泵用轴瓦摩擦材料性能对比研究.pdf

2023年第5 期47小原技术泵用轴瓦摩擦材料性能对比研究赵新二1魏梦玲2滕建刚王乃明1赵长城代鸿凌！廖晖李鸣？（1中国核电江苏核电有限公司，江苏连云港222000；2 中国核动力研究设计院，成都610213)摘要：采用粉末冶金的方法自研了碳化硅石墨材料，将其与几种常用的泵用轴瓦摩擦材料进行性能对比分析，结果表明：C/C-SiC复合材料及新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PEKEKK/CF）材料导热能力较差，不利于工程装配及使用；而自研碳化硅石墨材料具有与俄供轴瓦材料相似的微观结构及相成份，同时具有优异的热传导能力及摩擦磨损性能，同种材料对摩擦系数最小值均为0.0 2 8。关键词：微观结构热物理性能摩擦磨损性能硅化石墨中图分类号：TH313文献标识码：A水润滑核主泵因具有运转平稳、噪音低、不加润滑油、结构紧等诸多优点而广泛应用于工业界。轴瓦是主泵的易损构件，其质量优劣对泵的平稳性、可靠性、使用寿命起到重要影响。目前核主泵滑动轴承轴瓦用的材料主要有聚合物、碳碳复合材料、碳化硅石墨等。其中高聚物材料质轻、绝缘、耐磨、耐腐蚀，但导热差、机械强度低、弹性模量小，限制了轴瓦工作转速；碳碳复合材料力学韧性高、耐化学腐蚀，但其导热能力较差、摩擦系数较高；碳化硅石墨材料则兼具碳的自润滑性及碳化硅的高强度，且导热性能优、耐摩擦磨损，比较利于轴瓦的使用工况环境 2-4。文中将几种常见的泵用轴瓦摩擦材料进行了性能分析比对，以进一步探索其综合性能的优劣。1试验主要对自研碳化硅石墨材料、硅化石墨材料（俄罗斯进口）、C/C-SiC复合材料、新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PEKEKK/CF）材料等泵用轴瓦摩擦材料进行性能对比研究，以探索不同材料综合性能的优劣。1.1材料制备采用粉末冶金的方法制备多孔石墨坏体，然后用反应熔渗的方法制备碳化硅石墨复合材料，为自研碳化硅一石墨材料；硅化石墨材料为俄罗斯进口轴瓦材料；C/C-SiC复合材料采用C纤维编织成骨架，然后进行熔融渗硅处理；新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PEKEKK/CF）材料是在聚醚醚酮基体中复合碳纤维而形成的一种有机类复合材料。几种摩擦材料的编号如表1所示。1.2性能分析(1)微观结构采用扫描电子显微镜SEM、电子探针分析EP-MA等微观设备对样品进行微观形貌、组织结构、成份分布分析。(2)物理性能参考GB/T259952010精细陶瓷密度和显气孔率试验方法对样品密度、孔隙率进行测量；采用热膨胀仪（NETZSCHDIL402C）对标准试样(5mm5mm25mm）的热膨胀系数进行测量；表1摩擦材料编号样品编号材料名称A俄罗斯进口轴瓦材料BC/C-SiC复合材料C碳化硅一石墨材料D新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PEKEKK/CF）材料2023年第5 期48小原根术采用激光热导仪（LFA457）对标准试样（12.7mm3mm）的导热系数进行测量。（3）摩摩擦磨损性能采用摩擦磨损仪（SRV-IV）测量不同摩擦材料对不锈钢的摩擦系数，试验载荷30 N、摩擦线速度40 mm/s、摩擦时间30 6 0 min，样品尺寸10mm7.9mm，摩擦条件包括干摩擦和水润滑摩擦两种。参考GB/T124442006金属材料磨损试验方法试环试块滑动磨损试验（图1）对材料试样进行水润摩擦试验，研究材料的摩擦系数及磨损情况。采用变速摩擦进行试验，时长45 min，载荷设置为10 0 N、2 0 0 N、30 0 N、40 0 N、5 0 0 N，转速设置为0.5 m/s、1m/s、1.5 m/s、2 m/s。2结果与讨论2.1微观结构从俄供轴瓦材料（图2）的微观结构照片可以明显看到三种相结构：黑色部分为石墨相、浅色光滑部分为单质Si相、灰色粗糙部分为SiC相，且石墨颗粒尺寸均匀、SiC相呈网络结构分布、材料致密无明显孔洞。俄供轴瓦材料的能谱成份分析（表摩擦力试验力指示器1234试块试环旋转方向摩擦力传感器传到力传感器的摩擦力图1同种材料对摩擦试验原理200m电子图像1图2俄供轴瓦材料（A)微观形貌及成份分析2)与微观结构推测一致，黑色颗粒为含有一定杂质0 元素的石墨相，与石墨相距离越远，浅色区域部分的硅含量越高，表明渗硅过程中石墨颗粒与硅在其表面反应生成了一层SiC，随着SiC反应层的阻隔 5 ，熔融硅渗入困难，则向外形成SiC和Si的复合区域，最后完全阻断，形成游离Si相区域（通常位于几个较大石墨颗粒之间）。由图3可以看出，X射线衍射分析结果与微观结构及成份分析结果一致，表明俄供轴瓦材料中含有三种相成份，石墨相、游离Si相以及六方的Si C相。C/C-SiC复合材料的微观结构如图4所示，成份分析如表3所示。从图中可以看出，深色圆柱结构为C纤维，起力学增韧作用；无规则深色相为C基体；浅色结晶结构为SiC相，主要弥散在纤维与基体之间，因此该种材料的特点是力学韧性较好，但硬度较差。从表中可以看出，纤维部分为C相，纤维之间主要为SiC相，并有少量的游离Si相存在，表明由于其特殊的组织结构，导致熔融硅表2俄供轴瓦材料（A）成份分析谱图在状态C0Si总值谱图1是91.038.810.16100.00谱图2是21.291.5277.19100.00谱图3是29.220.0070.78100.00谱图4是91.248.650.11100.00谱图5是7.381.1091.51100.00谱图6是26.800.5872.62100.00平均44.493.4452.06100.00标准偏差36.914.1340.87最大91.248.8191.51最小7.380.000.11150-100-50-27-1402Silicon,synsi26-1079Graphite-3R,syn.C29-1129Moissanite-3C,synSic29-1131Moissanite-6H,synSic30405060708020/)图3俄供轴瓦XRD分析2023年第5 期49.小原木300m电子图像1图4C/C-SiC复合材料(B)微观形貌及成份分析表3C/C-SiC复合材料(B)成份分析谱图在状态C0Si总值谱图2是90.499.440.06100.00谱图3是87.6712.130.20100.00谱图4是3.422.3994.19100.00谱图5是5.823.0091.18100.00谱图6是22.250.5477.21100.00谱图7是27.130.0072.87100.00谱图：是25.481.2473.29100.00平均42.733.9053.37100.00标准偏差36.894.4340.29最大90.4912.1394.19最小3.420.000.06渗入困难，难以与C基体充分反应 6 自研碳化硅石墨材料的微观结构（图5）与俄供轴瓦相似，包含三种相成份：深色大块颗粒为石墨相，石墨相表面的粗糙形貌为SiC相，光滑部分为游离Si相。由能谱成份分析（表4)可以看出，自研碳化硅石墨材料与俄供轴瓦材料成份一致，且与微观结构推测吻合，黑色颗粒为含有一定成份的石墨相，在其表面则与Si反应生成了SiC层网络结构，随着SiC层对熔融Si的阻隔，形成了SiC和Si的复合区域，最后形成游离Si相区域（同样形成在几个大石墨颗粒之间）。由图6 可以看出，港图3200m电子图像1图5自研碳化硅石墨材料（C)微观形貌及成份分析XRD衍射分析结果与微观结构及成份分析结果一致，表明自研碳化硅石墨材料与俄供轴瓦材料相似，含有三种相结构，石墨相、游离Si相及六方的-SiC相。新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PEKEKK/CF）材料的微观结构如图7 所示，可以看到该材料是一种致密的新型材料。表4自研碳化硅一石墨（C）成分分布谱图在状态C0Si总值总谱图是76.220.4023.38100.00谱图2是91.658.070.28100.00谱图3是89.3010.620.07100.00谱图4是2.280.3797.35100.00谱图5是2.420.3797.21100.00谱图6是26.130.0073.87100.00谱图7是43.690.0056.31100.00谱图8是56.070.0043.93100.00平均48.472.4849.05100.00标准偏差36.134.3039.25最大91.6510.6297.35最小2.280.000.07150100-500.27-1402Slicon,syn-$i26-1079Graphite-3R.syn-c29-1129Moissanite-3C.syn-Sjc29-1131Moissanite-6H,syn-Sic3040506070802.0/()图6自研碳化硅-石墨材料XRD分析图7新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PE K E K K/CF）材料（D）微观形貌20233年第5 期50.小原枝术从俄供轴瓦材料、C/C-SiC复合材料、自研碳化硅石墨材料、新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PE K E K K/CF）材料的微观结构及成份分析结果可以看出，C/C-SiC复合材料、硅化石墨材料、PE-KEKK/CF材料为三种完全不同类型的摩擦材料，微观结构不具有可比性；自研碳化硅石墨材料与俄供轴瓦材料类型相同，微观结构、物相成份相同。2.2密封性材料的密封性以开孔率衡量，开孔率越低则密封性越好 7 。几种摩擦材料的开孔率（表5)表明，俄供轴瓦材料（A）、自研碳化硅石墨材料（C）、新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PEKEKK/CF）材料（D）的密封性较好（只有10-数量级），C/CSi C复合材料（B)则因其特殊结构导致内部孔隙较多，开孔率及吸水率均较高；而A、C、D 三种材料开孔率及吸水率均低于0.1%，表明其具有很好的致密性。2.3热物理性能几种摩擦材料的导热系数及线膨胀系数测试结果如表6 所示。从检测结果可以看出，C/CSiC材料导热系数较低，新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PE K E K K/CF）材料导热系数极低，不利于使用过程中热量的导出；而俄供轴瓦材料及自研碳化硅石墨材料的导热系数比较高，高达12 0 W/（m K）以上，利于材料在摩擦过程中热量的导出，表明其具有非常好的热传导性能，由线膨胀系数检测结果可以看出，A、C两种表5 几种摩擦材料的开孔率测试结果材料密度/（g/cm）开孔率/%吸水率/%A2.45 2.650.10.0075B2.02.21.20.4400C约2.60.10.0363D1.430.10.0178表6 J几种摩擦材料的热物理性能线膨胀系数材料导热系数/（W/(mK）)）(20 1000,10-6 1/K)A1504.6B601C122.84.24.735(152以下）D2（沿纤维方向）0.9 5（平均值）90(152 以上)材料的线膨胀系数相近，均在同一数量级，其中B材料热膨胀系数最低仅为110-1/K，表明A、B、C 三种材料在高温条件下均具有非常好的尺寸稳定性 7 ，而D材料的线膨胀系数远高于其他三种材料，在高温工况环境中不利于工程装配及使用。2.4摩擦磨损性能不同摩擦材料对不锈钢在水润滑条件下的摩擦系数随时间的变化曲线如表7、图8 所示。从图8中可以看出，在水润条件下，俄供轴瓦材料的摩擦系数波动非常大（0.3 0.45），并且未发现有稳定的趋势；C/C-SiC复合材料的摩擦系数随时间增加而增加，最后稳定在0.2 5 0.3之间；自研碳化硅石墨材料的摩擦系数则非常稳定，在摩擦约100s后就稳定在0.2 8 附近，直至试验结束（36 0 0 s），同时磨损量最低。因此，C/CSi C复合材料、自研碳化硅石墨材料与俄供轴瓦材料的摩擦系数大致在同一数量级，具有可比性，而且这两种材料的摩擦稳定性更优于俄供材料。几种摩擦材料对不锈钢水润滑摩擦后的微观形貌如图9 所示，从图中可以看到C/C-SiC材料磨痕最深，自研碳化硅石墨材料磨痕最浅，表明自研碳化硅石墨材料硬度最大；俄供轴瓦材料摩擦后在SiC和Si相区域出现了少量裂纹，并且有晶粒剥落形成小孔的现象，这应该是由于SiC晶粒较表7不同摩擦材料不锈钢条件下的摩擦磨损情况摩擦条件样品mo/mgm/mg磨损质量/mg摩擦系数A1722.941722.680.260.30.45波动水润滑B1394.841394.30-0.540.27C1608.74 1608.71-0.030.280.500.450.400.350.300.250.200.15B0.10C0.0500500100015002000250030003500时间/图8不同摩擦材料对不锈钢在水润滑条件下摩擦系数随时间的变化曲线2023年第5 期51小原楼术大，在应力作用下开裂导致的；C/C-SiC材料在纤维束间由于束间结合力较差而出现开裂的现象，是导致该材料磨损量最高的原因；自研碳化硅石墨材料未发现明显微观缺陷，可能是由于其SiC为细小颗粒状态，不易像俄供材料那样形成裂纹。同种摩擦材料在水润滑条件下对摩擦系数的变化曲线如图10 所示。从图中可以看出，在同种材料水润滑摩擦条件下，摩擦系数随着载荷的升高而减小。俄供轴瓦试样摩擦系数与自研碳化硅石墨试样相近，均低于C/C-SiC复合材料试样。另外俄供轴瓦试样较脆易发生断裂，且在摩擦过程中存在很明显的跑合阶段，5 0 0 N载荷试验时，跑合阶段超过传感器量程，导致试验失败。而C/CSi C复合材料试样和自研碳化硅石墨试样均可进行500N载荷试验，表明这两种材料的静摩擦系数均低于俄供轴瓦材料。同种摩擦材料对摩擦试验后，几种材料的磨痕状态如表8 所示。可以看出经过同样的摩擦试验后，自研碳化硅石墨试样的磨痕宽度和磨痕深度均最小，表明其耐磨性能最优；C/C-SiC复合材(A)(B)(C)图9摩擦试验后微观结构图0.150.15-100N+-200N0.120.12-300N400N0.090.09100N0.060.06200N300N0.030.03-400N500N0.000.000.00.51.01.52.02.50.00.51.01.52.02.5Velocity/(m/s)Velocity/(m/s)(A）(B)0.150.20-100N-100N-200N一2 0 0 N0.120.16-300N一30 0 N0.09-400N0.12400N500N-500N0.060.080.030.040.000.000.00.51.01.52.02.50.00.51.01.52.02.5Velocity/(m/s)Velocity/(m/s)(C)(D)图10同种摩擦材料水润条件对摩擦系数（收稿日期2023-04-21)（本文编辑胡玉靓）上接第46 页）+（收稿日期2023-07 24)（本文编辑胡玉靓）2023年第5 期52小原权术表8 同种摩擦材料水润条件磨痕状态样品最大深度/m磨痕宽度/mm磨痕长度/mm磨痕面积/mm载荷/N载荷/MPa摩摩擦速度/（m/s）PV/（M Pa m/s）对应摩擦系数A20.5552.693512.3233.1840012.052240.028B16.0712.420512.3229.8250016.772330.080C12.8512.174012.3226.7850018.672370.028D,50.1673.424012.3242.183007.112140.060D237.2033.032512.3237.3650013.382260.045D号样品用了2 个面，D，面为10 0 N、2 0 0 N、30 0 N数据，D2面是40 0 N、5 0 0 N数据料的耐磨性能次之；新型碳纤维改性聚醚酮醚醚酮（PE K E K K/C F）材料耐磨性能最差，其样品在30 0 N载荷下的磨痕面积已经大大超过其他三种材料，磨痕深度也是自研碳化硅一石墨的4倍，是俄供轴瓦样品的2.5 倍。3结论（1）自研碳化硅石墨材料具有与俄供轴瓦材料相似的微观结构，均包含石墨相、SiC相及游离Si 相，且SiC相呈网络结构；（2）俄供轴瓦材料、自研碳化硅石墨材料、C/C-SiC材料在高温条件下具有优异的尺寸稳定性，同时俄供轴瓦材料和自研碳化硅一石墨材料具有优异的热传导能力；（3）自研碳化硅石墨材料摩擦系数与俄供轴瓦材料接近，最小值均为0.0 2 8，且在几种摩擦材料中自研碳化硅一石墨材料磨损量最小，摩擦行为非常具有规律性，较易被预测，更适合用作泵用轴瓦摩擦材料。（2）加强关键设备零部件采购验收过程控制，验收文件增加零件材质文件和热处理过程的监督检查文件要求，保证零件在看似外观合格和化学成份合格情况下的微观组织能合格。5总结节流轴套是电站转机设备中的常见结构部件，根据上述对给水泵薄壁节流轴套脆性断裂案例的分析，指出了导致断裂的可能因素，并针对性给出了具体的改进措施以及优化方向，同时也取得了良好的处理效果，大大提高了该类设备的可靠性，为电厂机组的正常运行提供有力的保障。参考文献1段丽慧3D-Cr/SiC陶瓷基复合材料的制备研究D上海：上海工程技术大学，2 0 15.2翟文杰，古乐，齐毓霖，等硅化石墨材料的性能与应用J机械工程师，2 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