浸銀石墨電刷使用壽命影響的研究

彭 杰

（蕪湖天航裝備技術(shù)有限公司，蕪湖 241000）

1 引言

浸銀石墨電刷綜合利用了銀的優(yōu)良導(dǎo)電性能和石墨的自潤滑特點(diǎn)，采用先進(jìn)的熱等靜壓設(shè)備，在高溫、高壓下，將金屬銀高效浸漬到石墨刷體的孔隙中[1]。由于銀含量高且假比重小，在高速集電環(huán)上運(yùn)行時(shí)具有良好的跟隨性，因此受到廣泛關(guān)注。電刷在滑動(dòng)接觸過程中的摩擦磨損，實(shí)際取決于機(jī)械、電氣、化學(xué)和電解的多種因素。其摩擦系數(shù)與接觸元件的表面狀況、環(huán)境溫度和濕度、電流密度、彈簧壓力等各方面因素都有關(guān)聯(lián)[2-3]。本文從摩擦學(xué)的角度，分析了各方面因素對(duì)浸銀石墨使用壽命的影響。

2 浸銀石墨電刷的制備流程

浸銀石墨電刷采用天然鱗片石墨為主體加入木粉等造孔劑，用高溫瀝青作為粘結(jié)劑，經(jīng)混合、成型、焙燒、半石墨化等工序制備石墨電刷基體。再利用先進(jìn)的熱等靜壓設(shè)備，在高溫、高壓下將金屬銀浸漬到石墨電刷基體內(nèi)，銀含量可達(dá)60%～80%。

3 影響浸銀電刷使用壽命的關(guān)鍵因素

3.1 環(huán)境介質(zhì)對(duì)電刷和集電滑環(huán)的相互作用

電刷和集電滑環(huán)的表面是由不同物理特性的外表面層和內(nèi)表面層所組成。外表面層主要是由于物理吸附、化學(xué)吸附的氣體分子層和金屬的表面氧化層所組成。暴露在空氣中的一切物體都被一層水膜所覆蓋，水膜的厚度隨物體的性質(zhì)和空氣的濕度不同而異，一般都在10 ～100nm，這層水膜在電場作用下被電解，陰極游離出氫，陽極游離出氧，氧使金屬銀和銅發(fā)生氧化而生成氧化膜。環(huán)境介質(zhì)中的有害氣氛例如硫?qū)饘巽y產(chǎn)生腐蝕作用。

3.2 電刷與集電環(huán)之間的相互作用

電刷的接觸摩擦：在摩擦過程中，石墨具有降低摩擦系數(shù)和潤滑的功能。這是由石墨的晶體結(jié)構(gòu)所決定，在平面層之間具有較低的結(jié)合能，在較小剪切應(yīng)力的作用下，就容易使石墨沿晶面滑移，剝離下來的石墨在潔凈表面具有很強(qiáng)的吸附能力，牢牢地吸附在銅集電滑環(huán)的表面，石墨還能吸收空氣中水分，形成一層石墨水膜，具有良好的潤滑作用，從而使得集電環(huán)和電刷之間的摩擦發(fā)生在潤滑層之間，形成邊界潤滑。在DC 短路換向器上測(cè)得浸銀石墨電刷的摩擦系數(shù)為0.19，它與人造石墨電刷的摩擦系數(shù)相近，表明浸銀石墨電刷具有低的摩擦，在其它條件相同的情況下，電刷的摩擦系數(shù)僅僅與材質(zhì)及其顯微組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。

摩擦理論把金屬的介面摩擦歸因于金屬結(jié)點(diǎn)的形成。電刷在集電環(huán)表面滑動(dòng)接觸，在綜合應(yīng)力的作用下，電刷中銀發(fā)生了塑性變形，并在石墨顆粒表面延展，增加了電刷與集環(huán)之間的接觸面，并產(chǎn)生了結(jié)點(diǎn)生長現(xiàn)象，銀被焊接在銅集電環(huán)表面，會(huì)產(chǎn)生相高的摩擦。但由于石墨的潤滑作用，使得這種結(jié)點(diǎn)生成的能力減弱，從而減少了銀和銅之間的粘著作用。

3.3 過渡層與電刷和集電環(huán)之間的相互作用

在電刷與集電環(huán)的接觸之間存在一個(gè)過渡層區(qū)，在此區(qū)域中瞬間變化的電阻值受到很大的影響，在這個(gè)薄層狹小空間里存在著大量被剝落下來的炭粉、金屬微粒和空氣中的塵埃以及形成的水膜。過渡層和集電環(huán)表面氧化膜的形成對(duì)平衡摩擦、磨損以及電流的傳導(dǎo)等都起著極其重要的作用[4]。

4 各種磨損過程分析

根據(jù)電刷磨損的物理過程，從現(xiàn)有的各種觀點(diǎn)認(rèn)為，電刷的磨損乃是接觸元件之間動(dòng)力相互作用的結(jié)果，從而改變了它們之間的接觸表面狀況，使得接觸表面發(fā)生了質(zhì)變過程，下面就針對(duì)電刷的磨損現(xiàn)象進(jìn)行簡單的分析。

4.1 電刷的電氣磨損

電刷在整個(gè)滑動(dòng)接觸過程中都是在電流的作用下進(jìn)行的。當(dāng)電流通過時(shí)，電流僅集中在電刷表面很小的接觸區(qū)面積上，而使得局部發(fā)熱，電刷表面的溫度升高，導(dǎo)致電刷表面的顆粒結(jié)合強(qiáng)度減弱或氧化，引起接觸材料表面顆粒脫落。除電流的作用外，還與電刷材質(zhì)有關(guān)，浸銀石墨電刷在磨損接觸過程中，在正電刷的接觸區(qū)和負(fù)電刷下的集電環(huán)表面都生成了金屬顆粒和氧化物，而產(chǎn)生了磨粒磨損，因此正電刷的磨損大于負(fù)電刷。

4.2 電刷的機(jī)械磨損

電刷的機(jī)械磨損本身是一種復(fù)雜現(xiàn)象，機(jī)械作用主要是通過四種磨損機(jī)理來破壞接觸元件表面顆粒之間的聯(lián)接。分別是：粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞、摩擦氧化。這四種磨損很少單獨(dú)出現(xiàn)，它們可能同時(shí)起作用或交替發(fā)生作用。

粘著磨損一般發(fā)生在電刷滑動(dòng)接觸的早期，電刷中的銀相在集電環(huán)的銅表面產(chǎn)生金屬結(jié)點(diǎn)焊合發(fā)生材料轉(zhuǎn)移，當(dāng)形成過渡層的潤滑膜后，這種粘著磨損作用就會(huì)逐漸減弱。磨粒磨損又分為劃傷磨損和研壓磨損，在電刷整個(gè)滑動(dòng)接觸過程中都起作用。表面疲勞大都發(fā)生在電刷工作的晚期，電刷在運(yùn)行過程中，長期處于交變機(jī)械負(fù)荷的作用下，交變負(fù)荷引起電刷的顯微組織結(jié)構(gòu)的變化，裂紋的形成和擴(kuò)展，最后導(dǎo)致石墨和銀顆粒的脫落，而形成表面凹坑和麻點(diǎn)。磨粒磨損和表面疲勞的主要區(qū)別在于：磨粒磨損只要受一次摩擦負(fù)荷的作用就可能產(chǎn)生磨屑，而表面疲勞要經(jīng)過較長的潛伏期后才發(fā)生磨屑，它的危害性大，一旦發(fā)生表面疲勞，裂紋擴(kuò)展速度加快，引起石墨顆粒和銀的脫落，電刷有可能會(huì)造成嚴(yán)重的損傷和破壞。摩擦氧化主要是在電接觸傳導(dǎo)過程中作用比較明顯，在電流的作用下，電刷和集電環(huán)的接觸表面上溫度升高，導(dǎo)致金屬氧化和石墨顆粒脫落。另一方面，由于摩擦氧化，使集電環(huán)表面銅的氧化膜進(jìn)一步增厚，而容易被電刷磨損清除掉，又建立了一層新的氧化膜。因此，集電環(huán)表面的氧化膜在電機(jī)的運(yùn)行過程中是不斷的形成，又不斷的遭到破壞，始終處于動(dòng)態(tài)平衡之中[5]，才能保證電機(jī)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)論

綜上所述，浸銀電刷壽命主要與滑動(dòng)接觸時(shí)，電刷、集電環(huán)、環(huán)境介質(zhì)和過渡層相互作用有關(guān)，浸銀電刷吸收空氣中的水分，形成一層水膜，具有良好的潤滑作用，磨損脫落后吸附在集電環(huán)的表面形成過渡層，使電刷和集電環(huán)之間的摩擦發(fā)生在潤滑膜之間，形成邊界潤滑，減少了磨損。

浸銀電刷在磨損過程中存在四種磨損狀態(tài)：粘著磨損，磨粒磨損，摩擦氧化，表面疲勞。它們是共同交替發(fā)生作用，并且在不同的時(shí)期，作用效果亦不同。粘著磨損發(fā)生在電刷接觸的早期，表面疲勞在晚期比較明顯，而磨粒磨損和摩擦氧化在電刷整個(gè)滑動(dòng)接觸過程中都起作用。電氣磨損使機(jī)械磨損增加。