分享：石墨端面的摩擦磨损性能研究进展

• 王文东1, 2, , 
 
• 黄江楠1, 3

• 1.

  上海材料研究所机构有限公司，上海 200437

• 2.

  上海市工程材料应用与评价重点实验室，上海 200437

• 3.

  上海第二工业大学机构 能源与材料工程学院，上海 201209

石墨材料具有高强度、耐高温、导电导热性能优异、自润滑性好，以及热膨胀系数低等特性。其独特的层状六方晶体结构由平行层叠的平面六角网面构成，层间通过较弱的范德华力结合。在晶体结构中，同一平面内的碳原子以紧密的共价键联结，表现出较高的结构稳定性；而如果层间距较大且范德华力较弱，在剪切力的作用下容易发生层间滑移，这一结构特征赋予了石墨优异的自润滑性能。 

在航空航天、核电、石油化工、冶金、电力等行业的大型特种机械设备中，普遍存在高温、高压和贫油等恶劣工况条件。在此类环境下，金属-金属摩擦副极易发生干摩擦现象，引起疲劳磨损、黏着磨损和磨粒磨损等，不仅显著缩短了设备的服役寿命，更可能危及设备的安全运行和人员安全。为解决这一问题，工程实践中通常采用金属-固体润滑材料摩擦副来替代传统的金属-金属摩擦副。石墨作为典型的固体润滑材料，在与金属对磨时能在接触表面形成转移膜，表现出较低的摩擦因数和可控的磨损率。为系统研究石墨与金属的摩擦磨损性能，端面摩擦磨损试验是最常用的评价方法。 

笔者采用面-面接触和点-面接触两种摩擦副结构形式，对不同材料摩擦副在多种载荷、速度及润滑介质条件下开展系统性试验。该试验方法能够为材料摩擦学性能研究提供可靠的试验数据支撑，同时为苛刻工况条件下匹配摩擦副材料的工程化应用研发提供技术支持。 

1.   端面摩擦磨损试验原理

端面摩擦磨损试验主要采用面-面接触和点-面接触两种摩擦副结构形式。其中，面-面摩擦副包括环-环、销-盘和环-盘三种典型结构（见图1），其接触特性与机械端面密封等工程化产品的实际工况高度吻合，试验结果具有重要的工程应用价值。点-面摩擦副通常采用球-盘结构，由于初始接触面积较小，在试验过程中，接触区域会逐渐演变为微小的弧面，导致摩擦磨损数据波动较大，故其仅适用于低载荷工况条件下的性能评估。目前，该领域主要参照ASTM D3702-94(2014) 《使用止推垫圈试验机测定自润滑摩擦接触材料磨损率和摩擦因数的标准试验方法》开展标准化测试。 

图  1  端面摩擦磨损试验摩擦副工作原理示意

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端面摩擦磨损试验采用面-面和点-面两种摩擦副结构，重点研究石墨材料在不同润滑环境（干摩擦、水润滑及油润滑）下的摩擦学行为。石墨的摩擦学特性直接影响大型设备的密封性能和使用寿命。笔者对比分析了干摩擦条件下载荷、转速及表面处理工艺对摩擦因数和转移膜稳定性的影响规律；同时分析了水润滑和油润滑系统中润滑介质对摩擦界面磨损行为的抑制机制。 

2.   石墨端面的摩擦磨损

2.1   干摩擦

干摩擦是无润滑条件下材料接触界面的典型摩擦形式，其摩擦学特性直接影响机械密封和轴承等关键部件的服役性能与使用寿命。对石墨基材料与金属/陶瓷配副的干摩擦行为进行研究时，通常采用环-环、销-盘及环-盘等标准试验结构，系统考察工况参数（包括载荷、转速和温度等）与转移膜形成机制的协同作用对摩擦因数和磨损率的影响规律。 

李彬彬等[1]采用盘销式摩擦磨损试验机，以钢环与石墨环（GP1和GP2型）组成摩擦副，在干摩擦条件下开展了环-环端面摩擦磨损试验。结果表明：GP1型高纯石墨在载荷为500，1 000 N和转速为50，100 r/min条件下均表现出稳定的摩擦学性能，摩擦因数始终低于0.2且比磨损率较低；而GP2型浸树脂石墨低转速时的摩擦因数和比磨损率较低，但高转速时的摩擦因数波动明显，并因交变应力作用产生磨粒磨损及掉块破碎现象。转移膜分析显示，GP1型石墨在钢环表面形成的转移膜均匀稳定（见图2），GP2型石墨则受工况影响显著，高载荷、高转速时的转移膜不稳定（见图3）。两种石墨环与钢环的磨损机制均以磨粒磨损为主。 

图  2  GP1型高纯石墨在钢环表面摩擦形成的转移膜[1]

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图  3  GP2型浸树脂石墨在钢环表面摩擦形成的转移膜[1]

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胡文颖等[2]采用摩擦磨损试验仪，以浸渍磷酸盐石墨（M234Ao）盘与9Cr18Mo不锈钢球/销组成摩擦副，开展了球-盘（点-面）和销-盘（面-面）两种接触形式的摩擦磨损对比试验。在干摩擦条件下，分别考察了35，70 N两种载荷和500，1 500 r/min两种转速工况。结果表明：点-面接触时，摩擦因数呈现快速上升后趋于稳定的变化特征，稳定阶段摩擦因数为0.21，磨损率达4.88 μm/m；面-面接触在转速为500 r/min、载荷为35 N时，摩擦因数保持平稳，值为0.16，磨损率为1.7 μm/m，而在转速为1 500 r/min、载荷为70 N的工况下，摩擦因数表现为先快速上升后小幅波动，最终摩擦因数稳定在0.17，磨损率降至0.42 μm/m。对比分析发现，面-面接触的摩擦因数和磨损率均显著低于点-面接触形式。对材料的微观形貌进行观察，发现磨损机制主要表现为磨粒磨损和黏着磨损的复合形式，并伴随明显的犁沟、微裂纹及擦伤等特征。 

胡亚非等[3]采用立式万能摩擦磨损试验机，以浸渍树脂石墨（KC573和T153K型）分别与淬火45号钢及硬质合金WC组成摩擦副，开展了销-盘端面摩擦磨损试验。在转速为500 r/min、载荷分别为11.05 MPa和33.15 MPa干摩擦条件下，摩擦因数均呈现先下降后稳定的变化趋势，其中石墨与45号钢配副在11.05 MPa载荷下的稳态摩擦因数为0.13，而石墨与WC配副在33.15 MPa载荷下的稳态摩擦因数降至0.11；经100 h摩擦试验后，KC573和T153K石墨的最大磨损量分别为11 μm和3 μm，表明石墨与硬质合金WC组成的摩擦副具有更优异的综合摩擦磨损性能。 

王天瑞等[4]采用环-盘式摩擦磨损试验机，以石墨动环与碳化硅（SiC）静盘组成摩擦副，在200 N恒定载荷、100~300 r/min变速条件下开展干摩擦试验。结果表明：摩擦因数随转速的提升呈下降趋势，最小值可达0.06；磨损量则随转速的增大而增大，最大值为3.1 mg；同时，摩擦温升与转速呈正相关关系，最高温升达12.3 ℃。微观分析显示，石墨在SiC表面形成的转移膜是改善摩擦性能的关键因素，该转移膜有效减小了摩擦副的摩擦因数和磨损量。 

ZHAO等[5]对浸渍石墨材料在高温高负荷工况下的摩擦学性能进行了系统研究。结果表明：金属浸渍石墨复合材料在350 °C高温环境下表现出优异的摩擦性能，其摩擦因数较非浸渍石墨减小约20%，且承载能力显著提升至350 MPa以上；树脂浸渍石墨的摩擦学性能虽优于非浸渍石墨，但极端工况下两者的摩擦因数均呈现不稳定的趋势。通过对比分析发现，金属浸渍和树脂浸渍工艺可分别使石墨材料的磨损深度减少60%和80%，这主要归因于浸渍处理不仅提高了石墨基体的硬度，更有效促进了摩擦界面石墨转移膜的形成与稳定。 

张天昊等[6]采用微机控制高温端面摩擦磨损试验机，以浸渍树脂石墨MAT4000分别与SiC及其类金刚石（DLC）涂层动环（表面粗糙度为0.005 μm）组成摩擦副，在干摩擦条件下开展了环-环端面摩擦试验。试验考察了载荷为0.2~0.5 MPa和转速为80~140 r/min时的摩擦性能。结果表明：对于石墨-DLC涂层摩擦副，摩擦因数随转速的增大略有增大，最低稳态摩擦因数为0.12，对应磨损率为1 mm3/h；随着载荷的增大，摩擦因数同样呈现轻微上升的趋势，最低稳态摩擦因数为0.11，对应磨损率为1.4 mm3/h；与无涂层SiC相比，DLC涂层使摩擦因数减小了43.9%，磨损率降低67.53%；微观形貌分析显示，与DLC涂层配副的石墨表面更光滑，表现出更优异的减摩和耐磨性能。 

李庆展等[7]采用多功能摩擦测试系统，以石墨M120D和M120K分别与18Cr2Ni4WA合金钢及其Al2O3、Cr2O3陶瓷喷涂静环组成摩擦副，在载荷为40~200 N、转速为400~2 000 r/min时开展干摩擦条件下的环-环端面摩擦试验。结果表明：Al2O3陶瓷喷涂使M120K石墨的摩擦因数降至未处理18Cr2Ni4WA钢的24.91%~46.46%，M120D石墨的摩擦因数降至39.39%~70.39%；在Al2O3喷涂表面，M120K的摩擦因数为M120D的54.88%~61.66%，在Cr2O3喷涂表面，其摩擦因数为M120D的48.05%~55.96%；18Cr2Ni4WA合金钢经陶瓷喷涂后表面硬度显著提高，有效改善了摩擦副的抗磨损性能，表现为磨损程度减轻和摩擦性能提升。 

李振涛等[8]采用多功能摩擦磨损试验机，以石墨M181D和M180K分别与9Cr18不锈钢动环组成环-环摩擦副，在恒定载荷为150 N、转速为500~2 500 r/min条件下开展了干摩擦试验。结果表明：随着转速的升高，两种石墨材料的摩擦因数均呈下降趋势，其中M181D石墨表现出更优异的减摩性能，其摩擦因数为0.168~0.116，显著低于M180K石墨的0.197~0.136；M181D石墨磨损表面更为光滑平整，这与其较小的摩擦因数相吻合。 

刘益江[9]采用球盘摩擦磨损试验机，以石墨盘（M106、M106D、M106K）与钢球组成摩擦副，在载荷为20~140 N、往复行程为2 mm及滑动频率为10 Hz条件下开展了干摩擦试验。结果表明：金属浸渍石墨M106D和树脂浸渍石墨M106K的平均摩擦因数分别为0.165和0.183，表现出稳定的摩擦特性，而随着试验时间的延长，非浸渍石墨M106的摩擦因数从0.187增大至0.225；在载荷小于60 N时，摩擦因数随载荷的增大而减小，最小值为0.16，且浸渍石墨的磨损量显著低于非浸渍石墨；当载荷超过100 N时，M106和M106K石墨出现破碎现象，而M106D石墨的摩擦因数仍能保持稳定，其在100 N和140 N载荷下的稳态摩擦因数分别为0.17和0.26。 

郑娆等[10]采用多功能摩擦磨损试验机，以石墨环（M106D、M106K）与38CrMoAlA合金钢及其Cr2O3、Al2O3喷涂环组成摩擦副，在载荷为40~200 N和速率为1.93~9.63 m/s条件下开展了干摩擦试验。结果表明：在160 N恒定载荷下，摩擦因数随速率的增加呈减小趋势，其中Cr2O3和Al2O3喷涂表面的摩擦性能显著优于未处理表面（未喷涂38CrMoAlA与M106D、M106K的最小摩擦因数分别为0.13和0.16，而喷涂后最小值为0.09；表面喷涂处理使石墨的磨损量显著降低，特别是M106D石墨与Al2O3喷涂38CrMoAlA配副时的磨损量最低仅为0.01 mm；Cr2O3和Al2O3陶瓷喷涂可同步改善摩擦副的减摩和耐磨性能，有效降低石墨材料的摩擦因数和磨损量。 

倪成良等[11-13]采用摩擦磨损试验机系统研究了3种石墨材料与不同表面粗糙度（0.03，0.10，0.20 μm）不锈钢动盘组成的销-盘摩擦副在干摩擦条件下的摩擦特性。端面比压为0.88~2.65 MPa、转速为250~750 r/min。结果表明：当端面比压为2.65 MPa、转速为750 r/min、不锈钢盘表面粗糙度为0.2 μm时，1号石墨表现出最优异的摩擦性能，其摩擦因数最小，值为0.16，磨损率最小；而2号石墨在端面比压为2.65 MPa、转速为500 r/min、表面粗糙度为0.03 μm条件下的摩擦因数最大，值为0.27，在端面比压为1.77 MPa、转速为250 r/min、表面粗糙度为0.2 μm时的磨损率达到峰值3.38×10−5 mm/(N·m)。 

王晓虎[14]采用高温摩擦磨损试验机，以锥形石墨销与9Cr18不锈钢盘组成摩擦副，在恒定载荷为20 N、转速为2 600 r/min及温度为50~200 ℃条件下开展了干摩擦试验。结果表明：摩擦因数随温度的变化呈现先增大后减小，并最终趋于稳定的变化趋势，在温度为50，100，150，200 ℃时的平均摩擦因数分别为0.17，0.15，0.12，0.13，其中150 ℃时达到最小值；磨损量随温度的升高而增大，50 ℃时磨损量最小，值为0.2 g；石墨9Cr18不锈钢摩擦副在温度为150~200 ℃表现出最优的综合摩擦磨损性能。 

朱振国等[15]采用立式万能摩擦磨损试验机，以5种石墨材料（SMF650、M265、IPG、M2635K、M209G）与45号钢组成销-盘摩擦副，在恒定载荷为8 MPa、速率为0.5 m/s条件下开展了120 min的干摩擦试验。结果表明：M265石墨的摩擦因数最大，值为0.30，高石墨化度SMF650的摩擦因数为0.19，而石墨复合材料M209G的摩擦因数最小，值为0.165；SMF650的磨损率最大，值为1.55×10−6 mm3/(N·m)，特种炭石墨IPG（各向同性热解石墨）和两种复合材料（M2635K、M209G）的磨损率均小于1.0×10−6 mm3/(N·m)，其中M209G表现出最优异的耐磨性，磨损率为0.24×10−6 mm3/(N·m)，仅为SMF650磨损率的1/6；传统炭石墨材料因无法形成稳定的转移膜，会导致高磨损率，而复合材料通过第二相强化作用可形成稳定的摩擦膜和转移膜，从而兼具低摩擦因数和高耐磨性。 

孙家鹏[16]采用专用机械密封材料试验台，以石墨环（M120、M120K、M120H、M120B、M120D）与硬质合金YG6盘组成摩擦副，在载荷为100~300 N、转速为30~110 r/min及温度为－60~60 ℃时开展了大气和真空环境下的摩擦磨损试验。结果表明：M120B、M120H、M120D、M120K与YG6配副时，摩擦因数随转速的增大而减小，随载荷的增大而增大，随真空度的降低而减小，温度影响相对较小；高真空条件下，M120/YG6的摩擦因数显著大于大气环境；M120B表面最平整光滑，M120D和M120H以黏着磨损为主并形成石墨膜，M120黏着磨损严重，并伴有材料撕裂，M120K呈现深犁沟和石墨膜共存特征；M120K/YG6在－20 ℃高真空环境下的摩擦因数突然增大，不适用于低温真空工况；而M120B/YG6在各种工况下均保持最小的摩擦因数，是高真空干摩擦机械密封的理想选择。 

陈科[17]采用专用干摩擦机械密封试验系统，以石墨与碳化钨组成环-环摩擦副，在气压为1~7 MPa和转速为5~50 r/min条件下开展大气环境下的摩擦磨损试验。结果表明：随着气压的升高，不同转速下的气体泄漏量均显著降低；经过200 h试验后，石墨材料的最小磨损量仅为0.087 5 mm；石墨-WC摩擦副的主要磨损形式为磨粒磨损，其特征表现为明显的犁沟形貌。 

隋敏等[18]采用立式万能摩擦磨损试验机，以浸渍锑石墨（KC6709、T163D）与45号钢环组成销-盘摩擦副，在端面比压为11.05~22.10 MPa和转速为500 r/min条件下开展了干摩擦试验。结果表明：当端面比压为16.58 MPa时，摩擦因数在初始阶段（0~500 s）波动较大，随后趋于稳定，两种石墨的稳态摩擦因数均约为0.086；在端面比压为11.05 MPa时，KC6709和T163D石墨的磨损量分别达到最小值0.000 10 g和0.000 03 g；石墨在45号钢表面形成的转移膜是改善摩擦性能的关键因素，摩擦后期主要表现为石墨与转移膜之间的相互作用，从而获得较小的摩擦因数和磨损率。 

采用端面摩擦磨损试验研究石墨的干摩擦磨损性能，可以对各种石墨、不同金属或者陶瓷材料在不同载荷、速度、表面状态、结构等条件下进行摩擦磨损对比试验，优选出匹配的摩擦副，摩擦因数小，磨损量小，满足高端装备高温高压无油润滑工况的工程化需要。 

2.2   水润滑

在水润滑条件下，水分子能够在摩擦界面形成稳定的流体润滑膜，有效隔离摩擦副的直接接触，从而显著降低摩擦系数和磨损率[19]。研究表明，水润滑不仅能够改善端面摩擦副的摩擦性能，其优异的导热性能还可及时耗散摩擦热量，维持系统的热稳定性。 

胡亚非等[3]采用机械密封性能试验台，以石墨-硬质合金WC为摩擦副，在0.5 MPa压力和3 000 r/min转速条件下开展了100 h的清水环境摩擦磨损试验。结果表明：初始阶段（0~15 min），摩擦因数由最大静摩擦因数逐渐降低，此阶段石墨表面快速吸附水蒸气及杂质原子，形成不完整的润滑膜，导致润滑性能较差，磨损较为严重；过渡阶段（15~30 min），WC表面形成均匀完整的润滑膜，磨损量显著减小，摩擦因数趋于稳定；稳态阶段（30 min后），在摩擦热作用下发生润滑膜动态平衡过程——原有润滑膜解吸与新润滑膜重构同步进行，使摩擦因数保持平稳或呈现微小波动。该研究揭示了水润滑条件下石墨-WC摩擦副的摩擦学行为演变规律，为水润滑机械密封设计提供了理论依据。 

ZHAO等[20]系统研究了水润滑及高PV值工况下不同摩擦副的摩擦性能差异。结果表明：铜基石墨销与铜铬合金盘组成的摩擦副表现出最大的摩擦因数差异，同时伴随严重的销钉磨损问题；对比分析铜铬合金、S07钢、氧化铝陶瓷涂层及镍基氟化钙等材料发现，DLC在水润滑条件下具有最优异的减摩性能；基于其低摩擦特性和耐磨性，DLC薄膜被视为水润滑密封件的理想选择。 

周跃杰等[21]采用电液伺服PV摩擦试验机，以浸渍呋喃树脂石墨与SiC组成环-环摩擦副，通过改变石墨端面的宽度（2.5~4.5 mm）和转速（3 000~6 000 r/min），在清水环境中系统研究了摩擦副的PV值特性。结果表明：PV值随石墨端面宽度的增大而降低，这是由于较宽的摩擦面导致热量积聚，加速了界面水膜的汽化；摩擦因数随端面比压的增大呈减小趋势，但在达到极限值时会出现突然增大的情况；初始阶段，因粗糙表面凸峰接触，会产生高摩擦因数；运行过程中，凸峰磨平及流体膜的形成使摩擦因数减小。 

赵星宇等[22]采用Falex-1506摩擦磨损试验机，以不同碳化硅材料（WNV2、CHV1、R、R2）和石墨（MSMG）组成摩擦副，在接触压力为0.5~2.80 MPa和转速为1 000~3 400 r/min条件下开展了去离子水环境下的摩擦磨损试验。结果表明：碳化硅和石墨材料具有多孔特性，能够储存润滑介质，所有配副的摩擦因数均随载荷的增大而减小，最小值为0.04；虽然滑动速率变化会引起温度波动，但碳化硅和石墨在较宽的温度范围内保持稳定的力学性能，因此摩擦因数基本不受速率变化的影响。 

罗斌等[23]采用多功能摩擦试验机，以浸渍型石墨（巴氏合金、环氧树脂、青铜）与2Cr13合金及其表面改性材料（硬质合金喷涂、陶瓷喷涂）组成环-环摩擦副，在0.56~0.96 MPa接触压力和1 800~2 600 r/min转速条件下开展了清水环境摩擦磨损试验。结果表明：2Cr13硬质合金喷涂/浸巴氏合金石墨和2Cr13陶瓷喷涂/浸巴氏合金石墨两组配副表现出最优异的密封性能，最小磨损率仅为0.000 089 mm/h；在水润滑作用下，各摩擦副的稳态摩擦因数趋于一致（0.01~0.04）；2Cr13陶瓷喷涂与浸巴氏合金石墨配副具有最佳的综合性能，特别适合作为潜艇尾轴密封材料。 

曾涛等[24]采用双支承悬臂梁双端面专用机械密封摩擦磨损试验机进行环-环端面摩擦试验，以浸呋喃树脂石墨、浸铜石墨、浸玻璃石墨和聚四氟乙烯复合材料分别与WC-NiP合金组成摩擦副，试验在水环境中开展，设定接触压力为0.115~0.165 MPa，转速为1 200~2 500 r/min。结果表明：在转速恒定时，随着端面比压的增大，摩擦因数减小，且随着载荷的增大，摩擦因数减小速率变慢；在端面比压恒定时，随着转速的增大，与浸呋喃树脂石墨配对的摩擦因数增大，当转速增至2 500 r/min后，摩擦因数开始减小；而与其他3种材料配对时，摩擦因数均随转速的加快而增大，且在WC-NiP合金动环上可观察到石墨和聚四氟乙烯有明显黏着痕迹，用水冲洗动环时可见细小粉粒。WC-NiP合金与浸呋喃树脂石墨配对时，以黏着磨损为主；浸铜石墨、浸玻璃石墨则以磨粒磨损为主，其中与浸呋喃树脂石墨对摩时的摩擦因数最小。尽管玻璃的硬度大于铜，但玻璃属于脆性材料，抗黏着能力较强，更易产生磨粒磨损；而浸铜石墨中的铜表面易形成氧化膜，因此浸铜石墨的摩擦因数反而比浸玻璃石墨更小。 

刘志国等[25]采用专用机械密封摩擦磨损试验装置，以石墨M204H与WC组成环-环摩擦副，在压力为0~5.0 MPa、转速为0~6 000 r/min条件下开展了清水环境下的摩擦磨损试验。结果表明：通过热套钢圈强化石墨静环的刚性后，在保持密封平衡度不变的情况下，密封工作压力从2 MPa提升至4.5 MPa，PV值由26 MPa·m/s显著提高到58.5 MPa·m/s，液膜反压系数从0.2增大至0.5；同时，WC-石墨摩擦副在极限负荷范围内的平均摩擦因数稳定保持为0.058 2。 

通过端面摩擦磨损试验研究石墨材料的水润滑性能，可以系统考察不同石墨与金属或陶瓷材料在各种工况条件下的摩擦磨损特性。该方法能够对比分析不同载荷、速度、水质环境和表面状态对摩擦副性能的影响，从而优选出摩擦因数小、磨损量小的最佳材料组合。研究成果可为海洋工程装备和石化设备中的水润滑摩擦副设计提供重要依据，满足高温高压等严苛工况下的工程应用需求。 

2.3   油润滑

在机械摩擦系统中，水润滑与油润滑虽然具有相似的减摩机制——通过形成润滑膜隔离摩擦副直接接触来提高耐磨性，但其性能表现存在显著差异。水润滑在高温高压工况下存在润滑膜持久性不足的缺陷，需要频繁补充；而油润滑则能保持更稳定的润滑性能，具有更长的使用寿命，这是因为润滑油膜能在摩擦界面形成更为致密和稳定的物理隔离层，不仅能有效减小摩擦因数，还能显著提升摩擦副的整体耐磨性能，这一特性使其在苛刻工况下展现出明显的优势。 

胡文颖等[2]采用摩擦磨损测试仪进行球-盘、销-盘端面摩擦试验，以浸渍磷酸盐石墨（M234Ao）与9Cr18Mo不锈钢组成摩擦副；试验在油润滑环境中进行，设定载荷分别为35，70 N，转速分别为500，1 500 r/min。结果表明：在点-面接触的油润滑条件下，前期摩擦因数为0.06，运行至1 000 s左右时摩擦因数快速增大至0.23，此时润滑油已失去作用，润滑油膜发生破裂，接触面转变为干摩擦状态；在面-面接触的油润滑条件下，低速轻载时的摩擦因数较小，保持在0.08左右，不锈钢摩擦表面可见较薄的石墨转移膜，而高速高载时，后期摩擦因数快速增大至0.17，接触面随之转变为干摩擦，此时不锈钢摩擦表面可见大量片状石墨磨屑，磨损机制为磨粒磨损（见图4）。 

图  4  不同工况下不锈钢试件表面微观形貌[2]

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李振涛[8]等采用单端面专用机械密封摩擦磨损试验机进行环-环端面摩擦试验，以浸呋喃树脂石墨M180K、浸锑石墨M180D分别与9Cr18不锈钢动环组成摩擦副，在航空燃油润滑条件下开展摩擦磨损试验，设定载荷分别为90，150，210，270，330 N，转速为500~2 500 r/min。结果表明：在航空燃油润滑工况下，在一定范围内提高PV值有助于减小石墨的摩擦因数，其摩擦因数均小于0.12，最小值为0.098，但随着载荷的增大，摩擦扭矩也会增大；而在较大载荷条件下，增大线速度有助于减小摩擦扭矩；在相同PV值和摩擦状态下，浸锑石墨的摩擦因数显著小于浸呋喃树脂石墨，且其表面磨损程度轻微；相比之下，浸锑石墨的耐磨性更优异，更适用于高PV值工况。 

彭旭东等[26]采用单端面专用机械密封摩擦磨损试验机进行环-环端面摩擦试验，以浸树脂石墨、普通石墨分别与钼合金、碳化硅动环组成摩擦副，在15号航空液压油润滑条件下开展摩擦磨损试验，设定载荷为1.4 MPa，转速为6 000~10 000 r/min。结果表明：随着转速的升高，端面温度逐渐上升，在10 000 r/min时端面温度最高达67.5 ℃，这是由于随着转速的加快，液压油来不及将摩擦热量从摩擦面导出；碳化硅与浸树脂石墨摩擦时的端面温度低于钼合金与浸树脂石墨摩擦时的温度；浸树脂石墨与碳化硅摩擦时的端面温度则低于普通石墨与碳化硅摩擦时的温度。 

刘士国等[27]采用高速端面摩擦磨损试验机进行环-环端面摩擦试验，以碳石墨、石墨填充聚四氟乙烯、SiC分别与硬质合金YG8环组成密封副，在32号液压油润滑条件下开展摩擦磨损试验，设定载荷分别为200，400，600，800 N，转速为1 000~4 000 r/min。结果表明：SiC与YG8组成密封副时的磨损量最小，为0.001 g，摩擦因数最大，值为0.091 83；碳石墨与YG8组成密封副时的磨损量最大，值为0.052 g，摩擦因数最小，值为0.020 73；石墨填充聚四氟乙烯与YG8组成密封副时具有较小的磨损量（0.001 g）和较小的摩擦因数（0.035 40）。机械密封端面的摩擦特性取决于动静环摩擦副材料和摩擦磨损条件，包括端面载荷、滑动速率及润滑介质性质等因素，因此需要综合评定润滑介质条件下机械密封的端面摩擦特性。 

胡文颖等[28]采用多功能摩擦磨损试验机进行球-盘端面摩擦试验，以石墨M234和浸渍磷酸盐石墨M234Ao分别与9Cr18Mo不锈钢组成密封副，试验在油润滑条件下开展，设定载荷为35 N，转速为500 r/min。结果表明：材料、PV值、润滑条件对石墨材料的磨损行为具有显著影响，M234比M234Ao具有更好的耐磨性能；增大PV值会导致石墨的磨损更严重；油润滑比干摩擦更有利于减小石墨材料的磨损深度，最大磨损深度减小约28.5%。在油润滑条件下，摩擦表面的油膜可减小摩擦力，流动的润滑油能带走摩擦产生的热量和磨屑，还可隔绝氧气以减缓氧化，从而减轻磨损程度。 

邓天元等[29]采用专用摩擦磨损试验台进行环-环端面摩擦试验，以渗硅石墨、浸铜石墨和碳石墨分别与司太立合金组成密封副，其中摩擦接触宽度为4 mm，摩擦副平均直径为66 mm，试验在20号润滑油条件下开展，设定端面比压为31，60.5 MPa，转速为170，270 r/min。结果表明：当面比压为31 MPa时，渗硅石墨和浸铜石墨与司太立合金对摩的平均磨损速度最小，为0.4×10−3 mm/h；当转速为170 r/min且两腔体密封压力分别为10.3 MPa和6 MPa 时，经过850 h试验后，石墨与司太立合金密封副的平均磨损速度最小，为 0.2×10−3 mm/h，摩擦因数最小，值为0.015。 

采用端面摩擦磨损试验研究石墨的油润滑摩擦磨损性能时，可在不同载荷、速度、油润滑条件、表面状态及结构等参数下，对各种石墨、不同金属或陶瓷材料开展摩擦磨损对比试验，从而优选出摩擦因数小、磨损量小的匹配摩擦副，以满足高端装备在高温高压油润滑工况下的工程化需求。 

3.   结语

端面摩擦磨损试验是一种主要的摩擦磨损试验方法。采用该试验研究石墨的摩擦磨损性能时，可针对各种石墨与不同金属或陶瓷材料，在不同载荷、速度、润滑条件、表面状态及结构等参数下开展摩擦磨损对比试验，进而优选出摩擦因数小、磨损量低的匹配摩擦副，以满足高端装备在高温高压、无油润滑（干摩擦）、水润滑、油润滑等工况下的工程化需求。 

石墨材料具有较高的强度、耐高温、自润滑等优异特性，通过等静压和浸渍等工艺处理，可进一步提升其力学性能及摩擦磨损等综合性能。采用端面摩擦磨损试验研究石墨的摩擦磨损性能，能够为苛刻工况条件下匹配摩擦副材料的研制及工程化应用提供可靠的技术支撑，为我国机械基础零部件的发展提供保障，对我国重大装备制造和智能生产线建设具有重要意义。