Cu-Ag-Fe合金的電接觸滑動磨損的研究

李 勇，易丹青，柳瑞清，孫順平

(1.中南大學材料科學與工程學院，長沙410083，E-mail:liyong0248@163.com; 2.國家銅冶煉及加工工程技術研究中心，江西贛州341000)

Cu-Ag-Fe合金的電接觸滑動磨損的研究

李 勇1，2，易丹青1，柳瑞清2，孫順平1

(1.中南大學材料科學與工程學院，長沙410083，E-mail:liyong0248@163.com; 2.國家銅冶煉及加工工程技術研究中心，江西贛州341000)

為改善接觸線的耐磨性能，在Cu－Ag合金中添加微量Fe元素制備了Cu－Ag－Fe合金接觸線，研究了電流強度、滑動速度和載荷對Cu－Ag－Fe合金的磨損形貌及磨損率的影響.實驗結果表明：隨電流強度、滑動速度和載荷的增加，合金的質量磨損率明顯增加.磨損形貌表明，在受電滑動條件下，磨損形式以粘著磨損、磨粒磨損和電侵蝕磨損為主，且隨著電流強度的增加，粘著磨損現(xiàn)象加劇.由于Fe元素的時效析出強化作用，Cu－Ag－Fe合金的電磨損性能比Cu－Ag合金高出2倍多，大大提高了該合金的使用壽命.

Cu－Ag－Fe合金;電流強度;滑動速度;載荷;滑動磨損

隨著電氣化鐵路向高速重載方向發(fā)展，對接觸導線的強度和耐磨性提出了更高的要求.純銅接觸線盡管導電率大于96%IACS，但強度偏低，特別是高溫時，強度更低，而且由于自然時效的作用，發(fā)生蠕變，強度將會逐漸減小，在大載荷電流通過時產(chǎn)生的熱效應作用下，強度衰減更加顯著［1］.顯然，接觸導線已成為制約高速鐵路發(fā)展的瓶頸.由于接觸網(wǎng)用電接觸線只有良好的電傳導性能與摩擦磨損性能相結合，才能保證能量的傳遞，滿足壽命要求和可靠性要求.因此，在研制電接觸導線過程中，材料的滑動摩擦磨損性能也非常重要.

目前，許多學者為此做了大量研究工作［2－6］.浙江大學齊衛(wèi)笑等［7］研究認為，Cu－Cr－Zr合金的磨損率隨時效溫度的升高逐漸降低，在500℃時達到最低值;隨著時效溫度的進一步升高，磨損率又開始增大.在電流作用下，合金的磨損機制主要有粘著磨損、磨粒磨損與電侵蝕磨損.在相同的摩擦磨損試驗條件下，Cu－Cr－Zr合金的耐磨損性能明顯優(yōu)于Cu－Ag合金.國內(nèi)雷靜果等［8］人研究了Cu－Ag－Cr合金接觸線的電滑動磨損性能，發(fā)現(xiàn)其耐磨性能是Cu－Ag合金的2～3倍，且可與Cu－Cr－Zr合金的耐磨損性能相媲美.日本Tohoku大學學者Hiroki［9］等人模擬接觸線使用狀態(tài)，在自制實驗機上對Cu－Cr－Zr線材進行了受電滑動磨損試驗和磨損機理的研究，認為電車用接觸線磨損速率與壓力和熱量成正比，可以通過降低滑動表面接觸壓力和熱量來有效地提高接觸線使用壽命.澳大利亞皇家墨爾本工學院的Da Hai He等［10－11］研究表明，在干摩擦條件下，滑塊材料采用銅帶時摩擦因數(shù)為0.34，換用銅基石墨復合材料時摩擦因數(shù)減小為0.22～0.27;其研究還發(fā)現(xiàn)接觸線在工作時表面溫度可升至200～500℃，此時潤滑劑已失去作用，只有采用自潤滑材料作為滑塊，才能有效改善接觸線的抗磨損性能，延長其使用壽命.

本文在Cu－Ag合金的基礎上添加微量的Fe元素，結合高強高導銅合金的合金化機理，采取時效強化的方法增強其耐磨性.通過對Cu－Ag－Fe合金和Cu－Ag合金材料的受電滑動磨損行為的對比，分析了施加載荷和滑動速度的改變對受電滑動條件下的磨損率及磨損表面的影響;同時，探討了電流、電壓作用下對材料磨損性能的影響，并對兩種合金電滑動磨損的影響因素及磨損機理進行了初步探討.

1 實驗

1.1 材料制備

兩種合金均在中頻感應電阻爐中熔煉而成，采用木炭覆蓋.原料采用純度為99.95%的標準陰極銅、純度為99.5%以上的Ag、Fe.合金成分: Cu－0.15Ag，Cu－0.15Ag－0.1Fe.采用鐵模澆鑄成φ50 mm的鑄錠.隨后在箱式電阻爐中均勻化退火處理(850℃×10 h)，并隨爐冷卻.鑄錠經(jīng)過機加工去除氧化皮和縮尾，在315T油壓機上擠壓至φ10 mm，擠壓溫度850℃.

取擠壓后的合金棒在Sk2－6－10管式電阻爐中固溶處理(960℃ ×1 h)，水淬.然后進行變形量為64%的拉伸變形，將試樣拉伸至φ3 mm的棒材.將試樣放入馬弗爐中進行時效處理，500℃×2 h.

1.2 實驗方法

電滑動磨損實驗在自制的磨損試驗機上進行，圖1為電磨損實驗機裝置及其結構簡圖.環(huán)形接觸導線裝卡在直徑為300 mm的圓盤上，圓盤兩端各有一塊滑板分別由彈簧提供彈力壓靠在接觸導線上;曲柄連桿機構帶動滑板以1 Hz的頻率在30 mm的擺幅內(nèi)作橫向往復移動，直流電由滑板流向導線再流向另一塊滑板，滑塊與導線之間的相對載荷(0～100 N)由彈簧調(diào)節(jié).所用滑塊為銅基粉末冶金材料，其化學成分如表1所示，硬度為85～95HRB.

圖1 電滑動磨損試驗機結構原理圖

表1 銅基粉末冶金滑塊化學成分(質量分數(shù)%)

磨損試驗中滑塊與接觸導線間的接觸載荷固定不變，為50 N.實驗電流分別為0、10、20、30、40、50 A，工作電壓為6 V，轉盤分別以300、360、420、480、540和600 r/min的速度轉動，對應的滑動速度分別為5、6、7、8、9和10 m/s.接觸導線的磨損率采用滑板1次滑過接觸導線時的單位長度磨損量(mm3/m)表示.利用SL－30型SEM觀察Cu－Ag－Fe合金磨損表面形貌，并用EDS分析磨損表面主要元素.

2 結果與分析

2.1 電流強度對磨損性能的影響

在接觸壓力為50 N，磨損時間4 h的條件下，Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的磨損量隨電流強度的變化如圖2所示.從圖2可以看出，兩種合金的磨損率都是隨著加載電流的增加而逐漸增加.這是由于在相同的接觸壓力下(50 N)，不同電流強度下產(chǎn)生的摩擦熱相同;而接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱和電弧放熱均與電流強度成正比，所以電流強度越高，磨擦表面產(chǎn)生的熱量越大，溫度越高.當溫度升高到一定程度時，磨擦表面將被氧化，導致導線與滑塊之間的接觸電阻升高，使磨擦表面熱量和溫度進一步增加和提高.磨擦表面溫度的升高會使表面產(chǎn)生軟化、熔化以及加速表面銅顆粒的脫落，使合金的磨損率升高［12－14］.因此，隨著加載電流強度的升高，合金的磨損率相應增大.

圖2 加載電流(I)對合金的磨損率(η)的影響

另外，在相同電流強度下，Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的磨損率比Cu－0.15Ag合金的磨損率要低很多，說明Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的抗耐磨性能明顯優(yōu)于 Cu－0.15Ag合金，這是由于Cu－0.15Ag合金中Fe元素的時效強化作用，文獻［15］指出時效強化合金的磨損是材料亞表面層形變、裂紋形核和擴展而導致與表面分離的1個過程，其磨損性能與合金的微觀結構和硬度有著重要的關系.Cu－Ag－Fe合金作為1種時效強化合金，在塑性變形過程中，合金中析出的細小彌散的第二相，能夠阻礙裂紋的形核和擴展，存在于基體表面的第二相粒子在磨損過程中還可以起到承載作用，從而降低磨損過程中的粘著磨損和磨粒磨損，提高材料的耐磨性.圖3為Cu－0.15Ag合金和Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的時效析出相的TEM形貌圖，可以看出，Cu－0.15Ag－0.1Fe合金析出相多，細小彌散分布均勻.

圖3 Cu-Ag和Cu-Ag-Fe合金時效析出相的TEM形貌

圖4為Cu－0.15Ag和Cu－0.15Ag－0.1Fe合金在不同載流下的表面磨損形貌.從圖4可以看出，在相同磨損條件下，Cu－0.15Ag合金比Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的的表面磨損較重，這是由于Fe元素的時效析出強化作用，使合金的抗拉強度得到了明顯提高，從而提高了合金的耐磨性能.兩種合金的表面磨損較粗糙，剝落坑和犁溝較深，其坑內(nèi)形貌在加載不同電流時有明顯的區(qū)別，而且，隨著加載電流的增大，合金表面和滑塊在摩擦過程中產(chǎn)生大量的熱，從而發(fā)生熔焊合和粘著，因此，加載電流后會產(chǎn)生的片狀剝離層邊角比較圓滑，且邊緣有局部熔化的現(xiàn)象.這是因為在電流的作用下，磨擦表面吸收了大量的焦耳熱、摩擦熱和電弧熱，使磨擦表面溫度上升，當溫度升高至合金的熔點后，就發(fā)生了轉移膜的局部熔化現(xiàn)象［16］.

圖4 不同載流下Cu-Ag和Cu-Ag-Fe合金的磨損形貌

對圖4中的Cu－0.15Ag合金的磨損表面進行EDS分析，發(fā)現(xiàn)磨損表面中的凹坑內(nèi)(黑色箭頭所指)與外部(白色箭頭所指)均含有滑板元素Fe、Zn、Sn等，其相應能譜分析分別如圖5所示，表明其磨損形式主要為粘著磨損和磨粒磨損.在磨損過程中，導線與滑塊之間還可發(fā)生瞬時的分離，產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，導致試樣表面局部的瞬時溫度急劇升高，甚至超過材料的熔點，此時，在溫度高處的表面會發(fā)生局部的熔化或氣化消失，從而在材料表面留下一個個顏色較深的電蝕坑，如圖4所示.

圖5 Cu-0.15Ag合金磨損表面的EDS分析

2.2 滑動速度對磨損性能的影響

圖6為合金在加載電流30 A，載荷50 N情況下，不同的滑動速度對其電滑動磨損性能的影響.從圖6可以看出，兩種試驗導線的磨損率隨滑動速度的變化趨勢是一樣的，均是隨著滑動速度的增加，合金的磨損率增加，說明滑動速度的增加加速了材料的磨損.

圖6 滑動速度對磨損率的影響

圖7是Cu－0.15Ag－0.1Fe合金和Cu－0.15Ag合金在加載電流30 A，載荷50 N的條件下，不同滑動速度下的磨損形貌.從圖7可以看出，在相同的電流和載荷情況下，滑動速度越大，表面磨損就越嚴重;而且Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的抗磨損性能比Cu－0.15Ag合金要好.這是由于在相同的滑動條件下，隨著滑動速度的增加，摩擦副之間的接觸變得不穩(wěn)定，試驗導線和滑塊經(jīng)常脫落，使瞬間產(chǎn)生電弧，電弧放電產(chǎn)生熱效應使導線表面溫度升高甚至發(fā)生融化，導致電燒蝕磨損.此外，較高的滑動速度會使合金的表面溫度升高，有助于表層氧化膜的形成，氧化膜在達到一定的溫度時會破裂形成碎屑，堅硬的氧化物粒子作為磨粒而產(chǎn)生磨粒磨損.所以，在高速滑動速度下，合金的表面會產(chǎn)生電侵蝕磨損和磨粒磨損的交互作用，但是，電侵蝕磨損起主導作用.

圖7 Cu-Ag和Cu-Ag-Fe合金在不同滑動速度下的磨損形貌

2.3 載荷對磨損性能的影響

圖8為合金在加載電流10 A，滑動速度為5 m/s情況下，不同的載荷對其磨損性能的影響8，可以看出，隨著載荷的增加，兩種合金的磨損率都是增加的，但Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的磨損率增加幅度較小.磨損率隨載荷增加而增大可歸納為如下原因:1)隨載荷增大，真實接觸面積和微凸體數(shù)增加;2)隨載荷增大，接觸面的溫度升高，材料發(fā)生軟化，塑性變形增大，抗剪強度降低，在循環(huán)應力作用下，磨擦表面易產(chǎn)生疲勞裂紋，導致大塊材料的剝落，脫落的磨屑又充當?shù)谌嗔Ｗ蛹铀倭四チＤp［17］;3)隨載荷的增大，剪切力也相應增大，微切削作用增強，而且速度的增大加強了載荷的這種作用效果.

圖8 不同載荷(F)對合金磨損率(η)的影響

圖9 Cu-Ag和Cu-Ag-Fe合金在30 N載荷下的磨損形貌

圖9為Cu－0.15Ag和Cu－0.15Ag－0.1Fe合金在載荷30 N下的表面磨損形貌圖.從圖9可見，Cu－0.15Ag合金的磨擦表面有一些大的片狀層，且具有明顯的犁溝，同時由于與摩擦副的對磨，產(chǎn)生了較大的塑性變形，導致摩擦層的形成.而Cu－0.15Ag－0.1Fe在載荷為30 N的條件下，磨擦表面有一些片狀的剝落層，且伴有大量片狀層.結果表明:不同載荷作用下的摩擦磨損以粘著磨損和磨粒磨損為主，有研究認為，犁削和粗糙表面的變形對總的摩擦系數(shù)的影響要比粘著的影響大［18］.在摩擦過程中，載荷作用下基體次表層的塑性變形使位錯滑移和塞集，產(chǎn)生了許多微裂紋，使表層組織變的疏松，結構發(fā)生軟化，軟化層的形成將嚴重削弱合金的耐磨性能.

4 結論

1)在載流條件下，由于Fe元素的時效析出強化作用，Cu－Ag－Fe合金的磨損性能比Cu－Ag合金高出2倍多，大大提高了該合金的耐磨性能.

2)在載流條件下，Cu－Ag－Fe合金的磨損率與電流成線性關系，隨加載電流的增加，磨損率也隨之增加.磨損形貌表明:該合金的磨損形式以粘著磨損，顆粒磨損和電侵蝕磨損為主，且隨著加載電流強度的增加，粘著磨損現(xiàn)象加劇.

3)滑動速度和載荷與磨損率也成線性關系，隨著滑動速度和載荷的增加，合金的質量磨損率也隨之增加.

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Research on electro-contact sliding wear of Cu-Ag-Fe alloy

LI Yong1，2，YI Dan-qing1，LIU Rui-qing2，SUN Shun-ping1
(1.Dept.of Material Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China，E-mail:liyong0248@163.com; 2.National Center for Copper Smelting and Process Engineering Technology Research，Ganzhou 341000，China)

To improve the wear performance of contact wire of Cu－Ag alloys，trace iron was added，and the influence of electrical current，sliding speed and load on the wear morphology and wear rate of Cu－Ag－Fe alloys were studied.The results show that the wear rates of Cu－Ag－Fe alloys increase with the increasing of electrical current，sliding speed and load.The wear morphologies indicate that the adhesive wear，abrasive wear and electrical erosion are the dominant mechanisms during the electrical sliding processes.And with the electrical current increased，the phenomena of the adhesive wear have intensified.The electrical sliding wear resistance of Cu－Ag－Fe alloys is 2 times of that of Cu－Ag alloys because of the aging strengthening action of iron，which increases the service life of Cu－Ag alloys.

Cu－Ag－Fe alloy;electrical current;sliding speed;load;sliding wear

TH117.1 文獻標志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)04－0047－05

2010－12－22.

江西省教育廳科技項目(GJJ09228).

李 勇(1975－)，男，博士生.

(編輯 呂雪梅)