǎn)速 500r/min. 試件的硬度與密度列于表 1.表 1 試樣的物理性能參數(shù)T able 1 Properties of samples試樣 123456789名稱(chēng) T163D KC6709T163K T173K KC573T183K KC673EK2200人造石墨 浸漬物 銻 銻 樹(shù)脂 樹(shù)脂 樹(shù)脂 樹(shù)脂 樹(shù)脂 樹(shù)脂 無(wú) 密度 /(g m -3 213521301185118511851187118611821165硬度 /Hs 10085989011080859660抗壓強(qiáng)度 /MPa 280300220220370200

12、2452001802 結(jié)果與討論試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出石墨密封材料潤(rùn)滑膜成膜與 摩擦磨損規(guī)律的多元性 . 由于基體材料 、 浸漬物和 浸漬工藝不同 , 試件的磨粒磨損速度 、 摩擦面潤(rùn)滑 膜的形成 破壞 重構(gòu)能力都表現(xiàn)出較大差異 . 作為摩擦配副的軟環(huán)材料 , 石墨材質(zhì)的密度 、 硬度 、 抗壓強(qiáng)度是影響摩擦磨損性能的主要因素 . 由于對(duì)同批次材料而言 , 密度 、 硬度 、 抗壓強(qiáng)度成正 增長(zhǎng)關(guān)系 , 本文的分析以硬度為對(duì)比因素 . 試件 1 8經(jīng)過(guò)浸漬強(qiáng)化 , 摩擦系數(shù)形態(tài)雖有差異 , 但都 維持較低的范圍 , 并趨于穩(wěn)定 . 一方面材質(zhì)越硬磨 粒磨損越小 , 即使是干摩擦狀態(tài) ; 另一方面摩擦面

13、 潤(rùn)滑膜的形成需要時(shí)間 , 表面磨粒磨損的速度大于 吸附成膜的速度 , 潤(rùn)滑膜來(lái)不及形成便會(huì)磨損掉 , 因此不同材質(zhì)石墨密封材料的摩擦磨損過(guò)程分別 與有膜潤(rùn)滑 、 貧膜潤(rùn)滑 、 無(wú)膜潤(rùn)滑相對(duì)應(yīng) .圖 1所示試件 1和試件 2為 2種浸漬物為金 屬銻的石墨密封材料的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線(xiàn) . 浸金屬致密了石墨密封材料的組織結(jié)構(gòu) , 微細(xì)網(wǎng)狀 的金屬充填物一方面充當(dāng)磨面減少石墨密封材料 的磨粒磨損 9210, 另一方面增加了石墨的晶格缺陷 有利于吸附及鑲嵌各種氣體分子 (如水分子 、 其他 雜原子 , 有利于潤(rùn)滑膜的形成 4. 更重要的是 , 由于 微細(xì)網(wǎng)狀金屬充填物的存在 , 試件硬度的較大差異

14、 并沒(méi)有改變材料的摩擦磨損規(guī)律 , 浸金屬石墨密封 材料的硬度對(duì)摩擦磨損性能的影響很小 , 換言之 , 金屬充填物的耐磨性決定了浸金屬石墨密封材料 的耐磨性 .圖 1 浸銻石墨密封材料有膜潤(rùn)滑規(guī)律Fig. 1 Frictional characteristic of antimony 2immersed graphite with abundant film friction422第 2期 胡亞非等 :石墨密封材料潤(rùn)滑膜形成規(guī)律及摩擦磨損研究 圖 1中 0200s 時(shí)間段摩擦系數(shù)的迅速降 低 , 對(duì)應(yīng)摩擦表面潤(rùn)滑膜的快速形成 , 下降形態(tài)的 差異與試樣的表面質(zhì)量有關(guān) , 不影響材料的摩擦磨 損

15、穩(wěn)態(tài)性能 . 摩擦表面的磨粒磨損和對(duì)磨面摩擦熱 造成水氣蒸發(fā)是潤(rùn)滑膜解附和破壞的雙重原因 , 只 有當(dāng)潤(rùn)滑膜的重構(gòu)速度大于磨損和解附速度時(shí) , 才 能維持摩擦面的有膜潤(rùn)滑 , 實(shí)現(xiàn)浸銻石墨密封材料 優(yōu)良的耐磨性能 . 材料中微細(xì)網(wǎng)狀的銻構(gòu)架降低磨 損速度的同時(shí)也延緩了潤(rùn)滑膜熱解附 , 因此 200s 后摩擦系數(shù)呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)并穩(wěn)定在 0108, 可以理 解為理想的快速成膜 、 迅速穩(wěn)定 , 有膜潤(rùn)滑 . 由于金屬熔點(diǎn)高 , 圖 24的摩擦系數(shù)曲線(xiàn) . , 微細(xì) 網(wǎng)狀樹(shù)脂能在石墨中充當(dāng)磨面骨架 , 浸樹(shù)脂石墨密 封材料如果合理配置基體材料 , 優(yōu)化控制浸漬工藝 和磨損工況條件 , 可以獲得理想的摩

16、擦磨損性能 . 圖 2的兩種試件材料的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)曲線(xiàn)與浸銻 石墨規(guī)律和量值幾乎沒(méi)有差別 . 只是初始狀態(tài)較大 的磨粒磨損增加了潤(rùn)滑膜成膜的難度 , 圖中 0200s 時(shí)間段摩擦系數(shù)呈現(xiàn)振蕩降低 ,200s 之后穩(wěn) 定在 01070109. 這種材料具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑膜成 膜能力 , 而且一旦結(jié)束振蕩 , 潤(rùn)滑膜的吸附重構(gòu)與 熱解附能力維持平衡 , 表現(xiàn)出動(dòng)蕩成膜 、 逐漸穩(wěn)定 , 更高硬度的試件 3比低硬度的試件 4穩(wěn)定摩擦系 數(shù)低約 15%, 摩擦面有膜潤(rùn)滑狀態(tài)下同系列材質(zhì) 硬度越高耐磨損性好 . 在滿(mǎn)足工況溫度的條件下 , 能形成有膜潤(rùn)滑的高硬度浸樹(shù)脂石墨密封材料比 浸金屬石墨密封材料具有更

17、高的性?xún)r(jià)比. 圖 2 浸樹(shù)脂石墨密封材料有膜潤(rùn)滑規(guī)律Fig. 2 Frictional characteristic of resin impregnatedgraphite with inf requent film f riction 圖 3的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn) , 表現(xiàn)為滯后成膜 、緩慢穩(wěn)定的摩擦面貧膜潤(rùn)滑 . 試件 5是典型的硬質(zhì) 碳 , 高強(qiáng)度 、 高硬度 、 高耐磨性 . 隨著浸樹(shù)脂石墨材 質(zhì)硬度的增加 , 材料表面的磨粒磨損大大減少 , 但 建膜的難度也相應(yīng)增加 , 建膜時(shí)間由 200s 上升至600s , 而且出現(xiàn)圖 3中 0100s 的摩擦系數(shù)上升段 . 600s 之后摩擦系數(shù)

18、穩(wěn)定在 011附近 , 但存在明 顯的振蕩 , 表明潤(rùn)滑膜的吸附重構(gòu)與熱解附能力不 斷失去平衡 , 試件 6也存在磨損的初期振蕩 、 滯后 成膜 、 緩慢穩(wěn)定的特點(diǎn) , 與有膜潤(rùn)滑不同的是 :貧膜 潤(rùn)滑狀態(tài)下硬度增加 , 建膜和吸附重構(gòu)與熱解附平 衡能力隨之減弱.圖 3 浸樹(shù)脂石墨密封材料貧膜潤(rùn)滑規(guī)律Fig. 3 Frictional characteristic of resin impregnatedgraphite with not completed filmfriction圖 4 浸樹(shù)脂石墨密封材料殘膜潤(rùn)滑規(guī)律Fig. 4 Frictional characteristic of r

19、esin impregnatedgraphite with pathetic bit of film friction圖 4的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn) , 表現(xiàn)為殘膜潤(rùn)滑的 摩擦磨損規(guī)律 . 低硬度浸樹(shù)脂石墨密封材料摩擦系 數(shù)曲線(xiàn)寬幅振蕩 , 由于材料表面的磨粒磨損很快 , 摩擦面之間沒(méi)有穩(wěn)定 、 成片的潤(rùn)滑膜形成 , 這種狀 態(tài)摩擦系數(shù)值增加 , 振蕩加劇 , 材料磨損較為嚴(yán)重 , 摩擦面為殘膜潤(rùn)滑 .圖 24中相同系列不同硬度的浸漬樹(shù)脂石墨 密封材料出現(xiàn)在不同的對(duì)比組里 , 表現(xiàn)出不同的摩 擦磨損規(guī)律 . 試件 3,4,5為封潤(rùn)材料 , 試件 6,7為 東洋材料 , 硬度的差異是其摩擦磨損規(guī)律差異

20、性的 主要影響因素 , 相同摩擦磨損狀態(tài)下 , 材料的硬度影響潤(rùn)滑膜形成和穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的大小 , 但有膜潤(rùn) 滑 、 貧膜潤(rùn)滑和殘膜潤(rùn)滑 3種狀態(tài)下 , 穩(wěn)定階段摩 擦系數(shù)都能維持在很低水平 , 這表明浸漬樹(shù)脂石墨 密封材料都具有很好的摩擦磨損性能 .圖 5所示試件 9為沒(méi)有浸漬處理的人造石墨 密封材料無(wú)膜潤(rùn)滑規(guī)律 , 由于材質(zhì)軟 , 材料的磨粒 磨損非常嚴(yán)重 , 摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升 , 然后穩(wěn)定 在 0125左右 , 約為浸漬類(lèi)石墨密封材料摩擦系數(shù)522 中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第 39卷的 23倍 . 摩擦面為無(wú)膜潤(rùn)滑 , 這種材料雖然自潤(rùn) 滑性能好但不能作為密封材料使用. 圖 5

21、 人造石墨密封材料無(wú)膜潤(rùn)滑規(guī)律Fig. 5 Frictional characteristic of puregraphite with non 2film f riction3 結(jié) 論1 潤(rùn)滑膜呈現(xiàn)快速形成 、 的摩擦系數(shù)在 0108. , 的形成 .2 浸樹(shù)脂石墨密封材料因材質(zhì)硬度差異 , 存 在有膜潤(rùn)滑 、 貧膜潤(rùn)滑和殘膜潤(rùn)滑 3種狀態(tài) , 但穩(wěn) 定摩擦系數(shù)都能維持在 011左右 , 具有很好的摩擦 磨損性能 .3 沒(méi)有浸漬處理的人造石墨密封材料自潤(rùn)滑 性能好 , 但材質(zhì)軟 , 材料的磨粒磨損非常嚴(yán)重 , 摩擦 系數(shù)在 0125左右 , 不能作為密封材料使用 . 參考文獻(xiàn) :1 李江鴻

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