浸酚醛树脂石墨与9Cr18不锈钢配副的摩擦磨损正交试验研究

0 引言

机械密封是液体火箭发动机、燃气液压伺服机构等空天领域动力系统中涡轮泵的关键基础零部件，在高速、高压、振动及特殊介质的复杂工况下，其密封性、可靠性和耐磨性对确保涡轮泵的可靠运行至关重要。接触式机械密封是我国高速涡轮泵轴端密封的主要型式之一，其工作性能不仅取决于密封件的结构设计，而且与结构材料特别是端面摩擦副配对材料的正确选择密切相关，其中摩擦副的摩擦磨损特性是决定其质量优劣的重要指标［1-6］。因此，开展机械密封端面摩擦副的摩擦磨损特性研究具有重要实用价值。

浸渍树脂石墨具有良好的力学性能、耐蚀性能和自润滑性能，适合于干磨、振动和快速启动等场合，是空天领域机械密封常用硬/软摩擦副配对形式中的典型软环材料。朱振国等［7］采用销-盘摩擦磨损试验机在干磨条件下，针对浸渍树脂石墨和未浸渍石墨对45#钢盘开展摩擦磨损特性试验研究，结果表明：与未浸渍石墨相比，浸渍树脂不仅能够提高石墨的力学性能，还能在摩擦副表面形成较为稳定的转移膜。张国龙等［8］研究了浸渍树脂石墨和未浸渍石墨与硬质合金（WC-Ni）配副，在干磨、PAO02机油润滑和去离子水润滑条件下的摩擦特性，揭示了润滑条件下浸渍石墨摩擦特性优于未浸渍石墨的机理，以及高PV值条件下浸渍树脂石墨摩擦特性比未浸渍石墨稳定的缘由，两种石墨摩擦特性差异主要归因于石墨微结构和润滑剂的润湿性。朱振国等［9］通过利用车加工、磨加工和表面抛光等处理方法对浸渍树脂石墨的气密性进行了对比研究，结果表明，石墨材料的表面状态与其密封性能密切相关，表面微观形貌引起的封不严是影响材料密封性能的关键因素。唐铁斌等［10］研究了浸渍酚醛树脂含量对机械密封用浸渍石墨材料性能的影响，指出浸渍酚醛树脂含量以第一次浸渍为最佳，浸渍树脂含量增加，则孔隙率下降，体积密度增大，重要的是力学参数指标增加。Song等［11］从中间相炭微球获得的石墨材料研制了可用于液体火箭发动机机械密封的浸渍树脂石墨复合材料，密封性能优异。

综上所述，国内外关于端面摩擦副的相关研究主要集中于浸渍树脂石墨的润滑减摩机理、磨损机理和失效机理，其中关于空天苛刻工况下机械密封的浸渍树脂石墨与常用硬环配对的摩擦磨损研究十分鲜见。出于国家战备需求考虑，选择国产3种典型浸渍树脂石墨与9Cr18钢配副；同时鉴于影响端面摩擦副摩擦磨损特性的因素多且复杂，本文采用正交试验，依靠有限的试验数据，研究多种因素对涡轮泵机械密封端面摩擦副的摩擦学特性的影响，为石墨环选材提供指导。

1 试验方案设计

受国内某航天研究院委托，高速涡轮泵机械密封端面软材料选用国内3家重要石墨生产企业加工制造的某型号典型在役浸渍酚醛树脂石墨（性能数据详见表1）各一种，硬材料选用高铬马氏体不锈钢9Cr18（1 050 ℃淬火，200 ℃回火，HRC58）。采用线切割将石墨棒料加工成直径6 mm、高18 mm的圆柱销试样，不锈钢加工成直径71 mm、厚度6 mm的圆盘试样，在盘中心与距中心11.2 mm处分别开直径4 mm和2.7 mm的定位圆孔，方便与转盘固定。

表1 3种石墨材料的基本力学性能

摩擦学特性试验在摩擦磨损试验机（美国UMT-3）上进行，机器的主要功能模块组成包括加载装置、驱动装置和数据采集装置。销盘试验原理如图1所示：上试样（石墨销）固定在力传感器上，下试样（不锈钢盘）通过传动销固定在基座上，通过软件设置控制试样的移动和加载；石墨销静止不动，不锈钢盘通过底部安装的伺服电机驱动产生旋转。试验过程中，系统自动采集数据，采集频率100 Hz。

图1 销盘试验机原理

试验在室温下进行，试验室平均相对湿度60%，销盘的摩擦半径为30 mm；试验前将销与盘依次用酒精和水超声波处理10 min，烘干（100 ℃，8 min）后将销和盘装在摩擦磨损试验机上预磨，预磨分两阶段，分别在盘上粘贴1 000目和2 000目砂纸，以保证销盘之间充分的面接触。用精度为0.1 mg的电子天平（FA2004）记录试验前后销质量的变化，销称重前后均经过超声波清洗并烘干。根据材料密度将质量磨损量转换为体积磨损量，线磨损率计算式：

式中 WS——线磨损率；

Vd——磨损体积；

F——载荷；

L——滑动距离。

机械密封的摩擦磨损性能受到配副材料、摩擦线速度、端面比压等因素的影响［12-14］。在实际应用中发现：改变机械密封主轴转速和端面比压，浸渍酚醛树脂石墨与9Cr18不锈钢配对副出现失效，同时现役三种浸渍酚醛树脂石墨的失效概率也不尽相同。因此选取不同石墨种类、转速、端面比压和钢盘表面粗糙度作为变量进行试验研究。此外，接触式动密封中的硬环材料存在最优的表面粗糙度值［15］，使得摩擦副的耐磨性最佳，为指导浸渍酚醛树脂石墨与9Cr18摩擦副优选，添加硬环表面粗糙度作为研究对象。

石墨选取不同厂家生产的同一牌号浸渍酚醛树脂分为1#，2#，3#三水平；为保证转速和载荷参数水平范围合理，应使两参数最大值和最小值交叉相乘的数值相同，所以转速选取250，500，750 r/min，用作机理性试验分析；端面比压取0.88，1.77，2.65 MPa，分别是实际密封端面比压的1至3倍；分别使用80目、200目和800目白刚玉粉末作为研磨剂，将硬环研磨处理2 h，使用布鲁克Dektak XT型台阶仪测量钢盘表面粗糙度，处理后硬环的表面粗糙度Ra分别为0.03，0.1，0.2 mm。试验因素水平如表2所示，每组试验进行1 200 s。

表2 试件水平及因素

2 试验结果

统计正交试验结果，以石墨销磨损量、摩擦系数为主要表征参数，通过模糊评价对多因素影响下的试验结果进行有效评判，使用隶属度δ作为指标衡量试验结果指标值对机械密封摩擦副性能进行综合评价。根据隶属函数把销摩擦系数和磨损率换算成隶属度，将摩擦系数和磨损率转换为统一的无量纲衡量指标。摩擦系数隶属度越接近1，表示该组试验的摩擦系数越接近所有试验组结果中摩擦系数最大值；同理磨损率隶属度越接近1表示该组试验的磨损率越接近所有试验组结果中磨损率最大值，取摩擦系数隶属度和磨损率隶属度算数平均值即为综合分。将试验结果汇总得到表3，表中各因素代号含义：A为石墨材料，B为转速，C为端面比压，D为钢盘粗糙度；Ki表示任意列上水平号为 i（i=1，2，3）所对应的综合分之和（例如：第二列的K3表示所有石墨材料为3#试验组的综合分之和），ki表示任一列上因素不考虑水平变化时所得试验结果的算术平均值，且ki=Ki/s，其中s为任意列上该水平出现的次数，取s=3；R为极差，在任意列上满足下式：

表3 综合评分结果

由表3可以看到，当选用1#石墨材料、端面比压为2.65 MPa、转速750 r/min、钢盘表面粗糙度Ra为0.2 μm（试验序号为3）时获得最小的摩擦系数0.16；当选用2#石墨材料为2、端面比压为2.65 MPa、转速500 r/min、钢盘表面粗糙度Ra为0.03 μm时（试验序号为5）摩擦系数达到最大值0.27。同样的，分析表3的数据可以看出，当选用1#石墨材料、端面比压为2.65 MPa、转速750 r/min、钢盘表面粗糙度Ra为0.2 μm时（试验序号为3），磨损率最小；当选用2#石墨材料、端面比压为1.77 MPa、转速250 r/min、钢盘表面粗糙度Ra为0.2 μm时（试验序号为4），磨损率达到最大值 3.38×10-5 mm3/（N·m）。可以发现，摩擦系数与磨损率并不是一一对应的，所以我们分别以综合分、摩擦系数隶属度、磨损率隶属度为指标对正交试验结果进行进一步分析。

图2所示为以综合分为指标的各因素影响水平柱状图。其中，石墨材料1，2和3分别表示1#，2#和3#三种石墨，转速1，2和3分别对应250，500，750 r/min，端面比压 1，2 和 3 分别对应0.88，1.77，2.65 MPa，表面粗糙度 1，2 和 3 分别对应 0.03，0.1，0.2 μm。根据 R 值的大小，由图2可知，综合评分的影响因素由主到次依次为转速、钢盘表面粗糙度、石墨种类和端面比压。按照实际应用要求，综合分越小越好，以综合分为考量指标的各因素排序为：A 因素 K1＜K3＜K2，B 因素K3＜K2＜K1，C 因素 K2＜K3＜K1，D 因素 K3＜K1＜K2，所以最优因素组合为A1B3C2D3。

图2 以综合分为指标各因素影响柱状图

图3所示为以摩擦系数作为评价指标的各因素影响水平的柱状图。根据R值的大小，从图中可以看出，影响摩擦系数的因素由主到次依次为钢盘表面粗糙度、端面比压、转速和石墨材料，钢盘表面粗糙度达到0.2 μm时，摩擦系数隶属度迅速下降。这是因为在试验选取的硬环表面粗糙度范围内，高的硬环表面粗糙度使钢盘具有良好的存屑能力，使石墨转移层易于形成，当盘表面粗糙度低于0.1 μm时，存屑能力差，转移膜不易形成，加剧了磨屑在密封面间塑性流动；此外，各因素的摩擦系数隶属度排序为：A 因素 K1＜K3＜K2，B 因素K3＜K1＜K2，C 因素 K2＜K1＜K3，D 因素 K3＜K2＜K1。按照实际应用要求，摩擦系数应尽量小，所以最优因素组合为A1B3C2D3。

图3 以摩擦系数隶属度为指标各因素影响柱状图

图4所示为以磨损率作为评价指标的各因素影响水平的柱状图。

图4 以磨损率隶属度为指标各因素影响柱状图

根据R值的大小，从图中可以看出，影响磨损率的因素由主到次顺序为：转速、端面比压、石墨材料和钢盘面表面粗糙度，随着线速度和端面比压的增加磨损率逐渐下降，增大线速度和端面比压可能有益于促进石墨转移层的形成，而石墨层间的磨损率要小于金属与石墨之间的磨损。在硬环表面粗糙度为0.1 μm时，磨损率隶属度最大，此时盘表面粗糙峰对石墨的切削比盘面粗糙度为0.03 μm时严重，而存屑能力又不如盘面粗糙度为0.2 μm时强，不能形成良好的石墨润滑层；此外结合图3和图4可以看出，2#石墨指标均最高，性能最差，1#石墨指标均最低，性能最佳。按照实际应用要求，磨损率应尽量小，据此各因素的磨损率隶属度排序为：A 因素 K1＜K3＜K2，B 因素K3＜K2＜K1，C 因素 K3＜K2＜K1，D 因素 K1＜K3＜K2，所以最优因素组合为A1B3C3D1。

在机械密封领域中，通常使用PV值（接触比压×摩擦线速度）来描述工况条件，以综合分作为表征值，作出PV值/综合分云图，如图5所示。

图5 综合分与PV值相关的等值线

由图5可知，整体上随着端面比压和线速度增加，综合分是减小的，换而言之，在试验工况参数范围内浸渍树脂石墨材料的摩擦磨损特性随着PV值的增加而改善；此外，云图中线速度方向等值线较为密集，表明线速度变化对浸树脂石墨材料摩擦学性能的影响要大于载荷。值得注意的是：在低速条件下，综合分随着端面比压的增加先降后升，并且在载荷较小时，也出现了综合分随线速度的增加先降后升的趋势；在低速重载条件下（250 r/min，2.65 MPa）摩擦学特性综合分值达到了最高值，表明摩擦副适应这种工况的能力较差。这可能是因为在低速下，石墨表面受到的剪切力较小，摩擦产生的磨屑较少，不能在硬环表面形成完整的转移膜，石墨受到硬环表面微凸体刮擦，犁削作用较大，同时有限的石墨转移层强度不足以支撑外加的大载荷，石墨转移层产生裂纹，造成转移层破裂，所以摩擦系数和磨损率都较大。

3 结论

（1） 通过正交试验研究了影响浸酚醛树脂石墨与9Cr18钢配副摩擦学特性的多种因素，结果表明摩擦线速度影响该配对副磨损率的主要因素，硬环表面粗糙度是影响该配对摩擦系数的主要因素；适当提高摩擦线速度、端面比压和钢盘表面粗糙度有益于改善该配对副的摩擦学特性。

（2）浸渍酚醛树脂石墨/9Cr18摩擦副适宜在高PV值下工作，在低速重载条件下，石墨和钢盘之间不易形成石墨完整转移层，且转移层容易被破坏，所以摩擦系数和磨损率较大。

（3）3种现役浸酚醛树脂石墨中，1#摩擦磨损性能最佳，2#摩擦磨损性能最差，选用1#石墨最为可靠。