典型材料載流摩擦行為

張永振，楊正海，b，上官寶，b，孫樂(lè)民，b，杜三明，b

(河南科技大學(xué)a.摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003)

0 前言

載流摩擦副是指具有通過(guò)電流功能的摩擦副，廣泛應(yīng)用于交通、電力、通信、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、控制等行業(yè)和領(lǐng)域［1－2］。隨著科技的發(fā)展，載流摩擦副的工作條件越來(lái)越苛刻，主要表現(xiàn)是相對(duì)滑動(dòng)速度超過(guò)100 m/s、通過(guò)電流密度超過(guò)3 A/mm2，安全性要求越來(lái)越高，例如，在接插件中要求安全接插不出現(xiàn)故障的次數(shù)越來(lái)越高。同時(shí)，出現(xiàn)了一些特殊的工況，如鐵路接觸線(xiàn)/滑塊系統(tǒng)在風(fēng)沙、雨雪、凍雨等惡劣甚至極端天氣條件下工作［3］。原有技術(shù)解決方法已經(jīng)難以滿(mǎn)足新的要求，在某些領(lǐng)域，載流摩擦問(wèn)題已經(jīng)成為制約系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題［4］。載流摩擦副在大電流密度、高速滑動(dòng)甚至惡劣服役環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)高安全性、高可靠性的工作成為載流摩擦研究的目標(biāo)。

載流摩擦問(wèn)題早在20世紀(jì)20年代就引起了研究者的注意［5－6］，該問(wèn)題主要涉及電接觸學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、傳熱、物理學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科，是一個(gè)載流和摩擦耦合的問(wèn)題。載流摩擦系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)同時(shí)包括摩擦系統(tǒng)和電系統(tǒng)，從熱量產(chǎn)生看，主要包括電弧熱、電阻熱和摩擦熱;從環(huán)境看，主要包括溫度、濕度、氣氛等條件;從接觸表面情況破壞機(jī)制看，主要包括機(jī)械磨損、電弧侵蝕、氧化等多種破壞機(jī)制［7－8］。這些關(guān)系可以歸納為 3對(duì)耦合關(guān)系:摩擦接觸與導(dǎo)電接觸耦合、摩擦損傷與電損傷耦合、載流質(zhì)量與摩擦學(xué)性能耦合。在研究載流摩擦過(guò)程中，研究人員面對(duì)的主要問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的載流質(zhì)量(高效穩(wěn)定電流的傳輸)和配副的長(zhǎng)壽命。本文運(yùn)用典型載流摩擦材料，研究了電流、載荷、相對(duì)滑動(dòng)速度對(duì)不同材料載流摩擦磨損行為的影響，速度因素對(duì)載流質(zhì)量的影響，電弧的產(chǎn)生及其影響因素。探討了載流摩擦磨損的機(jī)制，深入分析了載流摩擦的表面行為。

圖1 載流摩擦關(guān)系圖

1 試驗(yàn)

使用自制的銷(xiāo)盤(pán)式高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(原理見(jiàn)圖2)進(jìn)行載流摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)中盤(pán)試樣材料為市售鉻青銅QCr0.5，銷(xiāo)試樣材料包括銅基粉末冶金滑板材料(PM)、浸金屬碳滑板材料(MC)、碳/碳材料(C/C)、純銅、碳納米管增強(qiáng)銅材料(CNT/Cu)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的氧化鋁增強(qiáng)銅基材料(0.6Al2O3/Cu)。試驗(yàn)后用掃描電鏡(SEM)觀(guān)察磨損表面，用三維形貌儀測(cè)量磨損表面三維形貌，用摩擦因數(shù)μ，磨損率W，載流效率η［1］，載流穩(wěn)定性S［1］和電弧能量［9］等指標(biāo)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

圖2 試驗(yàn)機(jī)原理圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同條件下的載流摩擦磨損行為

圖3給出了銅基粉末冶金材料的摩擦因數(shù)和磨損率隨相對(duì)滑動(dòng)速度變化的曲線(xiàn)。隨速度的增加，摩擦因數(shù)先下降，到50 m/s后摩擦因數(shù)又上升(見(jiàn)圖3a)，磨損率隨速度的增加而增高(見(jiàn)圖3b)。

圖3 速度對(duì)PM載流摩擦磨損性能的影響

圖4 給出了銅基粉末冶金材料的摩擦因數(shù)和磨損率隨電流變化的曲線(xiàn)。隨電流強(qiáng)度的增加，摩擦因數(shù)降低(見(jiàn)圖4a)，磨損率則隨電流的增加而增高，電流高時(shí)，磨損率增加越顯著(見(jiàn)圖4b)。

圖4 電流對(duì)PM載流摩擦磨損性能的影響

圖5 給出了銅基粉末冶金材料的摩擦因數(shù)和磨損率隨接觸壓力的變化曲線(xiàn)。隨載荷(接觸壓力)的增加，摩擦因數(shù)降低(見(jiàn)圖5a)，磨損率增高(見(jiàn)圖5b)。

圖6為載荷和相對(duì)滑動(dòng)速度對(duì)不同材料的載流摩擦摩擦因數(shù)和磨損率影響的曲線(xiàn)。從圖6a和圖6b中可以看出:接觸壓力對(duì)摩擦學(xué)行為的影響隨材料的不同而不同，在0.30～0.55 MPa條件下，隨著接觸壓力的增加，純銅和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%氧化鋁增強(qiáng)銅基材料的磨損率增加，純銅的摩擦因數(shù)也增加，碳納米管增強(qiáng)銅材料的磨損率先減小后增加，銅基粉末冶金滑板材料的磨損率先增大后減小。從圖6c和圖6d中可以看出:隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加，材料的摩擦因數(shù)和磨損率變化復(fù)雜，3種材料的磨損率有增大的趨勢(shì)，純銅的摩擦因數(shù)有顯著增加，粉末冶金滑板材料的的摩擦因數(shù)有波動(dòng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的氧化鋁增強(qiáng)銅基材料的摩擦因數(shù)有下降的趨勢(shì)。大滑動(dòng)速度導(dǎo)致材料的摩擦磨損性能惡化。

圖5 載荷對(duì)PM載流摩擦磨損性能的影響

圖6 載荷和速度對(duì)不同材料載流摩擦的影響(I=40 A)

圖7 為電流對(duì)不同材料的載流摩擦摩擦因數(shù)和磨損率影響的曲線(xiàn)。從圖7中可以看出:隨著電流的增加，4種材料的摩擦因數(shù)有增大的趨勢(shì)(見(jiàn)圖7b)，而磨損率顯著增加(見(jiàn)圖7a)。

綜合考慮圖6和圖7，還可以發(fā)現(xiàn):在不同的載荷、速度和電流條件下，不同材料的摩擦因數(shù)和磨損率處于不同的水平上，針對(duì)試驗(yàn)用幾種材料，可以認(rèn)為銅基粉末冶金滑板材料和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的氧化鋁增強(qiáng)銅基材料更適宜在高速大電流的情況下運(yùn)用。

圖7 電流對(duì)不同材料載流摩擦的影響(I=40 A)

綜上所述，材料因素和工作條件(相對(duì)滑動(dòng)速度、載荷和電流)的變化顯著影響載流摩擦行為，且摩擦因數(shù)和磨損率變化趨勢(shì)復(fù)雜。但可以明確高相對(duì)滑動(dòng)速度和大電流惡化摩擦磨損特性。

2.2 不同條件下的載流效率和載流穩(wěn)定性

圖8給出了在1.0 A/mm2電流密度和0.5 MPa壓力條件下，速度對(duì)不同材料載流質(zhì)量的影響，從圖8中可以看出:干滑動(dòng)條件下隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加，載流質(zhì)量顯著的惡化，其中，載流效率下降10% ～50%(見(jiàn)圖8a)，載流穩(wěn)定性下降50% ～80%(見(jiàn)圖8b)。載流質(zhì)量與相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)電接觸點(diǎn)的多少及起弧狀態(tài)有關(guān)。粗糙表面上接觸點(diǎn)的多少與正壓力有關(guān)，而且，只有接觸點(diǎn)表面不導(dǎo)電層被破壞后接觸點(diǎn)才能導(dǎo)電［10］。接觸壓力決定了接觸點(diǎn)的多少，同時(shí)，還直接影響接觸點(diǎn)不導(dǎo)電層的破壞情況。其他條件不變，隨著相對(duì)滑動(dòng)速度增加，配副運(yùn)行不穩(wěn)定，沖擊增大，接觸狀態(tài)變差，運(yùn)行中容易起弧。電弧雖能夠起到維持導(dǎo)電的作用，但會(huì)破壞表面狀態(tài)(熔融、噴濺、氧化等)，使接觸狀態(tài)變差。所以，隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加，載流效率降低，載流穩(wěn)定性變差。從圖8中還可以看出:針對(duì)試驗(yàn)用不同材料，載流效率和載流穩(wěn)定性只是變差的程度不一樣。從載流質(zhì)量的角度看，銅基粉末冶金材料更適合用于高速大電流的載流摩擦。

圖8 速度對(duì)不同材料載流質(zhì)量的影響

圖9 電流和摩擦因數(shù)的動(dòng)態(tài)關(guān)系

2.3 動(dòng)態(tài)電流和動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)的關(guān)系

圖9 給出了動(dòng)態(tài)電流密度和摩擦因數(shù)的關(guān)系，從圖9中可以看出:動(dòng)態(tài)電流的波動(dòng)和動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)的波動(dòng)具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，動(dòng)態(tài)電流和動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)存在明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系。載流摩擦過(guò)程中，由于粗糙表面相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)、沖擊等作用，使得表面的電接觸狀態(tài)不斷變化，甚至離線(xiàn)。所以，動(dòng)態(tài)電流波形沒(méi)有靜態(tài)電流規(guī)范，且平均值也比靜態(tài)時(shí)低。載流摩擦的過(guò)程中，電流通過(guò)的能力取決于電接觸的狀態(tài)，即導(dǎo)電接觸點(diǎn)的多少和點(diǎn)的導(dǎo)電能力，這一過(guò)程中必然伴隨著摩擦磨損的過(guò)程，而摩擦磨損的情況取決于摩擦接觸狀態(tài)。電接觸和摩擦接觸是通過(guò)同一個(gè)宏觀(guān)接觸面實(shí)現(xiàn)的，大部分因素會(huì)同時(shí)影響兩個(gè)接觸，所以，配副的動(dòng)態(tài)電流和動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)具有相關(guān)性。

載流摩擦過(guò)程中載流質(zhì)量和摩擦磨損行為均與接觸行為有關(guān)，換言之，載流質(zhì)量和摩擦磨損行為存在密切的耦合關(guān)系，試驗(yàn)中表現(xiàn)為電流密度和摩擦因數(shù)具有相關(guān)性。同時(shí)，由于載流質(zhì)量和摩擦因數(shù)的影響因素又比較多，所以，這種耦合關(guān)系非常復(fù)雜。

2.4 載流摩擦中的電弧

載流摩擦中的電弧是一種空氣放電現(xiàn)象，且動(dòng)態(tài)發(fā)生，對(duì)載流摩擦有很大危害。電弧對(duì)載流摩擦的影響及其產(chǎn)生、發(fā)展和熄滅過(guò)程一直是研究者關(guān)注的問(wèn)題［11－12］。

圖10給出了碳/碳材料在電流密度0.66 A/mm2、載荷0.55 MPa、速度30 m/s條件下電弧能量與摩擦因數(shù)的瞬時(shí)關(guān)系。從圖10中可以看出:動(dòng)態(tài)電弧能量的波動(dòng)和動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)的波動(dòng)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，電弧能量和摩擦因數(shù)具有明顯的相關(guān)性。電弧是載流摩擦過(guò)程中由于接觸面分開(kāi)形成氣隙，被電流擊穿形成等離子體而形成的，是載流摩擦的一個(gè)中間現(xiàn)象。單個(gè)電弧作用在一個(gè)狹小的區(qū)域，放出大量的熱量，最高能夠形成6 000℃的高溫［13］，大量的電弧熱導(dǎo)致材料性能弱化，甚至直接導(dǎo)致材料的熔化、汽化，加速材料的轉(zhuǎn)移，電弧還使接觸表面粗糙化，加劇表面的氧化，影響材料的動(dòng)態(tài)摩擦磨損行為，故電弧信號(hào)和動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)信號(hào)密切相關(guān)。

同時(shí)，總結(jié)所有試驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn):不同的材料所產(chǎn)生的電弧不一樣;在V＜30 m/s，P＞150 N，I＜20 A條件下很少觀(guān)測(cè)到電弧。

電弧的產(chǎn)生條件主要是與氣隙的間距、加在氣隙上的電壓等有關(guān)，載流摩擦中，動(dòng)態(tài)的接觸壓力直接反映了摩擦副的接觸狀態(tài)，接觸壓力為零，表示完全脫開(kāi)，可能產(chǎn)生電弧;接觸壓力大于零時(shí)，表示有正常接觸點(diǎn)，不同的接觸壓力反映了不同的真實(shí)接觸點(diǎn)數(shù)。所以，接觸壓力、氣隙上的電壓降等因素直接影響電弧，即電弧與載荷、速度和電流等配副參數(shù)密切相關(guān)。

2.5 載流摩擦過(guò)程中的表面行為

圖11給出了材料載流摩擦過(guò)程中出現(xiàn)的各種磨損機(jī)制，其中，圖11a為盤(pán)試樣黏著和氧化的痕跡，圖11b為銷(xiāo)試樣磨損表面出現(xiàn)塑性變形和犁溝的痕跡，圖11c為載流摩擦后磨損表面的縱切面，可明顯看到塑性變形層，圖11d為嚴(yán)重熔融的載流摩擦表面，圖11e為電弧造成材料噴濺的磨損表面，圖11f為電弧造成熔融表面冷卻后出現(xiàn)龜裂的磨損表面，圖11g為碳/碳材料載流磨損后的表面，圖上凹坑為碳材料氣化、蒸發(fā)的結(jié)果，圖11h為粉末冶金材料表面剛剛出現(xiàn)熔融的情況，出現(xiàn)了液態(tài)的金屬絲，圖11i為浸金屬碳滑板材料載流摩擦后的縱切面，可明顯看出金屬材料熔化析出后表層和芯部材料的差別。不管什么條件，由于摩擦熱、電阻熱、電弧熱等熱源的作用，材料的摩擦表面都會(huì)出現(xiàn)氧化，當(dāng)有電弧作用時(shí)，由于嚴(yán)重的局部過(guò)熱，電弧作用區(qū)的氧化比其他部位更嚴(yán)重。

圖10 電弧能量和摩擦因數(shù)的關(guān)系

圖11 材料磨損中出現(xiàn)的各種磨損機(jī)制

載流摩擦材料的磨損方式有機(jī)械磨損、電氣磨損和氧化磨損［7］，其中機(jī)械磨損是正常的磨損，其主要形式包括塑性變形、犁溝、黏著等現(xiàn)象。當(dāng)金屬基材料與鉻青銅盤(pán)干摩擦?xí)r，由于金屬的親和力，使得摩擦表面容易出現(xiàn)黏著現(xiàn)象，當(dāng)其界面有固體潤(rùn)滑劑時(shí)，磨損面出現(xiàn)了塑性變形和犁溝等形貌，有電弧出現(xiàn)時(shí)，由于大量的電弧熱短時(shí)間內(nèi)持續(xù)作用在一個(gè)狹小區(qū)域內(nèi)，材料摩擦表面會(huì)出現(xiàn)熔融、噴濺的痕跡。當(dāng)銷(xiāo)試樣為碳材質(zhì)時(shí)，碳材料被蒸發(fā)氣化，形成空洞，熔融的痕跡不再出現(xiàn)(碳的熔點(diǎn)很高)，黏著磨損的痕跡也不見(jiàn)了(銅材料與碳材料完全不潤(rùn)濕)。但是，還沒(méi)有觀(guān)測(cè)到在一次試驗(yàn)中只出現(xiàn)一種磨損機(jī)理。所以，載流摩擦過(guò)程中磨損機(jī)制不是同時(shí)全部出現(xiàn)，也不是某時(shí)刻只有一種機(jī)制出現(xiàn)，而是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。

電弧對(duì)材料的侵蝕包括熔融、噴濺、氣化、蒸發(fā)及由于電弧熱造成的氧化等。電弧侵蝕與電弧的強(qiáng)弱及持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)，單個(gè)電弧持續(xù)作用在很小的區(qū)域，電弧的強(qiáng)弱和持續(xù)時(shí)間直接決定了該區(qū)域輸入能量的大小，同時(shí)，電弧侵蝕還與材料的性質(zhì)有關(guān)，電弧侵蝕的結(jié)果使得磨損表面的最終粗糙化。

表1給出了銅基粉末冶金材料(PM)在不同試驗(yàn)條件下磨損表面的粗糙度值。對(duì)比試驗(yàn)1和試驗(yàn)2發(fā)現(xiàn):隨著載荷的增加，磨損表面的表面質(zhì)量變差。對(duì)比試驗(yàn)3、試驗(yàn)4和試驗(yàn)5發(fā)現(xiàn):隨著電流的增加，磨損表面的表面質(zhì)量變差。對(duì)比試驗(yàn)6、試驗(yàn)7和試驗(yàn)8發(fā)現(xiàn):隨著速度的增加，磨損表面的表面質(zhì)量變差，特別是速度為40 m/s時(shí)，材料的表面質(zhì)量急劇變差。隨著載荷的增加，材料的機(jī)械磨損增加，電阻熱增加，其危害也表現(xiàn)在機(jī)械磨損中，起弧的概率降低，在試驗(yàn)條件下，綜合表現(xiàn)為表面質(zhì)量變差;隨著電流的增加，電阻熱對(duì)材料性能的惡化加劇，起弧的概率增加，電弧的危害增大，所以表面質(zhì)量變差;隨著速度的增加，材料機(jī)械磨損增加，起弧率增加，電弧的危害加大，表面質(zhì)量惡化。

載流摩擦中的電接觸和摩擦接觸都是通過(guò)接觸表面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，磨損表面的形貌與電性能和摩擦磨損性能直接相關(guān)。結(jié)合前文中載荷、速度和電流對(duì)載流行為和摩擦磨損行為的影響，可以認(rèn)為磨損表面的質(zhì)量對(duì)載流摩擦行為有重要影響。

綜上所述，材料的表面發(fā)生了黏著、犁溝、塑性變形、氧化、熔融等行為，表面粗糙度發(fā)生變化(常常是劇烈變壞)，這些表面行為正是載流特性和摩擦磨損特性相互關(guān)聯(lián)的原因。

表1 不同條件磨損表面的粗糙度

3 結(jié)論

(1)載流摩擦中，配副的摩擦磨損行為和電接觸行為是非常復(fù)雜的相互耦合關(guān)系。

(2)材料和工作條件的變化顯著地影響載流/摩擦磨損行為，高相對(duì)滑動(dòng)速度和大電流惡化摩擦磨損特性和載流特性。

(3)電弧對(duì)載流摩擦行為有重要的影響，起弧與載流摩擦副的材料因素、工作條件(載荷、相對(duì)滑動(dòng)速度和電流)等有關(guān)，其對(duì)載流摩擦行為作用的途徑包括氧化、熔融和最終的接觸表面粗糙化等。

(4)載流摩擦過(guò)程中表面行為有多種機(jī)制(黏著、犁溝、塑性變形、氧化、熔融、噴濺、氣化、蒸發(fā)等)，而且，載流摩擦表面行為是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，不會(huì)只出現(xiàn)一種機(jī)制或者所有的機(jī)制都出現(xiàn)。

［1］上官寶.載流/摩擦耦合條件下材料的損傷機(jī)制研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2011.

［2］李鵬，張永振，孫樂(lè)民.受電摩擦磨損的研究現(xiàn)狀［J］.洛陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23(4):34－37.

［3］甄磊.淺析接觸網(wǎng)覆冰現(xiàn)象的危害以及應(yīng)對(duì)措施［J］.電氣化鐵道，2011(3):30－32.

［4］金學(xué)松，郭俊，肖新標(biāo)，等.高速列車(chē)安全運(yùn)行研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題［J］.工程力學(xué)，2009，26(Sup.II):8－25.

［5］Fisher J，Gibson E D.Electrode Erosion in High Current［J］.Wear，1927(29):48 －52.

［6］Landly I T.Contact Wire Wear on Electric Railroad［J］.AIEE，1929(10):756 －759.

［7］松山晉作.受電弓的受流摩擦學(xué)［J］.電力牽引快報(bào)，1997(1):52－60.

［8］Shangguan B，Zhang Y Z，Xing J D，et al.Comparative Study on Wear Behaviors of Metal-impregnated Carbon Material and C/C Composite Under Electrical Sliding［J］.Tribology Transactions，2010，53(6):933 －938.

［9］Shunichi K，Koji K.Effect of Arc Discharge on the Wear Rate and Wear Mode Transition of a Copper-impregnated Metallized Carbon Contact Strip Sliding Against a Copper Disk［J］.Tribology International，1999(32):367 － 378.

［10］Williamson J B P.Deterioration Processes in Electrical Connectors［C］//Proc 4 Int Conf Electr Contact Phenomena Swansea.1968:30 －34.

［11］雷棟，吳廣寧，張雪原，等.高速鐵路弓網(wǎng)電弧抑制方法的研究［J］.供變電，2008(5):1－4.

［12］Shunichi K，Koji K.Effect of Arc Discharge on Wear Rate of Cu-impregnated Carbon Strip in Un-lubricated Sliding Against Cu Trolley Under Electric Current［J］.Wear，1998，216(2):172 － 178.

［13］徐學(xué)基，諸定昌.氣體放電物理［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，1996.