載流條件下電弧對C/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

牛曉彬，張永振，上官寶，楊正海，杜三明

(1.河南科技大學(xué) 河南省摩擦學(xué)重點實驗室，河南 洛陽 471023；2.機(jī)械科學(xué)研究總院 武漢材料保護(hù)研究所，湖北 武漢 430030)

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載流條件下電弧對C/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

牛曉彬1，張永振1，上官寶1，楊正海2，杜三明1

(1.河南科技大學(xué) 河南省摩擦學(xué)重點實驗室，河南 洛陽 471023；2.機(jī)械科學(xué)研究總院 武漢材料保護(hù)研究所，湖北 武漢 430030)

摘要：在HST-100銷盤式高速載流摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行了試驗，用高速攝像機(jī)拍攝電弧圖像，研究了載流條件下電弧對C/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。研究結(jié)果表明：電弧面積和電弧能量有很好的相關(guān)性。隨著電弧面積的增大，C/C復(fù)合材料的磨損率升高，摩擦因數(shù)先減小后增大，材料的磨損機(jī)制由磨粒磨損為主轉(zhuǎn)化為電弧侵蝕為主。在電弧侵蝕下，材料磨損后的表面被氧化。

關(guān)鍵詞：電弧面積；磨損率；摩擦因數(shù)；C/C復(fù)合材料

0引言

電弧是一種自持性氣體放電現(xiàn)象，其主要特點是可以在幾微秒的時間內(nèi)達(dá)到4 000～10 000 K的高溫[1]。載流摩擦過程中的電弧現(xiàn)象是不可避免的[2]，產(chǎn)生的電弧對摩擦副材料有強(qiáng)烈的侵蝕作用[3]。大量的電弧熱加速了摩擦副界面材料的氧化反應(yīng)，造成界面材料熔融、蒸發(fā)和噴濺等損失，從而大大降低了摩擦副的壽命，甚至在實際工況下還會造成重大的安全事故[4]。目前，對載流摩擦中電弧的研究已經(jīng)取得了一定的成果，如：電弧瞬時產(chǎn)生的高溫對材料摩擦磨損性能有很大的影響[5]；電弧侵蝕量與電流和燃弧時間的乘積呈線性關(guān)系[6]；電弧能量的損失與電弧的幾何形狀和尺寸相關(guān)[7]等。同時，也提出了新的參量，如電弧能量、起弧率和燃弧率等，并用這些參量來表征電弧對材料摩擦磨損性能的影響。但是，這些參量都是載流摩擦參數(shù)的統(tǒng)計量，無法和對應(yīng)電弧的作用點聯(lián)系起來，因此，很難進(jìn)一步反映電弧本身特性對材料損傷的影響[8]。

本文以C/C復(fù)合材料鉻青銅為摩擦副，在HST-100高速載流摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行了試驗，通過高速攝像機(jī)拍攝電弧圖像，觀察載流摩擦條件下電弧的形態(tài)。將電弧面積作為表征電弧基本特性的參量，分析電弧面積與電弧能量的關(guān)系及其對材料摩擦磨損性能的影響。

1試驗

圖1　HST-100銷盤式高速載流摩擦磨損試驗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1試驗設(shè)備及參數(shù)

試驗在自制的HST-100銷盤式高速載流摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電弧圖像由日本NAC公司生產(chǎn)的HX-5型高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，拍攝時間為10 s，拍攝幀速率為20 000 幀/s。在拍攝電弧圖像的同時，試驗機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集速度、扭矩、載荷、電流和電壓等參數(shù)。試驗使用的摩擦盤材料為QCr0.5，銷試樣為C/C復(fù)合材料。其中，C/C復(fù)合材料由三維編織碳纖維材料經(jīng)過化學(xué)氣相沉積后，再經(jīng)樹脂浸漬和碳化制備而成。試驗載荷為70 N，摩擦盤速度分別為20 m/s、30 m/s、40 m/s、50 m/s和60 m/s，電流分別為20 A、40 A、60 A、80 A和100 A。載流摩擦磨損試驗后，采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察C/C復(fù)合材料的摩擦表面形貌，用X射線能譜分析儀(energy dispersive X-ray analysis，EDAX)分析材料摩擦表面的成分。

1.2電弧參數(shù)的測定

在對電弧面積測定時，不同的研究者會因試驗環(huán)境或處理電弧圖像方式的不同而得到不同的結(jié)果[9-10]。因此，本文設(shè)計了一個標(biāo)準(zhǔn)尺寸為1 cm2的對比圖像。試驗時，將標(biāo)準(zhǔn)尺寸為1 cm2的正方形材料豎直放置于盤銷間起弧位置的中心處，保持高速攝像機(jī)的光圈大小、進(jìn)光量、視場位置以及拍攝幀速率一致，拍攝一組照片作為對比標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)對比圖像的像素可得到試驗環(huán)境下每個像素所代表的真實面積。然后，分別統(tǒng)計電弧圖像和標(biāo)準(zhǔn)對比圖像的像素，則電弧面積計算公式為：

(1)

其中：S為電弧面積，mm2；N為電弧圖像的像素，pixel；N0為標(biāo)準(zhǔn)對比圖像的像素，N0=16 600 pixel。

在載流摩擦過程中會有成百上千次的電弧出現(xiàn)，這里引入平均電弧面積來表征單次試驗過程中所有電弧面積的大小。平均電弧面積即所有電弧面積的總和與出現(xiàn)電弧頻次的比值，計算公式為：

(2)

電弧能量與產(chǎn)生電弧時銷-盤之間的電壓、電流和電弧燃燒時間密切相關(guān)，電弧能量計算公式為：

(3)

其中：E為單次試驗的電弧能量，J；U為單次離線時銷-盤間的電壓，V；I為單次離線時流經(jīng)銷-盤間的電流，A；△t為單次離線時長，s。

1.3摩擦磨損性能的測定

摩擦因數(shù)由測量的扭矩值計算獲得，其計算公式為：

(4)

其中：μ為摩擦因數(shù)；N為摩擦扭矩，N·m；F為單次試驗施加在銷試樣上的壓力，F(xiàn)=70 N；L為兩個銷試樣的中心距，L=160 mm。

質(zhì)量磨損率是指摩擦磨損試驗過程中材料單位距離的質(zhì)量損失量。用精度為0.1 mg的BS210S型電子分析天平稱量每次試驗前后材料的質(zhì)量，計算出銷試樣磨損試驗前后的質(zhì)量損失量，磨損率的計算公式為：

(5)

2結(jié)果與討論

2.1電弧面積與電弧能量的關(guān)系

圖2為C/C復(fù)合材料在載荷70 N、40 A和20 m/s條件下，電弧面積和電弧能量隨時間的變化曲線。由圖2可以看出：電弧面積和電弧能量之間有一定的相關(guān)性，兩個曲線波峰和波谷出現(xiàn)的時間段相近。這是由于電弧從起弧到穩(wěn)定燃弧階段(即燃弧前期)，電弧能量越大，向弧柱等離子中輸入的能量就越高，等離子體中各種粒子的振蕩運動就越劇烈，宏觀上表現(xiàn)為電弧溫度急劇升高，從而電弧弧柱區(qū)的內(nèi)部壓力和電弧擴(kuò)散區(qū)域就越大，導(dǎo)致電弧面積增大。在電弧的熄弧階段(即燃弧后期)，電弧面積與電弧能量呈指數(shù)關(guān)系[11]，電弧面積會隨電弧能量的衰減呈減小的趨勢，因而電弧面積和電弧能量之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

圖2　　　　C/C復(fù)合材料的電弧面積和電弧能量隨時間　　　的變化曲線

電弧面積和電弧能量之間的相關(guān)程度可用相關(guān)系數(shù)[11]來表示。相關(guān)系數(shù)r為：

r值在-1和+1之間，r>0為正相關(guān)，r<0為負(fù)相關(guān)，r=0表示不相關(guān)，其絕對值愈接近1表示兩個變量間的相關(guān)程度愈密切，愈接近0表示相關(guān)程度愈不密切。本試驗中，電弧面積和電弧能量的相關(guān)系數(shù)r=0.723 6，可見在載流摩擦磨損過程中,電弧面積和電弧能量表現(xiàn)出比較好的相關(guān)性。

2.2電弧面積與C/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的關(guān)系

表1　不同摩擦盤速度下的平均電弧面積

表1為載荷70 N、電流60 A，不同摩擦盤速度下的平均電弧面積。根據(jù)表1中的平均電弧面積，繪制其與C/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的關(guān)系曲線，見圖3。由圖3a可以看出：當(dāng)平均電弧面積相對較小時，材料磨損率增加較為平緩；當(dāng)平均電弧面積急劇增加時，材料磨損率急劇增加。主要原因為：在載流摩擦過程中，由于電弧的出現(xiàn)，大量的電弧熱使材料界面的溫度急劇升高，致使材料性能軟化，甚至直接導(dǎo)致C/C復(fù)合材料熔化和氣化，加速了材料的轉(zhuǎn)移，發(fā)生電氣磨損[12]；同時，在高溫作用下，界面材料更容易發(fā)生氧化磨損。平均電弧面積越大，材料接觸面上的電氣磨損區(qū)域和氧化磨損區(qū)域就會越大；同時，隨著平均電弧面積的增大，電弧能量增大，對于同一塊區(qū)域，其相應(yīng)的燃弧時間也會增大。電弧的強(qiáng)弱和持續(xù)時間直接決定了該區(qū)域電弧的侵蝕程度[13]，因此，面積越大的電弧對材料磨損的影響越大。

圖3　平均電弧面積與C/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的關(guān)系

由圖3b可以看出：C/C復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨平均電弧面積的增大先減小后增大，表明當(dāng)平均電弧面積超過某一定值時，C/C復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)制發(fā)生了改變。主要原因為：一方面，當(dāng)電弧面積較小時，隨著電弧面積的增大，電弧產(chǎn)生的高溫使摩擦接觸面溫度升高，界面材料軟化，材料界面上接觸點的抗剪切能力降低，接觸點更容易被剪斷，摩擦因數(shù)降低；另一方面，由于在電弧的高溫侵蝕作用下，

圖4　摩擦盤表面的碳潤滑膜

C/C復(fù)合材料中碳纖維及纖維間沉積的碳被蒸發(fā)氣化，氣化后細(xì)小的碳顆粒沉積在摩擦副表面，在銷盤的擠壓作用下，形成潤滑碳膜(如圖4所示)，因而摩擦因數(shù)降低。當(dāng)電弧面積相對較大時，電弧能量明顯增強(qiáng)，在強(qiáng)烈的電弧侵蝕作用下，C/C復(fù)合材料表面的沉積碳及碳纖維被大量蒸發(fā)氣化，留下許多孔洞[14]，隨著電弧損傷區(qū)域的增大，電弧侵蝕孔洞增多，摩擦副材料表面接觸狀態(tài)嚴(yán)重惡化，粗糙度增加，從而使摩擦因數(shù)升高。

2.3摩擦磨損試樣表面形貌觀察

由圖5c和圖5d可以看出：C/C復(fù)合材料的磨損表面除了基體元素C之外，還有大量摩擦盤上轉(zhuǎn)移的Cu元素和少量的O元素，說明在機(jī)械摩擦熱和電弧熱的高溫作用下，材料發(fā)生氧化反應(yīng)，在摩擦表面產(chǎn)生了氧化物[16]。另外，從EDAX譜的衍射峰高度來看，在較小電弧侵蝕下，基體C的X射線衍射峰強(qiáng)度要大于較大電弧侵蝕下基體C的X射線衍射峰強(qiáng)度，說明C/C復(fù)合材料中C的蒸發(fā)氣化程度隨電弧面積的增大而增大，故電弧越大，對C/C復(fù)合材料的侵蝕越嚴(yán)重。

圖5　不同電弧面積下C/C復(fù)合材料摩擦磨損后的表面SEM形貌及EDAX譜

3結(jié)論

(1)電弧面積和電弧能量有很好的相關(guān)性，電弧面積越大，電弧能量越高，對材料的侵蝕越嚴(yán)重。

(2)C/C復(fù)合材料的磨損率隨電弧面積的增大而增大，摩擦因數(shù)隨電弧面積的增大先減小后增大。

(3)隨著電弧面積的增大，材料的磨損形式由磨粒磨損機(jī)制為主轉(zhuǎn)化為電弧侵蝕機(jī)制為主，磨損后的表面被氧化。

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中圖分類號：TG146.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-11-27

作者簡介：牛曉彬(1991-),男,河南洛陽人,碩士生;張永振(1963-),男,陜西澄城人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事材料摩擦學(xué)方面的研究.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51375147,51405134)

文章編號：1672-6871(2016)03-0001-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.001