極性對載流電弧演化及其燒蝕的影響

宋聯(lián)美，張永振，上官寶，楊正海

(1.機(jī)械科學(xué)研究總院 武漢材料保護(hù)研究所特種表面保護(hù)材料及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430030；2.河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471023；3.洛陽理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

極性對載流電弧演化及其燒蝕的影響

宋聯(lián)美1,3，張永振1,2，上官寶2，楊正海2

(1.機(jī)械科學(xué)研究總院 武漢材料保護(hù)研究所特種表面保護(hù)材料及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430030；2.河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471023；3.洛陽理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

在自制的載流電弧試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了極性對載流電弧的演化過程和燒蝕影響試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)，載流電弧燃燒劇烈，燃弧時(shí)間長，大量蒸氣溢出，載流摩擦副的燒蝕嚴(yán)重；當(dāng)鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)，載流電弧燃燒劇烈程度明顯減弱，燃弧時(shí)間短，少量蒸氣溢出，載流摩擦副的燒蝕較輕。載流電弧具有明顯的極性特性，從帶電粒子的產(chǎn)生機(jī)理、電弧狀態(tài)和電弧燒蝕機(jī)理方面進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)陽極材料蒸發(fā)氣化是電弧燃燒的主要影響因素，可通過分散電子對陽極材料的熱輸入來抑制電弧燃燒，縮短金屬蒸氣態(tài)電弧存在時(shí)間以減輕電弧燒蝕。

載流電??；極性；電弧演化；電弧燒蝕

0 引言

載流摩擦副是在相對滑動接觸過程中傳遞電能的摩擦副，應(yīng)用于電氣化鐵路的弓網(wǎng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)的碳刷與集電環(huán)系統(tǒng)、高低壓輸變電系統(tǒng)的各種開關(guān)以及運(yùn)載火箭升空過程中的整流裝置[1]。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，載流摩擦副的工作條件日益苛刻，傳遞電流和運(yùn)行速度大幅度提高，同時(shí)載流摩擦副的使用可靠性要求也隨之提高，而載流摩擦副的摩擦磨損性能影響到摩擦副電能傳遞的可靠性和使用壽命[2]。

國內(nèi)外學(xué)者從材料、電流、速度和載荷等方面，對載流摩擦副的摩擦磨損性能進(jìn)行了較深入的研究。載流摩擦副材料具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、低接觸電阻和較高的機(jī)械性能，在金屬基體中加入固體潤滑劑如石墨和硫化鉬等，不僅能保證電能的傳遞，而且可以提高材料的摩擦磨損性能[3-4]。電流密度增加，載流摩擦副表面溫度升高，發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，并且容易產(chǎn)生電弧，加劇磨損，但是摩擦因數(shù)降低[5-7]。運(yùn)行速度增加，載流摩擦副間摩擦熱增加，同時(shí)也加劇載流摩擦副非周期性振動和沖擊，導(dǎo)致接觸狀態(tài)惡化。低速時(shí)，材料損傷主要由摩擦熱引起的黏著磨損為主；而高速時(shí)，主要以電弧燒蝕為主[8-9]。隨著載荷增加，載流摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，存在理想接觸壓力值。載荷較小時(shí)，接觸不良引起載流電弧，導(dǎo)致電弧損傷；載荷較大時(shí)，接觸平穩(wěn)但磨損加劇，主要以犁溝和黏著磨損為主[10-11]。綜上所述，載流摩擦副在運(yùn)動過程中不可避免地會出現(xiàn)脫離或閉合現(xiàn)象，導(dǎo)致載流電弧產(chǎn)生。載流摩擦副的磨損率與電弧能量呈指數(shù)關(guān)系增加[12]，載流電弧是導(dǎo)致載流摩擦副摩擦磨損性能惡化的主要因素，所以抑制載流電弧的產(chǎn)生和減緩電弧燒蝕是載流摩擦研究的重點(diǎn)。但是，目前的研究在銷盤式或線塊式載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中載流摩擦副始終保持接觸，材料損傷在摩擦熱、電阻熱和電弧熱共同作用下產(chǎn)生，并且載流電弧是在摩擦副脫離瞬間產(chǎn)生，不容易捕捉，這都不利于研究載流電弧的性能。

因此，本文自制了針板式載流電弧試驗(yàn)機(jī)，最大程度地減小摩擦熱和電阻熱對材料損傷的影響。主要以載流摩擦副脫離時(shí)產(chǎn)生的載流電弧為研究對象，進(jìn)行了不同極性下載流電弧的演化過程和燒蝕機(jī)理的試驗(yàn)研究，為提出抑制載流電弧和減緩電弧燒蝕的有效措施提供理論指導(dǎo)。

圖1 載流電弧試驗(yàn)機(jī)示意圖

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)裝置

在自制的針板式載流電弧試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，載流電弧試驗(yàn)機(jī)示意圖見圖1。探針沿Z方向上下移動，板沿X方向往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)探針和板滑動接觸時(shí)，探針、板和電源組成封閉電流回路，電流通過探針和板的接觸面進(jìn)行傳遞。當(dāng)探針和板脫離時(shí)，探針、電弧、板和電源組成封閉的電流回路，電流通過載流電弧傳遞。電源采用JP50100D型直流電源，可提供穩(wěn)定的直流電流或電壓；電弧電流由量程為0～50 A的霍爾式電流傳感器測定；電弧電壓由量程為0～50 V的霍爾式電壓傳感器測定。燃弧過程中的電弧圖像由拍攝速度為1 000幀/s的高速攝像機(jī)采集，所有信號由數(shù)據(jù)采集卡同步采集，采集頻率為5 kHz，通過軟件處理后在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)中探針材料是鎢合金，由鎢(W)和二氧化釷(ThO2)組成，其中ThO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70%～0.99%，鎢探針直徑2.4 mm，長45.0 mm，末端加工成錐角為30°的圓錐狀。板試樣材料是純銅，尺寸是80 mm×40 mm×8 mm，試驗(yàn)前用800號金相砂紙對其進(jìn)行打磨。試驗(yàn)電流分別為20 A、25 A、30 A、35 A和40 A，試驗(yàn)電壓為30 V。試驗(yàn)開始前鎢探針與銅試樣保持接觸，接通電源后銅試樣沿X方向以10 mm/s的速度運(yùn)動，鎢探針靜止，此時(shí)銅試樣與鎢探針保持滑動接觸；2 s后，鎢探針以3 mm/s的速度沿Z方向上移，與仍保持運(yùn)動的銅試樣逐漸脫離，產(chǎn)生載流電弧。

利用Memrecam HX-3型高速攝像機(jī)對整個(gè)燃弧過程的電弧圖像進(jìn)行采集，通過Image-Pro Plus軟件對圖像進(jìn)行測量，用電弧圖像的像素點(diǎn)數(shù)目表示電弧面積。利用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡對電弧燒蝕表面進(jìn)行觀察分析，并用配套的EDAX能譜分析儀分析燒蝕表面成分變化。利用Nanofocus AG 型三維表面輪廓儀對燒蝕表面進(jìn)行掃描，測量燒蝕坑尺寸，以計(jì)算得到的燒蝕坑體積表示燒蝕量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 載流電弧演化過程

圖2是鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)載流電弧演化過程(35 A)。開始時(shí)鎢探針與銅試樣保持滑動接觸，隨后上移并與銅試樣逐漸脫離，這時(shí)鎢探針和銅試樣接觸面積減少，接觸電阻和傳遞的電流密度增加，大量的電阻熱使鎢探針和銅試樣表面發(fā)生熔化和蒸發(fā)氣化，金屬蒸氣在高電場強(qiáng)度下產(chǎn)生帶電粒子，形成金屬蒸氣等離子云，載流電弧形成。

電弧在起弧階段出現(xiàn)飛濺，如圖2a所示。約30 ms時(shí)蒸氣溢出，如圖2b所示，標(biāo)志著電弧進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段。隨著燃弧時(shí)間延長，大量的蒸氣溢出，電弧面積增加，電弧呈亮白色，如圖2c所示。約690 ms時(shí)電弧面積開始減小，如圖2d所示，電弧進(jìn)入衰減階段。隨著鎢探針和銅試樣間距增大，帶電粒子特別是電子無法到達(dá)陽極時(shí)，通過復(fù)合、附著或擴(kuò)散的方式消失[13]，帶電粒子減少，等離子云出現(xiàn)分離，電弧不連續(xù)，如圖2e所示。隨后，電弧迅速熄滅(見圖2f)。

圖3是鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)載流電弧演化過程(35 A)。電弧在起弧階段產(chǎn)生的飛濺不大，如圖3a所示。約30 ms時(shí)觀察到蒸氣溢出，如圖3b所示。隨著燃弧時(shí)間延長，蒸氣不斷溢出，但溢出量較少，電弧面積增加，如圖3c所示。約260 ms時(shí)電弧面積開始減小，如圖3d所示，電弧進(jìn)入衰減階段。在衰減階段沒有觀察到電弧不連續(xù)現(xiàn)象，電弧迅速熄滅，如圖3e所示。

圖4是電流為35 A時(shí)，不同極性下電弧面積隨燃弧時(shí)間的變化曲線。由圖4可知：電弧面積開始迅速增加，然后緩慢增加，最后迅速降低。當(dāng)鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)，燃弧時(shí)間長，電弧面積大；但是當(dāng)鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)，燃弧時(shí)間短，電弧面積小。

圖2 鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)載流電弧演化過程(35 A)

圖3 鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)載流電弧演化過程(35 A)

2.2 不同極性下電弧燒蝕體積變化

圖5是不同極性下銅試樣燒蝕坑體積隨電流的變化曲線。由圖5可知：當(dāng)鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)，隨電流增加，銅試樣燒蝕坑體積幾乎呈線性增加，電流為20 A時(shí)，燒蝕坑體積為1.8×105μm3；電流為40 A時(shí)，燒蝕坑體積高達(dá)64.2×105μm3。當(dāng)鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)，銅試樣的燒蝕坑體積先增加后降低，電流為30 A時(shí)，燒蝕坑體積為10.1×105μm3，達(dá)到最大值，這與材料的氧化有關(guān)。通過比較得出：不同極性下電弧燒蝕體積明顯不同，當(dāng)鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)，銅試樣的電弧燒蝕更為嚴(yán)重。

圖4 不同極性下電弧面積隨燃弧時(shí)間的變化(35A)圖5 不同極性下銅試樣燒蝕坑體積隨電流的變化

3 討論

3.1 帶電粒子的產(chǎn)生機(jī)理

電弧在燃燒過程中，陽極受到大量電子轟擊而達(dá)到高溫，發(fā)生蒸發(fā)氣化，金屬蒸氣電離產(chǎn)生帶電粒子。陰極受到陽離子撞擊，溫度升高，有利于電子發(fā)射，但發(fā)射電子消耗能量，陰極表面被冷卻[13]，所以陰極的蒸發(fā)氣化現(xiàn)象沒有陽極強(qiáng)烈。帶電粒子產(chǎn)生的同時(shí)還以擴(kuò)散和復(fù)合的形式消失，電弧穩(wěn)定燃燒實(shí)質(zhì)上是帶電粒子產(chǎn)生、運(yùn)動和消失的動態(tài)平衡過程。因金屬蒸氣比氣體的電離電壓低，更容易電離產(chǎn)生帶電粒子[14]，所以電弧燃燒取決于金屬蒸氣產(chǎn)生的難易程度。電弧中金屬蒸氣由陽極和陰極材料蒸發(fā)氣化產(chǎn)生，但由于陰極發(fā)射電子消耗能量，所以金屬蒸氣主要通過陽極蒸發(fā)氣化產(chǎn)生。

當(dāng)鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)，陽極鎢探針直徑小，受到大量電子的集中撞擊，發(fā)生強(qiáng)烈地蒸發(fā)氣化，提供大量金屬蒸氣，促進(jìn)電弧劇烈燃燒。當(dāng)鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)，陽極銅試樣處于運(yùn)動狀態(tài)，電子撞擊位置發(fā)生變化，并且銅導(dǎo)熱快，所以發(fā)生蒸發(fā)氣化不強(qiáng)烈，導(dǎo)致電弧燃燒困難。

3.2 電弧燒蝕機(jī)理分析

由文獻(xiàn)[15]可知，開關(guān)觸頭間電弧發(fā)展經(jīng)歷兩個(gè)階段：第一階段是金屬蒸氣態(tài)電弧，即電弧在金屬蒸氣中燃燒；第二階段是氣體態(tài)電弧，當(dāng)金屬蒸氣密度降低時(shí)，周圍氣體會參與電弧燃燒，電弧由金屬蒸氣態(tài)向氣體態(tài)過渡，這時(shí)電弧電壓會出現(xiàn)明顯變化。

圖6是鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)電弧電壓隨燃弧時(shí)間的變化圖(20 A)。由圖6可知：電弧電壓先是迅速增加，然后緩慢增加，約244 ms時(shí)電弧電壓保持穩(wěn)定，隨后迅速增加到空載電壓30 V，標(biāo)志著載流電弧發(fā)生了由金屬蒸氣態(tài)電弧向氣體態(tài)電弧的轉(zhuǎn)變。電弧為金屬蒸氣態(tài)時(shí)，金屬蒸氣產(chǎn)生的帶電粒子質(zhì)量大，運(yùn)動性較差，電弧熱量集中[14]，導(dǎo)致電弧燒蝕嚴(yán)重。當(dāng)金屬蒸氣減少，空氣參與電離，電弧轉(zhuǎn)化為氣體態(tài)，氣體態(tài)電弧質(zhì)量小，運(yùn)動性好，電弧熱量分散[14]，電弧燒蝕較輕。圖7為不同極性下金屬蒸氣態(tài)電弧燃弧時(shí)間隨電流的變化圖。由圖7可知：隨著電流增加，金屬蒸氣態(tài)電弧燃弧時(shí)間增長，但是鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)，金屬蒸氣態(tài)電弧燃弧時(shí)間比鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)長得多，所以導(dǎo)致電弧燒蝕嚴(yán)重。

圖6 鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)電弧電壓隨燃弧時(shí)間變化(20A) 圖7 不同極性下金屬蒸氣態(tài)電弧燃弧時(shí)間隨電流變化

3.3 電弧燒蝕機(jī)理的影響

圖8是不同極性下鎢探針和銅試樣的微觀燒蝕形貌(25 A)。當(dāng)鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)，鎢探針表面凸凹不平，銅試樣表面形成明顯的燒蝕坑，如圖8a和圖8b所示。當(dāng)鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)，鎢探針表面較平坦，銅試樣燒蝕坑特征不明顯，如圖8c和圖8d所示。

圖8 不同極性下鎢探針和銅試樣微觀燒蝕形貌(25 A)

表1是不同極性下鎢探針和銅試樣的燒蝕表面上不同區(qū)域(見圖8)的能譜分析。圖8和表1中：區(qū)域1和區(qū)域5是鎢探針分別為陽極和陰極時(shí)燒蝕表面；區(qū)域2、區(qū)域3和區(qū)域4分別是銅試樣為陰極時(shí)表面燒蝕坑的底部、邊緣和電弧未直接燒蝕到的位置；區(qū)域6、區(qū)域7和區(qū)域8分別是銅試樣為陽極時(shí)表面燒蝕坑的底部、邊緣和電弧未直接燒蝕到的位置。由表1可知：材料在電弧作用下除了發(fā)生材料轉(zhuǎn)移外，還發(fā)生了不同程度的氧化。鎢探針為陽極時(shí)，燒蝕表面的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.37% (見表1的區(qū)域1)，鎢探針為陰極時(shí)，燒蝕表面的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.28% (見表1的區(qū)域5)；與鎢探針相匹配的銅試樣為陰極時(shí)，燒蝕表面的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.22% (見表1的區(qū)域2)，銅試樣為陽極時(shí)，燒蝕表面的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.59% (見表1的區(qū)域6)，可見載流摩擦副的陽極比陰極氧化嚴(yán)重。這是因?yàn)殡娀‘a(chǎn)生大量的電子，空氣中的氧對電子親和力強(qiáng)，電子被氧原子獲得成為負(fù)氧離子，在電場力作用下會吸附在陽極表面發(fā)生氧化[16]，有利于陽極表面氧化。另一方面，陰極表面受到質(zhì)量較大的陽離子撞擊，擊碎表面氧化膜而起到凈化作用[13]，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)減低。

表1 不同極性下鎢探針和銅試樣燒蝕表面能譜分析

當(dāng)鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)，電弧燃燒劇烈，燃弧時(shí)間長，電弧能量高，鎢探針發(fā)生強(qiáng)烈地蒸發(fā)氣化和氧化，導(dǎo)致燒蝕嚴(yán)重，表面凸凹不平，如圖8a所示；并且鎢蒸氣冷凝后沉積在銅試樣燒蝕坑邊緣處，呈顆粒狀，結(jié)構(gòu)疏松，如圖8b的區(qū)域4所示。銅試樣因陰極凈化作用，表面氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，在電弧作用下發(fā)生熔化時(shí)，液態(tài)金屬黏度小，在電弧力作用下容易被排開，從而形成明顯的燒蝕坑，如圖8b中區(qū)域2所示。

當(dāng)鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)，電弧燃燒不劇烈，燃弧時(shí)間短，電弧能量低，鎢探針表面發(fā)生輕微地蒸發(fā)氣化，并且與其匹配的陽極銅試樣蒸發(fā)氣化后沉積在鎢探針表面；進(jìn)一步減輕鎢探針的燒蝕，表面較為平坦，如圖8c所示。作為陽極的銅試樣燒蝕表面氧化嚴(yán)重，在電弧作用下發(fā)生熔化時(shí)，高熔點(diǎn)氧化物會增加液態(tài)金屬黏度[17-18]，在電弧力作用下液態(tài)金屬不容易被排開，阻礙燒蝕坑的形成，所以形成的燒蝕坑窄而淺，如圖8d所示。

4 結(jié)論

(1)鎢探針為陽極、銅試樣為陰極時(shí)，燃弧時(shí)間長，電弧面積大，電弧燃燒劇烈，有大量蒸氣溢出,鎢探針表面凸凹不平,銅試樣表面形成寬而深的燒蝕坑，燒蝕嚴(yán)重。鎢探針為陰極、銅試樣為陽極時(shí)，燃弧時(shí)間短，電弧面積小，電弧燃燒過程中有少量蒸氣溢出，鎢探針表面平坦，銅試樣表面形成窄而淺的燒蝕坑，燒蝕較輕。

(2)載流電弧具有明顯的極性特性，陽極材料蒸發(fā)氣化是電弧燃燒的主要影響因素，可通過分散電子對陽極材料的熱輸入抑制電弧燃燒，縮短金屬蒸氣態(tài)電弧存在時(shí)間以減輕電弧燒蝕。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375147,51405134);河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(162300410091)

宋聯(lián)美(1973-)，女，河南新鄉(xiāng)人，博士生；張永振(1963-)，男，陜西澄城人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事材料載流摩擦學(xué)研究.

2016-12-27

1672-6871(2017)04-0010-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.003

TH117

A