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0 前言
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密封技术是影响航空发动机性能和寿命的重要因素,通过采用先进的密封技术可以提高涡轮效率, 降低发动机耗油率,改善发动机性能[1-3]。石墨密封是利用密封石墨环与转子相接触来达到密封的目的,主要用在发动机轴承腔和辅助装置处;石墨材料由于密封性好、寿命长,尤其在高温、高压、高转速的极端工况条件下仍能保证可靠的密封性能,因此是一种理想的密封材料[4-5]。传统的石墨材料通常具有较高的气孔率,气密性差;同时大量气孔的存在使其机械强度严重下降, 故难以直接用作密封材料[6]。通过改进制备工艺可以获得一系列密封石墨材料,现在应用较多的主要有浸渍增强石墨材料[7-8]和各向同性石墨材料[9]。
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密封学的特征之一是研究密封的机理,密封配副材料的摩擦、磨损和润滑现象等[10];石墨作为应用广泛的密封材料,其摩擦学行为一直是人们研究的热点。早在1948年,SAVAGE等[11-12] 就对石墨材料的摩擦磨损性能进行了试验分析,对真空、蒸汽环境中石墨材料的润滑进行了讨论:石墨材料的润滑效果并不是晶体结构的固有属性,而是取决于吸附膜,尤其是水。 SPREADBOROUGH等[13-14]还给出另外一种石墨润滑机制:他们通过试验发现石墨材料发生摩擦时,石墨表面的小包会卷起来, 形成小的滚柱轴承。 LANCASTER等[15-17]发现,石墨会在对摩副的表面上形成完整的转移膜,从而降低摩擦因数和磨损量;作为低剪切强度的第三相转移膜通过平衡破坏和再生机制实现对石墨的保护。
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各向同性石墨是20世纪60年代发展起来的一种新型石墨材料,是炭石墨中综合性能最佳的材料, 相比于其他石墨材料,制造工艺在原料制备、成型设备、成型工艺方面均有所不同。各向同性热解石墨材料由于具有优异的力学性能,尤其是具有极低的孔隙率,特别适合作为机械密封材料使用。但是,目前对石墨材料摩擦学行为的研究主要集中在浸渍增强石墨材料[18-21],而各向同性热解石墨的摩擦磨损试验开展较少。吴峻峰等[22] 研究了干摩擦条件下载荷对各向同性热解炭摩擦磨损行为的影响,发现载荷从60N增加到120N,磨损体积增加,而随着载荷的继续增加磨损体积逐渐下降并稳定;磨屑膜和转移膜的变化是影响材料摩擦磨损行为的主要因素。针对航空发动机的运行工况,本文主要开展了油润滑条件下各向同性热解石墨材料与对摩副GH4169的摩擦学试验,通过改变转速与载荷,研究对各向同性热解石墨摩擦学行为的影响,总结分析各向同性热解石墨材料的磨损机制以及润滑机理, 以期为各向同性热解石墨材料在机械密封领域的应用提供和积累参考依据。
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1 试验准备
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1.1 样品制备
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本文以各向同性热解石墨IPG为研究对象,以镍基高温合金GH4169为对摩副材料。其中,各向同性热解石墨由中国科学院金属研究所研发,镍基高温合金GH4169由抚顺特钢提供。各向同性热解石墨与GH4169的力学与物理性能如表1所示。各向同性热解石墨具有极低的孔隙率, 约为0.15Vol.%;同时具有很高的肖氏硬度(103HS)以及抗压强度(278MPa),以上指标均优于常见的浸渍增强石墨,特别适合作为密封材料使用。
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图1 是试验样品图,图1a为镍基高温合金GH4169样品示意图,GH4169作为环试样,其内径和外径分别为20mm和26mm;图1b为各向同性热解石墨样品示意图, 石墨作为盘试样, 其直径为41mm。试验前,石墨圆盘材料用2000#号砂纸打磨并抛光,GH4169环用1200#砂纸打磨并抛光;然后用无水乙醇对所有样品进行超声清洗, 时间为10min,以去除表面微小颗粒以及污染物;最后用3D轮廓测量仪测量各向同性热解石墨的表面粗糙度,以确保Ra≤1 μm,如图1c所示。
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1.2 试验方法
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采用MMW-10摩擦磨损试验机开展环-盘试验,试验机的原理图如图2所示。 GH4169环为上样品随主轴高速旋转,石墨盘固定在油盒中静止不动。在试验过程中各向同性热解石墨与GH4169样品始终浸泡在润滑油中,以实现润滑的状态。载荷通过油缸活塞施加,摩擦力测量处理系统持续记录摩擦力与摩擦因数的变化,通过热电偶测量润滑油的温度。
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图1 试验样品图
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Fig.1 Test sample
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图2 MMW-10试验机原理图
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Fig.2 Schematic diagram of MMW-10tester
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设计了两类试验,分别研究转速、载荷对油润滑条件下各向同性热解石墨摩擦学行为的影响。第一类,固定载荷,使转速与摩擦时间的乘积为固定值 (36 000转),选取150r/min、200r/min、300r/min、 600r/min四组转速作为变量,以研究转速变化的影响。第二类,固定转速,选取0.5kN,1kN,2kN三组载荷作为变量,以考察载荷变化的影响。本试验采用飞马2号航空润滑油,具体的试验条件如表2、表3所示。
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使用基恩士VR-3200 3D轮廓测量仪测量试验后各向同性热解石墨样品的磨痕3D轮廓,以确定石墨样品磨损后的磨损体积,并且采用式(1) 计算磨损率 K:
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式中,V 是各向同性热解石墨磨损后的磨损体积,N 是试验时施加的法向载荷,x 是GH4169在各向同性热解石墨上的滑动距离。使用基恩士VHX-6000数码显微系统获得各向同性热解石墨磨痕的3D形貌以及GH4169磨痕的显微照片;使用FEI Inspect F50扫描电子显微镜(SEM)分析各向同性热解石墨样品的表面形貌;通过EDS和X射线衍射仪分析各向同性热解石墨的化学成分和相组成。
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2 结果与讨论
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2.1 摩擦因数、磨损率与油温
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图3a显示了固定载荷( 2kN) 条件下转速对各向同性热解石墨摩擦因数以及磨损率的影响。可以发现,当载荷保持不变时,随着转速的增加, 摩擦因数与磨损率均呈现出先减小后增加的趋势。摩擦因数与磨损率在150r/min时最大,在200r/min时最小; 当转速从200r/min增加到600r/min时,摩擦因数与磨损率一直在缓慢增加, 但600r/min时的摩擦因数与磨损率小于150r/min时的摩擦因数与磨损率。图3b为固定载荷(2kN)条件下转速对润滑油温度的影响。当转速为150r/min时,试验启动后很短的时间内润滑油的温度会迅速增加,随后在长时间的摩擦过程中油温保持稳定,稳定阶段的温度约为30℃; 当转速为200r/min时,润滑油温度的变化趋势与150r/min相似,但升温时间较长,稳定阶段的油温为30℃,与150r/min时相同;当转速为300r/min时,稳定阶段的油温为36.7℃; 而转速增加到600r/min时,润滑油的温度在经历了快速升高后未出现稳定阶段,而是随着转速的增加缓慢增加, 最终的油温为61.9℃。
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图3 相同载荷条件下转速对摩擦因数、磨损率以及油温的影响
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Fig.3 Influence of rotating speed on COF, wear rate and oil temperature under the identical load condition
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图4a所示为固定转速(600r/min)条件下载荷对各向同性热解石墨摩擦因数及磨损率的影响。可以发现,随着载荷的增加,摩擦因数与磨损率均呈现出逐渐减小的趋势。载荷从0.5kN增加到2kN时,摩擦因数由0.018降低到0.016(降幅为11%), 而磨损率则从4.7×10-7mm 3·N-1·m-1下降至1.7× 10-7mm 3·N-1·m-1 (降幅为64%);相比摩擦因数,磨损率下降更为显著。图4b反映了固定转速 (600r/min)条件下载荷对润滑油温度的影响。当载荷为0.5kN时,润滑油温度升高所需要的时间较长,稳定阶段的油温为33.4℃;当载荷为1kN时, 润滑油温度升高经历的时间较短,稳定阶段的油温为38.2℃;当载荷为2kN时,未出现稳定阶段,最终油温为61.9℃。
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图4 相同转速条件下转速对摩擦因数、磨损率及油温的影响
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Fig.4 Influence of load on COF, wear rate and oil temperature under the identical rotating speed condition
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2.2 各向同性热解石墨的磨损机制
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为了研究各向同性热解石墨的磨损机制,首先对材料原始的微观结构进行表征分析,通过与磨损形貌的对比,从而得出油润滑条件下磨损后各向同性热解石墨表面状态变化的原因。图5显示了各向同性热解石墨的微观结构特征。由图5a EDS能谱显示,各向同性热解石墨内部的化学元素全部为C; 从各向同性热解石墨的XRD图谱(图5b) 可以看出,各向同性热解石墨存在较高的(002)衍射峰,还观察到(10)、(004)和(11)衍射峰,(002) 峰较强, 而其余的细小衍射线不明显,符合乱层结构的特征; 由图5c,各向同性热解石墨的抛光表面平整,结构均匀致密,有少量的封闭孔隙分布;图5d是未经磨抛处理的石墨断口形貌,可以发现各向同性热解石墨的主要结构单元是微米级的颗粒状碳结构,颗粒状碳结构相互熔并粘结形成了均匀致密的结构。颗粒状碳结构由于相互搭接,形成了各向同性热解石墨中的封闭孔隙,孔隙之间互不连通,因此该材料具有很高的肖氏硬度以及极低的孔隙率,如表1所示。
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图5 各向同性热解石墨的微观结构
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Fig.5 Microstructure of IPG
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图6 为油润滑条件下各向同性热解石墨的典型磨损形貌。可以发现,在油润滑条件下,各向同性热解石墨的磨损形式主要有三种:类抛光、擦伤以及犁沟。图7所示为0.5kN、300r/min条件下三种磨损形式的SEM图片。由图7a,类抛光机制的表面非常平整,其微观形貌与抛光表面相比,表面更为光滑, 封闭孔隙更少;因此,在类抛光形式的作用下,各向同性热解石墨的润滑效果好,磨损轻。由图7b,擦伤机制的表面凹凸不平,磨损较为严重;由放大图可以发现,擦伤机制下的表面与图5d各向同性热解石墨的断口形貌类似,颗粒状碳结构暴露其中。由图7c可见,在各向同性热解石墨的磨痕中发现典型的犁沟机制,犁沟深度较大;在犁沟内部也可以发现颗粒状碳结构,说明石墨被犁削分离后露出原始形貌。综上所述,由于各向同性热解石墨属于脆性材料,通过法向载荷与剪切力的共同作用,三种磨损形式通过局部的微切削和断裂等机理实现对各向同性热解石墨的磨损,属于磨粒磨损机制。
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图6 油润滑条件下各向同性热解石墨的典型磨损形貌
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Fig.6 Typical wear morphology of IPG under oil lubrication
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2.3 各向同性热解石墨的润滑机理
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在油润滑条件下,各向同性热解石墨的磨损机制是其润滑机理的具体体现。因此通过研究各向同性热解石墨磨损形貌随转速、载荷的变化可以得出各向同性热解石墨的润滑机理,从而分析摩擦因数与磨损率随转速、载荷变化规律的原因。
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图8 显示了不同工况条件下各向同性热解石墨磨痕的3D形貌图。当载荷(2kN)保持不变,转速为150r/min时,各向同性热解石墨的磨损机制以犁沟为主,并且犁沟的特征主要表现为宽度与深度较大;在磨痕的右侧也出现类抛光与擦伤机制,但所占比例很小;在此工况条件下,各向同性热解石墨磨损严重, 磨损深度大, 如图8a所示。转速为200r/min时,各向同性热解石墨的磨损机制以类抛光为主,表面平整,同时伴随有许多细而浅的犁沟; 在此工况条件下,各向同性热解石墨磨损较轻,磨损深度小,如图8b所示。转速为300r/min时,各向同性热解石墨的磨损机制以擦伤为主,表面不规整,并且伴随犁沟数量的增加, 如图8c所示。转速为600r/min时,各向同性热解石墨的磨损机制以犁沟为主,但该条件下的犁沟特征与150r/min时不同, 主要表现为宽度小,深度浅,如图8d所示。当转速 (600r/min)保持不变,载荷为1kN时,随着载荷的减小,擦伤机制所占的比例开始增加,而犁沟机制所占的比例减小,磨损深度有所减小,如图8e所示。载荷为0.5kN时,随着载荷的进一步减小,各向同性热解石墨的磨损机制以擦伤为主,磨损深度继续减小,但减小的能力有限,如图8f所示。
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图7 500N、300r/min条件下三种磨损形式的SEM图片
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Fig.7 SEM pictures of three wear forms at 500N and 300r/min
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图9 显示了不同工况条件下对摩副GH4169磨痕的显微照片。其中,黑色区域是碳基过渡膜,光亮区域为GH4169基体。图9a为2kN、150r/min条件下GH4169磨痕的显微照片,可以发现在GH4169磨痕表面存在较完整的碳基过渡膜;碳基过渡膜并非均匀地涂敷在GH4169表面,而是沿滑动方向分布,部分区域分布较多;同时发现此条件下碳基过渡膜形成性最好。当载荷(2kN) 保持不变,转速为200r/min时,GH4169磨痕表面未出现明显的碳基过渡膜形成,表面较为光亮,如图9b所示。随着转速的进一步增加, 当转速分别为300r/min和600r/min时,可以发现沿滑动方向GH4169磨痕表面有连续的碳基过渡膜形成,且转速为600r/min时碳基过渡膜形成性更好,但与150r/min时相比较差,如图9c、9d所示。当转速(600r/min)保持不变,随着载荷的减小,碳基过渡膜形成性逐渐变差; 当载荷为0.5kN时,GH4169磨痕表面未形成连续的碳基过渡膜,但分布着大量分散的石墨颗粒,说明两固体表面之间存在一定比例的直接接触,如图9e、9f所示。
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由于各向同性热解石墨与GH4169所采用的工况条件为油润滑环境,当试验开始时,随着GH4169的高速转动,润滑油被挤压进摩擦面形成液体膜,从而减小GH4169对各向同性热解石墨的磨损。但由于试验载荷较大,同时两固体表面间存在大量的微凸体,各向同性热解石墨与GH4169之间不可避免地存在直接接触。因此,在油润滑条件下,液体膜的形成能力与两固体表面的接触特性直接决定摩擦配副的润滑与磨损状态。对比图3a、4a发现,载荷变化时 (0.5~2kN,4倍)磨损率由4.7×10-7 mm 3·N-1·m-1减小到1.7×10-7 mm 3·N-1·m-1;而转速变化时(150~600r/min,4倍)磨损率最大值为1.9×10-7mm 3·N-1·m-1, 最小值为1.2×10-7 mm 3·N-1·m-1。所以,载荷相较于转速对磨损率影响更加显著。
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当转速(600r/min)固定载荷变化时,由于试验所采用的三组载荷相对较大,GH4169与各向同性热解石墨之间的接触应力大,因此两固体表面之间的液体膜油压较高,厚度较小;而各向同性热解石墨孔隙率极低,内部仅有少量封闭气孔,由于法向载荷导致的振动和挤压作用,会使受阻液体积聚起一定压力,从而形成液体挤压膜承载对摩副-GH4169。因此载荷越大,所形成的液体挤压膜承载能力越强。同时,当载荷为2kN时,犁沟机制所占比例较大,磨痕上大量窄而浅的犁沟在高载荷的限制下形成了特殊流道,从而增加了对GH4169的承载能力,很大程度上减低了各向同性热解石墨的磨损率,如图10所示;当载荷为0.5kN时,擦伤机制所占比例较大,虽然表面凹凸不平,但很难形成完整且连续的润滑油储存区,因此润滑效果较差。综上所述,随着载荷的增加各向同性热解石墨的磨损率减小;载荷为2kN时磨损率最小。
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图8 不同工况条件下各向同性热解石墨磨痕的3D形貌图
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Fig.8 3D topographies of wear tracks on IPG under different tribological conditions
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当载荷为2kN而转速变化时,由上述结论,在高载荷的作用下,液体挤压膜的作用以及犁沟形成的润滑油流道,导致各向同性热解石墨的磨损率在小范围内波动,整体数值较小。在低转速的条件下, 随对摩副转动挤入摩擦面的润滑油较少,液体膜的形成能力较差,两固体表面之间存在较大比例的固-固接触;当速度增加到一定程度,液体膜的形成能力基本稳定,固-固接触的比例达到最小;这可以通过碳基过渡膜的形成性佐证,碳基过渡膜的形成性好,液体膜的形成能力差。同时,摩擦面的温度也可以影响润滑油的润滑效果,摩擦面的高温会严重降低润滑油的润滑效果;油温的上升情况可以反映摩擦面的温度。当转速为150r/min时,碳基过渡膜的形成连续且较为完整,液体膜的形成能力差,摩擦因数与磨损率最大;当转速为200r/min时,碳基过渡膜的形成性最差,液体膜的形成能力最强,摩擦因数与磨损率最小;随着转速的进一步增加,尽管高转速导致液体膜的形成性好,但由于该条件下摩擦面温度的急剧升高,导致润滑效果变差,因此该条件下的摩擦因数和磨损率也相对较大。综上所述,转速主要通过影响液体膜的形成能力以及摩擦面的温度来决定润滑油对摩擦配副的润滑效果;两者随转速的增加对磨损率的作用效果相反,在200r/min时出现极值。所以,随着转速的增加各向同性热解石墨的磨损率先减小后增加;转速为200r/min时,磨损率最小。
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图9 不同工况条件下对摩副GH4169磨痕的显微照片
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Fig.9 Micrographs of wear tracks on counterpart GH4169under different tribological conditions
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3 结论
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(1) 试验结果表明,随着转速的增加,各向同性热解石墨的摩擦因数与磨损率呈现出先减小后增加的趋势,200r/min时获得最小值;而摩擦因数与磨损率随载荷的增加逐渐减小,2kN时获得最小值, 且载荷对磨损率的影响更加明显。
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(2) 研究发现,油润滑条件下各向同性热解石墨的磨损形式主要有三种:类抛光、擦伤以及犁沟。磨损机制为磨粒磨损,三种磨损形式通过局部的微切削和断裂等机理实现对各向同性热解石墨的磨损。
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(3) 提出了转速、载荷分别对各向同性热解石墨润滑机理的影响机制:转速主要通过液体膜的形成能力以及摩擦面的温度来影响润滑油对摩擦配副的润滑效果;而高载荷由于振动和挤压作用使受阻液体积聚压力形成液体挤压膜,同时犁沟形成润滑油的特殊流道来减小各向同性热解石墨的磨损率。
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图10 高载荷下犁沟形成的润滑油流道
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Fig.10 Flow channel for lubricant formed by furrow under high load
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摘要
各向同性热解石墨由于具有优异的力学性能以及极低的孔隙率,在机械密封领域具有广泛的应用前景,但目前针对各向同性热解石墨的摩擦磨损试验开展较少。 采用 MMW-10 环-盘端面摩擦磨损试验机,通过改变转速和载荷,对各向同性热解石墨与 GH4169 配副的摩擦学行为进行研究。 结果表明:在油润滑条件下,随着转速的增加,各向同性热解石墨的摩擦因数与磨损率呈现出先减小后增加的趋势,200 r/ min 时获得最小值;而摩擦因数与磨损率随载荷的增加逐渐减小,2 kN 时获得最小值,且载荷对磨损率的影响更加明显。 各向同性热解石墨的磨损形式主要为类抛光、擦伤及犁沟。 各向同性热解石墨的润滑机理与液体膜的形成以及摩擦配副表面的接触特性密切相关。 揭示了各向同性热解石墨在油润滑条件下的磨损机制以及润滑机理,为其在机械密封领域的应用提供和积累了参考依据。
Abstract
Isotropic pyrolytic graphite has broad application prospects in the field of mechanical seals because of its excellent mechanical properties and extremely low porosity, however, the friction and wear tests of isotropic pyrolytic graphite are rarely carried out. The MMW-10 ring-on-disk friction tester was used to study the tribological behavior of isotropic pyrolytic graphite / GH4169 by changing the speed and load. The results showed that under oil lubrication conditions, the coefficient of friction and wear rate of isotropic pyrolytic graphite presented a trend of first decreasing and then increasing, and the minimum value was obtained at 200 r/ min; while the coefficient of friction and wear rate gradually decreased with the increase of load, and the minimum value was obtained at 2 kN. Load had more obvious influence on wear rate. The wear forms of isotropic pyrolytic graphite were mainly like polishing-like, scratch and furrow, under the action of abrasive wear mechanism. The lubrication mechanism of isotropic pyrolytic graphite was closely related to the formation of liquid film and the contact characteristics of friction pair. The wear and lubrication mechanism of isotropic pyrolytic graphite under oil lubrication conditions are revealed, which provides and accumulated reference basis for its application in the field of mechanical seals.