不同條件下SA533 Gr.B合金鋼與石墨摩擦副的摩擦磨損性能

田洪志，王文東，王 飛

(1.上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233；2.上海材料研究所，上海市工程材料應用評價重點實驗室，上海 200437)

0 引 言

反應堆冷卻劑系統是三代核電廠最重要的系統之一。在正常運行工況下，反應堆冷卻劑系統傳輸反應堆堆芯產生的熱量為汽輪發電機組供應飽和蒸汽，在電廠冷卻的第二階段、冷停堆、換料和啟動初期與其他余熱一起排出系統共同導出堆芯衰變熱[1]。反應堆冷卻劑系統的主設備包括反應堆壓力容器、蒸汽發生器、主泵、穩壓器和反應堆冷卻劑主管道。作為反應堆冷卻劑系統中關鍵結構材料，SA533 Gr.B合金鋼是一種綜合性能良好的低碳合金鋼，主要用于制造反應堆壓力容器、堆芯補水箱底板等，這些關鍵部件的服役壽命要求60 a[2],且在服役時存在長期摩擦磨損行為。目前，有關SA533 Gr.B合金鋼的摩擦磨損性能的研究主要集中在盤銷式-端面摩擦磨損試驗和平面往復運動臺架試驗方面[3-5]。盤銷式-端面摩擦磨損試驗和平面往復運動臺架試驗僅能表征端面滑動摩擦行為，而環塊摩擦磨損試驗是采用轉動的圓環與靜止的長方體組成摩擦副進行動態摩擦學試驗，可以表征摩擦副材料的滑動與轉動的摩擦學性能,對于預測核電滑動和轉動復合運動部件服役壽命具有指導意義。

石墨具有化學性能穩定、線膨脹系數小、耐高溫、導熱導電性能良好、摩擦因數低、耐輻照等優點，常作為一種固體潤滑劑用于核反應堆的中子減速劑和結構材料等[6-7]。石墨的石墨化度、抗壓強度及其與摩擦對偶件的接觸情況和潤滑條件等因素共同影響其摩擦學性能[8-17]。核電廠中的設備在設計時需要考慮相互接觸處部件間的摩擦因數，而摩擦因數與表面粗糙度、外界環境、工況載荷、運動方式等因素有關。目前，鮮見有關用環塊摩擦磨損試驗研究核級自潤滑材料石墨與SA533 Gr.B鋼所組成摩擦副的摩擦磨損性能的報道。為了驗證核電產品服役壽命以及事故工況下硼酸溶液冷卻時核電產品的可靠性，作者在干摩擦和硼酸溶液中濕摩擦條件下分別對不同石墨化度和抗壓強度的核級自潤滑石墨與SA533 Gr.B鋼組成的摩擦副進行環塊摩擦磨損試驗，研究摩擦副的摩擦磨損性能，并對其磨損機制進行分析，可為核電設備的受力分析及其結構優化設計提供技術支持，具有重要的工程意義和應用背景。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料包括舞陽鋼鐵有限責任公司提供的調質態SA533 Gr.B合金鋼(以下簡稱SA533鋼)、成都中超碳素科技有限公司提供的粒徑為30 μm的石墨粉以及國藥集團化學試劑有限公司提供的硼酸(分析純)。SA533鋼的硬度為306 HBW，化學成分見表1。石墨粉經磨粉、混合、軋制、成型、焙燒、浸漬、再焙燒、石墨化、提純等工序處理后，采用熱等靜壓成型制成2種塊狀石墨，分別記作石墨GC1(石墨化度78%，抗壓強度130 MPa)和石墨GC2(石墨化度60%，抗壓強度230 MPa)。將 SA533鋼加工成尺寸為φ40 mm×φ15.86 mm×10 mm的圓環試樣，采用磨床加工試樣表面，使其粗糙度Ra達到0.4 μm。將石墨加工成尺寸為30 mm×7 mm×6 mm的塊試樣，采用磨床加工試樣表面使其粗糙度Ra達到0.4 μm。塊試樣和圓環試樣均用丙酮清洗，晾干后使用。

表1 SA533 Gr.B合金鋼的化學成分

將SA533鋼圓環試樣和石墨塊試樣組成摩擦副，按照GB/ T 12444-2006，采用Amsler135/105型摩擦磨損試驗機分別進行干摩擦磨損試驗和浸沒在質量分數0.27%硼酸溶液中的濕摩擦磨損試驗，試驗載荷為245 N，圓環旋轉線速度為0.42 m·s-1，摩擦試驗滑動距離為3 024 m，試驗環境溫度為23 ℃左右，相對濕度為60%左右，具體試驗方法如圖1所示。載荷作用于圓環上并傳遞到摩擦副的摩擦表面，在試驗過程中記錄摩擦力矩，測3次取平均值。摩擦因數μ由每次試驗所記錄的摩擦力矩計算得到，公式為

圖1 環塊摩擦磨損試驗示意Fig.1 Schematic of ring block friction and wear test

μ=M/N·R

(1)

式中：M為摩擦力矩，N·cm；N為載荷，取245 N；R為圓環半徑，取2 cm。

試驗結束后，采用讀數顯微鏡測磨痕寬度b，將磨痕近似為光滑規整的圓弧面，石墨磨損率α的計算公式為

(2)

式中：B為試樣寬度，取7 mm；L為滑動距離，取3 024 m。

采用Quanta400F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察摩擦副磨損形貌，采用EDAX型能譜儀(EDS)對磨損表面的微區成分進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數

由圖2可知：SA533鋼與石墨GC1干摩擦時摩擦副的初始摩擦因數(靜摩擦因數)較小，隨著時間的延長，摩擦因數逐漸降低，呈現略微波動變化趨勢，然后趨于平穩；SA533鋼與石墨GC2干摩擦時摩擦副的初始摩擦因數較大，隨著時間的延長，摩擦因數逐漸降低，然后趨于平穩；這是因為鋼表面形成了均勻穩定的石墨轉移膜[9-17]；SA533鋼與石墨GC2干摩擦時，GC2的石墨化度較低而抗壓強度較高，承載能力高，轉移膜穩定，所以其干摩擦因數總體略低。在硼酸溶液中濕摩擦時，SA533鋼與石墨GC1、石墨GC2組成摩擦副的摩擦因數差異不大，并且呈現波動變化趨勢。

圖2 SA533鋼與石墨GC1和石墨GC2組成的摩擦副在干摩擦和硼酸溶液中濕摩擦條件下的摩擦因數曲線Fig.2 Friction coefficient curves of friction pair between SA533 steel and graphite GC1 or graphite GC2 under dry friction condition (a) and wet friction condition in boric acid solution (b)

2.2 磨損率

在干摩擦條件下石墨GC1、石墨GC2的磨損率分別為4.57×10-6,1.42×10-6mm3·N-1·m-1，可見SA533鋼與石墨GC2配副時的磨損率較低。石墨GC1的石墨化度高而抗壓強度較低，在試驗壓應力作用下，石墨在鋼表面易形成轉移膜并且比較容易脫落[11-13]，因此其磨損率較高；石墨GC2的石墨化度較低而抗壓強度較高，承載能力高，轉移膜穩定，因此其磨損率較低。在硼酸溶液中濕摩擦條件下，石墨GC1、石墨GC2的磨損率分別為2.14×10-5,2.50×10-5mm3·N-1·m-1，均高于對應的干摩擦條件下的磨損率，且2組摩擦副的磨損率相差較小。在硼酸溶液中摩擦副的摩擦因數較低，但是石墨的磨損率較大，這是因為石墨在鋼表面難以形成穩定的轉移膜[10]，導致在摩擦磨損試驗過程中鋼表面石墨轉移膜處于形成和脫落的交變過程中，所以其磨損率較高。

2.3 磨損形貌與磨損機制

2.3.1 干摩擦條件

由圖3和圖4可知：SA533鋼與石墨GC1和石墨GC2干摩擦時，鋼表面均存在較均勻石墨轉移膜，并伴有石墨磨屑與微細劃痕，在高倍下石墨轉移膜區域較光滑。通過對比發現，與石墨GC1干摩擦時鋼表面的石墨轉移膜較厚，而與石墨GC1干摩擦時石墨轉移膜較薄。石墨表面可見微細片狀石墨磨屑，可知石墨的磨損機制以磨粒磨損為主；與石墨GC2相比，石墨GC1表面還存在微細劃痕。

圖3 SA533鋼與石墨GC1干摩擦后的表面形貌Fig.3 Surface morphology of SA533 steel (a-b) and graphite GC1 (c-d) after dry friction: (a, c) at low magnificationand (b, d) at high magnification

圖4 SA533鋼與石墨GC2干摩擦后的表面形貌Fig.4 Surface morphology of SA533 steel (a-b) and graphite GC2 (c-d) after dry friction: (a, c) at low magnificationand (b, d) at high magnification

由圖5可以看出：SA533鋼與石墨GC1、石墨GC2干摩擦時，SA533鋼表面的石墨轉移膜區域的碳含量較高，說明在接觸應力下，石墨中的碳轉移至鋼摩擦表面，形成固體潤滑膜；SA533鋼與石墨GC1干摩擦時，石墨轉移膜中碳含量較高，質量分數可達70.72%，說明鋼表面形成的石墨轉移膜較厚，這是由于石墨GC1的石墨化度高，在剪切應力下易形成轉移膜所致，較厚的片狀石墨轉移膜與鋼基體結合不緊密，在干摩擦過程容易脫落，因此石墨的磨損率較大; SA533鋼與石墨GC2干摩擦時，石墨轉移膜區域中碳含量較低，質量分數為57.04%，這是因為石墨GC2的石墨化度較低，在剪切應力下形成的轉移膜較薄[11-13]，與合金鋼基體緊密結合，從而降低了摩擦因數，減少了石墨磨損率。

圖5 SA533鋼與石墨GC1和石墨GC2干摩擦后鋼表面的EDS分析位置以及結果Fig.5 EDS analysis position (a, c) and results (b, d) of SA533 surface after dry friction against graphite GC1 (a-b) and GC2 (c-d)

2.3.2 硼酸溶液中濕摩擦條件

由圖6和圖7可知：SA533鋼與石墨GC1和石墨GC2在硼酸溶液中濕摩擦時，鋼表面局部形成不連續的石墨轉移膜，硼酸溶液的沖刷導致石墨轉移膜碎片化，鋼表面存在微細劃痕，在高倍下石墨轉移膜區域存在微觀脫落的石墨，并伴有微孔；通過對比發現，與石墨GC1濕摩擦時鋼表面局部出現石墨聚集現象，而與石墨GC2濕摩擦時石墨分布較分散。石墨表面存在石墨磨屑，并伴有微孔，可知石墨的磨損機制以磨粒磨損為主；與石墨GC2相比，石墨GC1表面還存在微細劃痕。

圖6 SA533鋼與石墨GC1在硼酸溶液中濕摩擦后的表面形貌Fig.6 Surface morphology of SA533 steel (a-b) and graphite GC1 (c-d) after wet friction in boric acid solution:(a, c) at low magnification and (b, d) at high magnification

圖7 SA533鋼與石墨GC2在硼酸溶液中濕摩擦后的表面形貌Fig.7 Surface morphology of SA533 steel (a-b) and graphite GC2 (c-d) after wet friction in boric acid solution:(a, c) at low magnification and (b, d) at high magnification

由圖8可見，SA533鋼與石墨GC1、石墨GC2在硼酸溶液中配副時，鋼表面的石墨轉移膜區域的碳含量較基體高，在接觸應力下，石墨表面的碳轉移至鋼摩擦表面，形成固體潤滑膜。SA533鋼與石墨GC1配副時，石墨轉移膜中碳含量較高，質量分數可達76.41%，說明石墨轉移膜較厚，這是因為石墨GC1的石墨化度高，在剪切應力下易形成轉移膜; SA533鋼與石墨GC2配副時，石墨轉移膜中的碳含量較低，質量分數為26.61%，說明石墨轉移膜較薄，這是因為石墨GC2的石墨化度較低，在剪切應力下不易形成轉移膜。

圖8 SA533鋼與石墨GC1和石墨GC2在硼酸溶液中濕摩擦后鋼表面的EDS分析位置以及結果Fig.8 EDS analysis position (a, c) and results (b, d) of SA533 surface after wet friction against graphite GC1 (a-b) andGC2 (c-d) in boric acid solution

3 結 論

(1) 干摩擦條件下 SA533合金鋼與石墨化度高且抗壓強度低的石墨GC1配副時，初始摩擦因數小于與石墨化度低且抗壓強度高的石墨GC2配副，在摩擦平穩階段，SA533鋼與石墨GC2配副時的摩擦因數低于與石墨GC1配副；在硼酸溶液中濕摩擦條件下，SA533合金鋼與2種石墨配副時的摩擦因數差異較小，并且呈現波動變化趨勢。

(2) 在干摩擦條件下，SA533鋼與石墨GC2配副時石墨的磨損率低于與石墨GC1配副時石墨的磨損率，在硼酸溶液中濕摩擦條件下的磨損率均高于對應的干摩擦時的磨損率，且2種石墨的磨損率差異較小。

(3) SA533鋼與石墨配副時，鋼表面石墨轉移膜的分布及碳元素含量與石墨強度及石墨化度密切相關，在剪切應力下石墨化度低且抗壓強度高的石墨在SA533鋼表面形成的轉移膜較薄且與鋼基體結合緊密；石墨在干摩擦條件和硼酸溶液中濕摩擦條件下的磨損機制均以磨粒磨損為主。