基于微觀尺度的石墨環密封性能提升研究

文/韓 石 祝緒東 陳文振 呂成旭 秦俊生 劉 峰 （.9345 部隊；.國營蕪湖機械廠)

石墨密封環廣泛應用于高速轉動副的端面密封。石墨環在力學性能方面，具有能夠承受一定彎矩以及在壓縮應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滑性和耐磨性，采用石墨環密封組件形式，具有支撐傳動軸并防止傳動軸滲漏的作用。某型柱塞泵使用過程中，經常發現石墨環密封面有凹坑、磨損等問題，造成軸尾滲漏故障影響泵的使用性能。因此，需要對影響石墨環使用性能的因素進行分析與研究，通過對其密封原理和不同石墨材質密封帶表面微觀形貌的分析來找出一種新的密封材料，以達到提高密封環密封性能的目的。

一、柱塞泵軸尾密封機理分析與石墨磨損分析

1.柱塞泵軸尾石墨環處實現密封的機理分析

石墨環與動環之間是平面動密封，其密封界面處是相對運動關系。柱塞泵運轉過程中石墨環處密封主要有兩種狀態：液壓泵啟動初期或停止后的邊界潤滑或干摩擦狀態、正常運轉過程時全油膜潤滑狀態。

柱塞泵正常運轉時，石墨環處全油膜潤滑造成動環與靜環間存在空隙，在旋轉時離心力和油液壓差的作用下，會有一定的滲漏量，該滲漏量在設計上起到一定的減輕結構磨損和增加散熱作用。如某柱塞泵在設計時就給定允許的漏油標準為“泵工作時漏油量不超過2 滴/小時，泵不工作時24 小時內漏油量不超過0.5 毫升”。當泵啟動時，石墨環處以邊界潤滑或干摩擦為主，此時是石墨環壽命周期中最關鍵的時刻，石墨環表面容易發生熱損傷，嚴重時會造成漏油故障。

2.柱塞泵石墨環損傷特征分析

圖1 為尾軸滲漏故障石墨環的表面損傷情況，故障多發生在使用100 小時至300 小時之間，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的表面質量是保證動密封的必要條件，劃傷、掉塊等因素影響油膜的生成，容易造成泄漏。

圖1 故障石墨環損傷情況

3.石墨環磨損過程分析

從石墨環密封帶的情況來看，造成尾軸滲漏故障的直接原因為石墨環表面存在損傷。對使用過程中石墨環發生磨損進行原因分析：石墨密封面磨損過程是一個復雜的過程，當兩個密封面相對運動，石墨表面產生塑性變形時，會在動摩擦時釋放熱量，造成摩擦表面的溫度要比石墨基體的溫度高得多；當溫度高于再結晶溫度時，因變形而引起的表面強化現象將消失。溫度繼續升高時，石墨被軟化，摩擦表面碳原子相互黏結；當溫度升高到相變溫度，摩擦表面石墨晶體就會產生相變，強度和硬度也大大降低，位于基體中的石墨顆粒會在持續的摩擦中被分離，石墨密封面也會由于受熱不均，局部溫度過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，在摩擦過程中，石墨表面還要與周圍介質起作用，如空氣中的水分和潤滑油中的硫分均能與摩擦表面起化學反應，產生化合物，加劇摩擦表面的磨損。因此，石墨晶體摩擦磨損過程就是由于機械和化學的作用，使石墨從表面不斷損失，進而形成磨痕。

二、石墨環密封性能提升研究

1.研究思路

石墨為層狀晶體結構，由于層間距離大、結合力小，各層可以滑動，具有摩擦系數低、潤滑特性。石墨摩擦過程中，石墨晶體發生層間解理分離出的碎斷石墨鱗片容易黏附在對磨金屬表面上而形成薄層轉移膜。當轉移膜完全形成后，石墨與金屬之間的對磨過程就變成了石墨與石墨之間的摩擦，摩擦因數將顯著降低，對磨金屬的磨損速度也逐漸降低至恒定值。材料的微觀結構影響著宏觀性能包括摩擦磨損性能、熱物理性能、機械性能等，微觀結構測定及分析可從定性觀測和定量計算開展。定性觀測：對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測分析，同時對浸漬石墨損傷件進行檢測分析，利用光學顯微鏡和3D 激光聚焦觀測浸漬石墨，分析表面形貌的劃痕和失效濁點分布情況。若表面劃痕和失效濁點較少，則石墨耐磨性好，泄漏量少。定量計算：利用對表面樣貌粗糙度波動曲線分析整體磨損情況，粗糙度波動曲線越平穩，則石墨表面磨損越小。

2.性能提升研究實施

與國外機械密封用浸漬石墨材料的生產技術相比，國內的石墨加工工藝比較落后，主要表現在燒結石墨所用的原料顆粒粒徑不均勻、孔隙分布不均勻、焙燒工藝不夠規范、毛坯制造工藝不夠先進、壽命較短等，可通過選用粒度更致密、結構更細的碳石墨材料，選用耐高溫性能好的填充浸漬物，減少熱固性樹脂的使用。通過調研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，可避免皰疤產生。為有效驗證M106H、M256D、M298K 三種材料的摩擦磨損性能，設定載荷為200 牛、轉速為200 轉/分鐘、試驗時間為60 分鐘，對這三種石墨材料進行摩擦磨損實驗。試驗設置如圖2 所示。

圖2 摩擦磨損試驗機

3.三種石墨材料微觀表面測定及分析

（1）表面微觀磨損二、三維形貌：采用3D 激光聚焦進一步觀測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×光學顯微鏡觀測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）可觀測出表面磨痕較為顯著，呈現一道較深和兩道較淺的磨痕，且伴有部分失效濁點凹坑；1#（b）觀測出表面磨痕較為顯著；1#（c）觀測出表面失效濁點數量較多且較為顯著。表面磨痕主要是由于油液混雜磨屑雜質，摩擦過程造成表面劃傷。表面失效濁點主要是由于材料達到極限強度，造成表面材料點狀脫落，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，表面磨痕覆蓋區域較廣，不同區域磨損深度不同，最大磨損深度可達到11.38 微米，磨損寬度可達到50 微米，底部呈深藍色，部分區域處于微量磨損，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，橙紅色磨損區域最大，磨損量相近，同時出現間斷色，這是由于濁點凹坑造成的，石墨非類似金屬原子成型，石墨具有高強度。

石墨是多層石墨烯結構，石墨烯強度高于金剛石，磨屑過程中原子之間高強度鍵能破壞，造成多個碳環斷裂。且斷裂時，多層石墨烯的結構發生變形致石墨轉移碎片化脫離，從而出現濁點凹坑。

（2）表面微觀粗糙度波形分析：使用便攜式粗糙度測量儀對三種石墨樣件表面進行測量，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較小，凸起對表面影響較為明顯；在100 到150 微米處，表面粗糙度波形波動較大，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應。在225 微米處，再次出現顯著波谷，波谷高度為-1.8 微米。在390 到350 微米處，出現波峰，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，出現第一次波峰，波峰高度為1.4 微米，在220 微米處，出現第二次波峰，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 微米的變化過程中，高度從0.8 微米連續平緩下降至-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 微米處出現第一次波峰，峰值高度為0.5 微米；在85 微米處出現第一次波谷，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較大。從85 至125 微米變化過程中，波形高度均勻上升；從125 至350 微米變化過程中，波動趨于平穩，表面粗糙度波動較小，凸起對表面影響較為明顯。從整個波形可以看出，周期性變化并不明顯，波動幅值較大，極不穩定。

4.浸漬石墨材料的摩擦磨損和力學分析測定

對M106H、M256D 和M298K 三種不同材料浸漬石墨進行摩擦實驗分析，相同工況下，樣件表面磨損微觀樣貌、摩擦系數變化和磨損量變化不同，對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比

由圖6 (a)—(c) 可觀測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 浸漬石墨右側產生微量磨痕，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變化，從三個周期波動可知M106H、M256D 和M298K 摩擦系數分別浮動在0.12、0.05 和0.12，其中M256D 摩擦系數波動較為穩定。

三、結論

（1）石墨材料的微觀結構測定及分析：微觀結構測定了表面二維和三維形貌。結果表明，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凹坑較少，從而密封較好，更耐磨，其使用壽命也會更長。

（2）石墨材料的摩擦磨損分析測定：測試了M106H、M256D 和M298K 三種浸漬石墨三個周期波動摩擦系數變化，摩擦系數分別浮動在0.12、0.05 和0.12，其中M256D摩擦系數波動較為穩定。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。

綜合對比，M256D 浸漬石墨磨損性能較優于其他兩種。

四、結語

石墨密封環多用于高速轉動副的端面密封，石墨密封環的密封失效主要由于石墨發生磨損后表面形貌凹凸不均。對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特性和磨損性能，結果表明，M256D 浸漬石墨材料表面磨痕和失效濁點凹坑較少，摩擦系數較低且穩定，磨損量較小、耐磨性高，是一種綜合性能較好的石墨密封環材料，可提高密封性能和使用壽命。