田洪志1,王文东2,王 飞2 (1.上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233; 2.上海材料研究所,上海市工程材料应用评价重点实验室,上海 200437)

摘 要:分别将石墨化度和抗压强度不同的2种石墨与 SA533Gr.B合金钢组成摩擦副,用 环块摩擦试验机测试不同润滑方式下的摩擦磨损性能,对磨损形貌进行观察。结果表明:在干 摩擦稳定阶段,合金钢与石墨化度高且抗压强度低的石墨配副时摩擦副的摩擦因数大于与石墨 化度低且抗压强度高的石墨配副,同时石墨化度低且抗压强度高的石墨的磨损率较低;在硼酸 溶液中湿摩擦条件下,合金钢与不同石墨配副时摩擦副的摩擦因数差异不大,呈波动变化趋势, 石墨的磨损率均高于干摩擦条件下;在剪切应力下,石墨化度低且抗压强度高的石墨在合金钢 表面形成的转移膜较薄,且与钢基体结合紧密;石墨在干摩擦和硼酸溶液中湿摩擦条件下的磨 损机制均以磨粒磨损为主。

关键词:合金钢;石墨;摩擦因数;磨损率;转移膜 中图分类号:TB333 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)04-0056-07

0 引 言

反应堆冷却剂系统是三代核电厂最重要的系统 之一。在正常运行工况下,反应堆冷却剂系统传输 反应堆堆芯产生的热量为汽轮发电机组供应饱和蒸 汽,在电厂冷却的第二阶段、冷停堆、换料和启动初 56 田洪志,等:不同条件下SA533Gr.B合金钢与石墨摩擦副的摩擦磨损性能 期与其 他 余 热 一 起 排 出 系 统 共 同 导 出 堆 芯 衰 变 热[1]。反应堆冷却剂系统的主设备包括反应堆压力 容器、蒸汽发生器、主泵、稳压器和反应堆冷却剂主 管道。作为反 应 堆 冷 却 剂 系 统 中 关 键 结 构 材 料, SA533Gr.B合金钢是一种综合性能良好的低碳合 金钢,主要用于制造反应堆压力容器、堆芯补水箱底 板等,这些关键部件的服役寿命要求60a [2],且在服 役时存 在 长 期 摩 擦 磨 损 行 为。目 前,有 关 SA533 Gr.B合金钢的摩擦磨损性能的研究主要集中在盘 销式-端面摩擦磨损试验和平面往复运动台架试验 方面[3-5]。盘销式-端面摩擦磨损试验和平面往复运 动台架试验仅能表征端面滑动摩擦行为,而环块摩 擦磨损试验是采用转动的圆环与静止的长方体组成 摩擦副进行动态摩擦学试验,可以表征摩擦副材料 的滑动与转动的摩擦学性能,对于预测核电滑动和 转动复合运动部件服役寿命具有指导意义。 石墨具有化学性能稳定、线膨胀系数小、耐高 温、导热导电性能良好、摩擦因数低、耐辐照等优点, 常作为一种固体润滑剂用于核反应堆的中子减速剂 和结构材料等[6-7]。石墨的石墨化度、抗压强度及其 与摩擦对偶件的接触情况和润滑条件等因素共同影 响其摩擦学性能[8-17]。核电厂中的设备在设计时需 要考虑相互接触处部件间的摩擦因数,而摩擦因数 与表面粗糙度、外界环境、工况载荷、运动方式等因 素有关。目前,鲜见有关用环块摩擦磨损试验研究 核级自润滑材料石墨与SA533Gr.B钢所组成摩擦 副的摩擦磨损性能的报道。为了验证核电产品服役 寿命以及事故工况下硼酸溶液冷却时核电产品的可 靠性,作者在干摩擦和硼酸溶液中湿摩擦条件下分 别对不同石墨化度和抗压强度的核级自润滑石墨与 SA533Gr.B钢组成的摩擦副进行环块摩擦磨损试 验,研究摩擦副的摩擦磨损性能,并对其磨损机制进 行分析,可为核电设备的受力分析及其结构优化设 计提供技术支持,具有重要的工程意义和应用背景。

1 试样制备与试验方法

试验材料包括舞阳钢铁有限责任公司提供的调 质态SA533Gr.B合金钢(以下简称SA533钢)、成都 中超碳素科技有限公司提供的粒径为30μm 的石墨 粉以及国药集团化学试剂有限公司提供的硼酸(分 析纯)。SA533钢的硬度为306 HBW,化学成分见 表1。石墨粉经磨粉、混合、轧制、成型、焙烧、浸渍、 再焙烧、石墨化、提纯等工序处理后,采用热等静压 成型制成2种块状石墨,分别记作石墨 GC1(石墨 化度78%,抗压强度130MPa)和石墨 GC2(石墨化 度60%,抗压强度230 MPa)。将 SA533钢加工成 尺寸为?40 mm×?15.86 mm×10 mm 的圆环试 样,采用磨床加工试样表面,使其粗糙度 Ra 达 到 0.4μm。将石墨加工 成 尺 寸 为 30 mm×7 mm× 6mm 的块试样,采用磨床加工试样表面使其粗糙 度Ra 达到0.4μm。块试样和圆环试样均用丙酮清 洗,晾干后使用。 表1 SA533Gr.B合金钢的化学成分 Table1 ChemicalcompositionofSA533Gr.Balloysteel % 元素 C Si Mn P S Ni Mo Cr Cu 质量分数 0.20 0.21 1.40 0.006 0.001 0.58 0.46 0.015 0.013 将 SA533钢圆环试样和石墨块试样组成摩擦 副,按照 GB/T12444-2006,采用 Amsler135/105 型摩擦磨损试验机分别进行干摩擦磨损试验和浸没 在质量分数0.27%硼酸溶液中的湿摩擦磨损试验, 试验载荷为245N,圆环旋转线速度为0.42m·s -1, 摩擦试 验 滑 动 距 离 为 3024 m,试 验 环 境 温 度 为 23 ℃左右,相对湿度为60%左右,具体试验方法如 图1所示。载荷作用于圆环上并传递到摩擦副的摩 擦表面,在试验过程中记录摩擦力矩,测3次取平均 值。摩擦因数μ 由每次试验所记录的摩擦力矩计 算得到,公式为 μ=M/N·R (1) 式中:M 为摩擦力矩,N·cm;N 为载荷,取245N;R 图1 环块摩擦磨损试验示意 Fig.1 Schematicofringblockfrictionandweartest 为圆环半径,取2cm。 试验结束后,采用读数显微镜测磨痕宽度b,将 磨痕近似为光滑规整的圆弧面,石墨磨损率α 的计 算公式为 57 田洪志,等:不同条件下SA533Gr.B合金钢与石墨摩擦副的摩擦磨损性能 α=B πR 2 180 arcsin b 2R - b(4R 2 -b 2)1/2 4 ?? ?? ???? ?? ?? ???? /(NL) (2) 式中:B 为试样宽度,取 7 mm;L 为滑动距离,取 3024m。 采用 Quanta400F型扫描电子显微镜(SEM)观 察摩擦副磨损形貌,采用 EDAX 型能谱仪(EDS)对 磨损表面的微区成分进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 摩擦因数

图2 SA533钢与石墨 GC1和石墨 GC2组成的摩擦副在干摩擦 和硼酸溶液中湿摩擦条件下的摩擦因数曲线 Fig 2 FrictioncoefficientcurvesoffrictionpairbetweenSA533steel andgraphiteGC1orgraphiteGC2underdryfrictioncondition a andwetfrictionconditioninboricacidsolution b 由图2可知:SA533钢与石墨 GC1干摩擦时摩 擦副的初始摩擦因数(静摩擦因数)较小,随着时间 的延长,摩擦因数逐渐降低,呈现略微波动变化趋 势,然后趋于平稳;SA533钢与石墨 GC2干摩擦时 摩擦副的初始摩擦因数较大,随着时间的延长,摩擦 因数逐渐降低,然后趋于平稳;这是因为钢表面形成 了均 匀 稳 定 的 石 墨 转 移 膜[9-17] ;SA533 钢 与 石 墨 GC2干摩擦时,GC2的石墨化度较低而抗压强度较 高,承载能力高,转移膜稳定,所以其干摩擦因数总 体略低。在硼酸溶液中湿摩擦时,SA533钢与石墨 GC1、石墨 GC2组成摩擦副的摩擦因数差异不大, 并且呈现波动变化趋势。

2.2 磨损率

在干摩擦条件下石墨 GC1、石墨 GC2的磨损率 分别为4.57×10 -6,1.42×10 -6 mm 3·N -1·m -1,可 见SA533钢与石墨 GC2配副时的磨损率较低。石 墨 GC1的石墨化度高而抗压强度较低,在试验压应 力作用下,石墨在钢表面易形成转移膜并且比较容 易脱落[11-13],因此其磨损率较高;石墨 GC2的石墨 化度较低而抗压强度较高,承载能力高,转移膜稳 定,因此其磨损率较低。在硼酸溶液中湿摩擦条件 下,石墨 GC1、石 墨 GC2 的 磨 损 率 分 别 为 2.14× 10 -5,2.50×10 -5 mm 3·N -1·m -1,均高于对应的干 摩擦条件下的磨损率,且2组摩擦副的磨损率相差 较小。在硼酸溶液中摩擦副的摩擦因数较低,但是 石墨的磨损率较大,这是因为石墨在钢表面难以形 成稳定的转移膜[10],导致在摩擦磨损试验过程中钢 表面石墨转移膜处于形成和脱落的交变过程中,所 以其磨损率较高。

2.3.1 干摩擦条件

由图3和图4可知:SA533 钢 与 石 墨 GC1 和 石墨 GC2干摩擦时,钢表面均存在较均匀石墨转 移膜,并伴有石墨磨屑与微细划痕,在高倍下石墨 转移膜区 域 较 光 滑。通 过 对 比 发 现,与 石 墨 GC1 干摩 擦 时 钢 表 面 的 石 墨 转 移 膜 较 厚,而 与 石 墨 GC1干摩擦时石墨转移膜较薄。石墨表面可见微 细片状石墨 磨 屑,可 知 石 墨 的 磨 损 机 制 以 磨 粒 磨 损为主;与石墨 GC2相比,石墨 GC1表面还存在 微细划痕。 由图5可以看出:SA533钢与石墨 GC1、石墨 GC2干摩擦 时,SA533 钢 表 面 的 石 墨 转 移 膜 区 域 的碳含量较高,说明在接触应力下,石墨中的碳转 移至钢摩擦表面,形成固体润滑膜;SA533钢与石 墨 GC1干摩擦时,石墨转移膜中碳含量较高,质量 分数可达70.72%,说明钢表面形成的石墨转移膜 较厚,这是由于石墨 GC1的石墨化度高,在剪切应 力下易形成 转 移 膜 所 致,较 厚 的 片 状 石 墨 转 移 膜 与钢基体结合不紧密,在干摩擦过程容易脱落,因 此石墨的磨损率较大;SA533钢与石墨 GC2干摩 擦时,石墨转移膜区域中碳含量较低,质量分数为 57.04%,这是因为石 墨 GC2 的 石 墨 化 度 较 低,在 剪切应力 下 形 成 的 转 移 膜 较 薄[11-13],与 合 金 钢 基 体紧密结合,从而降低了摩擦因数,减少了石墨磨 损率。 58 田洪志,等:不同条件下SA533Gr.B合金钢与石墨摩擦副的摩擦磨损性能

2.3.2 硼酸溶液中湿摩擦条件

由图6和图7可知:SA533钢与石墨 GC1和石 墨 GC2在硼酸溶液中湿摩擦时,钢表面局部形成不 连续的石墨转移膜,硼酸溶液的冲刷导致石墨转移 膜碎片化,钢表面存在微细划痕,在高倍下石墨转移 膜区域存在微观脱落的石墨,并伴有微孔;通过对比 发现,与 石 墨 GC1 湿 摩 擦 时 钢 表 面 局 部 出 现 石 墨聚集现象,而与石墨GC2湿摩擦时石墨分布较分 59 田洪志,等:不同条件下SA533Gr.B合金钢与石墨摩擦副的摩擦磨损性能 石墨表面存在石墨磨屑,并伴有微孔,可知石墨 的磨损机制以磨粒磨损为主;与石墨 GC2相比,石 墨 GC1表面还存在微细划痕。 由图8可见,SA533钢与石墨 GC1、石墨 GC2 在硼酸溶液中配副时,钢表面的石墨转移膜区域的 碳含量较基体高,在接触应力下,石墨表面的碳转移 至钢摩擦表面,形成固体润滑膜。SA533钢与石墨 GC1配副时,石墨转移膜中碳含量较高,质量分数 60 田洪志,等:不同条件下SA533Gr.B合金钢与石墨摩擦副的摩擦磨损性能 可达76.41%,说明石墨转移膜较厚,这是因为石墨 GC1的石墨化度高,在剪切应力下易形成转移膜; SA533钢与石墨 GC2配副时,石墨转移膜中的碳含 量较低,质 量 分 数 为 26.61%,说 明 石 墨 转 移 膜 较 薄,这是因为石墨 GC2的石墨化度较低,在剪切应 力下不易形成转移膜。

3 结 论

(1)干摩擦条件下 SA533合金钢与石墨化度 高且抗压强度低的石墨 GC1配副时,初始摩擦因数 小于与石墨化度低且抗压强度高的石墨 GC2配副, 在摩擦平稳阶段,SA533钢与石墨 GC2配副时的摩 擦因数低于与石墨 GC1配副;在硼酸溶液中湿摩擦 条件下,SA533合金钢与2种石墨配副时的摩擦因 数差异较小,并且呈现波动变化趋势。 (2)在干摩擦条件下,SA533钢与石墨 GC2配 副时石墨的磨损率低于与石墨 GC1配副时石墨的 磨损率,在硼酸溶液中湿摩擦条件下的磨损率均高 于对应的干摩擦时的磨损率,且2种石墨的磨损率 差异较小。 (3)SA533钢与石墨配副时,钢表面石墨转移 膜的分布及碳元素含量与石墨强度及石墨化度密切 相关,在剪切应力下石墨化度低且抗压强度高的石 墨在 SA533钢表面形成的转移膜较薄且与钢基体 结合紧密;石墨在干摩擦条件和硼酸溶液中湿摩擦 条件下的磨损机制均以磨粒磨损为主。

来源：材料与测试网