田洪志，王文東，王 飛

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；2.上海材料研究所，上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

0 引 言

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)是三代核電廠最重要的系統(tǒng)之一。在正常運(yùn)行工況下，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)傳輸反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量為汽輪發(fā)電機(jī)組供應(yīng)飽和蒸汽，在電廠冷卻的第二階段、冷停堆、換料和啟動(dòng)初期與其他余熱一起排出系統(tǒng)共同導(dǎo)出堆芯衰變熱[1]。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主設(shè)備包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵、穩(wěn)壓器和反應(yīng)堆冷卻劑主管道。作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)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(yīng)堆壓力容器、堆芯補(bǔ)水箱底板等，這些關(guān)鍵部件的服役壽命要求60 a[2],且在服役時(shí)存在長期摩擦磨損行為。目前，有關(guān)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(yàn)和平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)方面[3-5]。盤銷式-端面摩擦磨損試驗(yàn)和平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)僅能表征端面滑動(dòng)摩擦行為，而環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)是采用轉(zhuǎn)動(dòng)的圓環(huán)與靜止的長方體組成摩擦副進(jìn)行動(dòng)態(tài)摩擦學(xué)試驗(yàn)，可以表征摩擦副材料的滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦學(xué)性能,對(duì)于預(yù)測(cè)核電滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合運(yùn)動(dòng)部件服役壽命具有指導(dǎo)意義。

石墨具有化學(xué)性能穩(wěn)定、線膨脹系數(shù)小、耐高溫、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能良好、摩擦因數(shù)低、耐輻照等優(yōu)點(diǎn)，常作為一種固體潤滑劑用于核反應(yīng)堆的中子減速劑和結(jié)構(gòu)材料等[6-7]。石墨的石墨化度、抗壓強(qiáng)度及其與摩擦對(duì)偶件的接觸情況和潤滑條件等因素共同影響其摩擦學(xué)性能[8-17]。核電廠中的設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮相互接觸處部件間的摩擦因數(shù)，而摩擦因數(shù)與表面粗糙度、外界環(huán)境、工況載荷、運(yùn)動(dòng)方式等因素有關(guān)。目前，鮮見有關(guān)用環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)研究核級(jí)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(bào)道。為了驗(yàn)證核電產(chǎn)品服役壽命以及事故工況下硼酸溶液冷卻時(shí)核電產(chǎn)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(duì)不同石墨化度和抗壓強(qiáng)度的核級(jí)自潤滑石墨與SA533 Gr.B鋼組成的摩擦副進(jìn)行環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)，研究摩擦副的摩擦磨損性能，并對(duì)其磨損機(jī)制進(jìn)行分析，可為核電設(shè)備的受力分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，具有重要的工程意義和應(yīng)用背景。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料包括舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司提供的調(diào)質(zhì)態(tài)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供的硼酸(分析純)。SA533鋼的硬度為306 HBW，化學(xué)成分見表1。石墨粉經(jīng)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(qiáng)度130 MPa)和石墨GC2(石墨化度60%，抗壓強(qiáng)度230 MPa)。將 SA533鋼加工成尺寸為φ40 mm×φ15.86 mm×10 mm的圓環(huán)試樣，采用磨床加工試樣表面，使其粗糙度Ra達(dá)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(dá)到0.4 μm。塊試樣和圓環(huán)試樣均用丙酮清洗，晾干后使用。

表1 SA533 Gr.B合金鋼的化學(xué)成分

將SA533鋼圓環(huán)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(yàn)機(jī)分別進(jìn)行干摩擦磨損試驗(yàn)和浸沒在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.27%硼酸溶液中的濕摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷為245 N，圓環(huán)旋轉(zhuǎn)線速度為0.42 m·s-1，摩擦試驗(yàn)滑動(dòng)距離為3 024 m，試驗(yàn)環(huán)境溫度為23 ℃左右，相對(duì)濕度為60%左右，具體試驗(yàn)方法如圖1所示。載荷作用于圓環(huán)上并傳遞到摩擦副的摩擦表面，在試驗(yàn)過程中記錄摩擦力矩，測(cè)3次取平均值。摩擦因數(shù)μ由每次試驗(yàn)所記錄的摩擦力矩計(jì)算得到，公式為

圖1 環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)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(huán)半徑，取2 cm。

試驗(yàn)結(jié)束后，采用讀數(shù)顯微鏡測(cè)磨痕寬度b，將磨痕近似為光滑規(guī)整的圓弧面，石墨磨損率α的計(jì)算公式為

(2)

式中：B為試樣寬度，取7 mm；L為滑動(dòng)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(duì)磨損表面的微區(qū)成分進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

由圖2可知：SA533鋼與石墨GC1干摩擦?xí)r摩擦副的初始摩擦因數(shù)(靜摩擦因數(shù))較小，隨著時(shí)間的延長，摩擦因數(shù)逐漸降低，呈現(xiàn)略微波動(dòng)變化趨勢(shì)，然后趨于平穩(wěn)；SA533鋼與石墨GC2干摩擦?xí)r摩擦副的初始摩擦因數(shù)較大，隨著時(shí)間的延長，摩擦因數(shù)逐漸降低，然后趨于平穩(wěn)；這是因?yàn)殇摫砻嫘纬闪司鶆蚍€(wěn)定的石墨轉(zhuǎn)移膜[9-17]；SA533鋼與石墨GC2干摩擦?xí)r，GC2的石墨化度較低而抗壓強(qiáng)度較高，承載能力高，轉(zhuǎn)移膜穩(wěn)定，所以其干摩擦因數(shù)總體略低。在硼酸溶液中濕摩擦?xí)r，SA533鋼與石墨GC1、石墨GC2組成摩擦副的摩擦因數(shù)差異不大，并且呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)。

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(shù)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(shí)的磨損率較低。石墨GC1的石墨化度高而抗壓強(qiáng)度較低，在試驗(yàn)壓應(yīng)力作用下，石墨在鋼表面易形成轉(zhuǎn)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(qiáng)度較高，承載能力高，轉(zhuǎn)移膜穩(wěn)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(duì)應(yīng)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(shù)較低，但是石墨的磨損率較大，這是因?yàn)槭阡摫砻骐y以形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜[10]，導(dǎo)致在摩擦磨損試驗(yàn)過程中鋼表面石墨轉(zhuǎn)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(jī)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?xí)r，鋼表面均存在較均勻石墨轉(zhuǎn)移膜，并伴有石墨磨屑與微細(xì)劃痕，在高倍下石墨轉(zhuǎn)移膜區(qū)域較光滑。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與石墨GC1干摩擦?xí)r鋼表面的石墨轉(zhuǎn)移膜較厚，而與石墨GC1干摩擦?xí)r石墨轉(zhuǎn)移膜較薄。石墨表面可見微細(xì)片狀石墨磨屑，可知石墨的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主；與石墨GC2相比，石墨GC1表面還存在微細(xì)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?xí)r，SA533鋼表面的石墨轉(zhuǎn)移膜區(qū)域的碳含量較高，說明在接觸應(yīng)力下，石墨中的碳轉(zhuǎn)移至鋼摩擦表面，形成固體潤滑膜；SA533鋼與石墨GC1干摩擦?xí)r，石墨轉(zhuǎn)移膜中碳含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)70.72%，說明鋼表面形成的石墨轉(zhuǎn)移膜較厚，這是由于石墨GC1的石墨化度高，在剪切應(yīng)力下易形成轉(zhuǎn)移膜所致，較厚的片狀石墨轉(zhuǎn)移膜與鋼基體結(jié)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?xí)r，石墨轉(zhuǎn)移膜區(qū)域中碳含量較低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.04%，這是因?yàn)槭獹C2的石墨化度較低，在剪切應(yīng)力下形成的轉(zhuǎn)移膜較薄[11-13]，與合金鋼基體緊密結(jié)合，從而降低了摩擦因數(shù)，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(jié)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?xí)r，鋼表面局部形成不連續(xù)的石墨轉(zhuǎn)移膜，硼酸溶液的沖刷導(dǎo)致石墨轉(zhuǎn)移膜碎片化，鋼表面存在微細(xì)劃痕，在高倍下石墨轉(zhuǎn)移膜區(qū)域存在微觀脫落的石墨，并伴有微孔；通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與石墨GC1濕摩擦?xí)r鋼表面局部出現(xiàn)石墨聚集現(xiàn)象，而與石墨GC2濕摩擦?xí)r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(jī)制以磨粒磨損為主；與石墨GC2相比，石墨GC1表面還存在微細(xì)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(shí)，鋼表面的石墨轉(zhuǎn)移膜區(qū)域的碳含量較基體高，在接觸應(yīng)力下，石墨表面的碳轉(zhuǎn)移至鋼摩擦表面，形成固體潤滑膜。SA533鋼與石墨GC1配副時(shí)，石墨轉(zhuǎn)移膜中碳含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)76.41%，說明石墨轉(zhuǎn)移膜較厚，這是因?yàn)槭獹C1的石墨化度高，在剪切應(yīng)力下易形成轉(zhuǎn)移膜; SA533鋼與石墨GC2配副時(shí)，石墨轉(zhuǎn)移膜中的碳含量較低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.61%，說明石墨轉(zhuǎn)移膜較薄，這是因?yàn)槭獹C2的石墨化度較低，在剪切應(yīng)力下不易形成轉(zhuǎn)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(jié)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(jié) 論

(1) 干摩擦條件下 SA533合金鋼與石墨化度高且抗壓強(qiáng)度低的石墨GC1配副時(shí)，初始摩擦因數(shù)小于與石墨化度低且抗壓強(qiáng)度高的石墨GC2配副，在摩擦平穩(wěn)階段，SA533鋼與石墨GC2配副時(shí)的摩擦因數(shù)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(shí)的摩擦因數(shù)差異較小，并且呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)。

(2) 在干摩擦條件下，SA533鋼與石墨GC2配副時(shí)石墨的磨損率低于與石墨GC1配副時(shí)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(duì)應(yīng)的干摩擦?xí)r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(shí)，鋼表面石墨轉(zhuǎn)移膜的分布及碳元素含量與石墨強(qiáng)度及石墨化度密切相關(guān)，在剪切應(yīng)力下石墨化度低且抗壓強(qiáng)度高的石墨在SA533鋼表面形成的轉(zhuǎn)移膜較薄且與鋼基體結(jié)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(jī)制均以磨粒磨損為主。