速度對AuNi9/AuAg35Cu5載流摩擦磨損行為的影響

周雄，羅博，康瀟，張雷

速度對AuNi9/AuAg35Cu5載流摩擦磨損行為的影響

周雄，羅博，康瀟，張雷

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

針對空間電接觸材料應用速度提升的需求，研究滑動速度對AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副載流摩擦磨損行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明：滑動速度從56.5mm/s提高至194.2mm/s時，摩擦副的摩擦因數(shù)和接觸壓降均值分別從1.1和71.8 mV上升至2.0和132.8 mV，接觸壓降的均方根(RMS)從0.16 mV增至0.76 mV。研究發(fā)現(xiàn)，滑動速度的提高會降低摩擦副電接觸性能的穩(wěn)定性，加劇摩擦副間的材料轉(zhuǎn)移，電刷磨損面平均粗糙度和磨損率分別從0.41 μm 和4.7×10?16m3/(N·m)增加到1.2 μm和1.4×10?14m3/(N·m)；此外，滑動速度為194.2mm/s的載流摩擦實驗中，對偶盤磨損面可觀察到顯著的微區(qū)熔池現(xiàn)象，該現(xiàn)象的發(fā)生進一步降低了材料載流摩擦的穩(wěn)定性。

金合金；速度；載流摩擦；磨損行為；滑動速度

金合金材料具有優(yōu)異的電導率、熱導率和化學穩(wěn)定性，其摩擦副具備磨屑少、結(jié)構(gòu)緊密、傳輸功率高、電噪聲低等特點，是高精密電接觸設備的核心材料之一，廣泛應用于風電滑環(huán)、太陽能帆板驅(qū)動機構(gòu)、天線指向機構(gòu)及其他對地觀測機構(gòu)[1?6]。隨著我國航天、航空、航海、氣象衛(wèi)星等領域的快速發(fā)展，設備所搭載的各種雷達、轉(zhuǎn)臺、陀螺儀、慣性平臺等電子器件需要在更高的滑動速度下長期穩(wěn)定運行，因而對其電接觸材料的服役穩(wěn)定性和壽命的要求不斷提升。

通常，速度對金屬電接觸材料性能的影響顯著?；瑒铀俣仍龃?，易導致摩擦熱及收縮電阻升高，進而加劇材料磨損[7]。同時，摩擦副間的黏著現(xiàn)象也隨速度的增大而加劇，并表現(xiàn)為更高的摩擦因數(shù)。SHIN等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，滑動速度增大會導致電刷表面溫度升高，造成接觸壓降和摩擦因數(shù)增大。BOUCHOU- CHA等[9]研究了速度對銅?不銹鋼之間摩擦磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)速度增大會加劇摩擦副間的材料轉(zhuǎn)移，并在加劇粘著磨損的同時，降低接觸穩(wěn)定性。XIAO等[10]的研究表明，隨滑動速度上升，摩擦副的實際接觸面積減少，電刷在滑動過程中的跳動加劇，易導致接觸失穩(wěn)。CHOWDHURY等[11]在研究鋁之間的滑動摩擦行為過程中，同樣發(fā)現(xiàn)速度增大會顯著加劇材料磨損，削弱表面材料性能。JIA等[12]通過對Cu-Ag-Cr合金的滑動電接觸行為研究，發(fā)現(xiàn)磨損面粘著和電腐蝕磨損隨速度遞增而顯著增強，導致其服役壽命降低。XIE等[13]探究了速度對AuAgCu/Au鍍層的電接觸性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨速度降低，其接觸電阻和接觸穩(wěn)定性都下降。溫詩鑄[14]指出，速度的提升會增大摩擦副之間的間斷性接觸，加劇躍動現(xiàn)象，導致接觸穩(wěn)定性降低，摩擦曲線波動幅度增大。上述研究均顯示，速度是影響電接觸材料穩(wěn)定性和服役壽命的關鍵參數(shù)，而金合金材料載流摩擦規(guī)律相關研究較少，速度影響規(guī)律尚不明晰。

本文以AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副為研究對象，結(jié)合對偶材料表面磨損形貌及組分分析，揭示速度對AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副摩擦磨損行為的影響規(guī)律，以期為金合金電接觸材料的應用提供更為詳實的實驗數(shù)據(jù)參考和支撐，促進該材料在航空航天器件中的可靠性提升。

1 實驗

1.1 材料

實驗用刷絲為AuNi9合金絲(0.28 mm，HV為270.3)，配副為AuAg35Cu5(HV為202.3)，載流摩擦磨損測試裝置示意圖如圖1(a)所示。合金絲被彎曲成半徑為2.5 mm的圓弧，使圓弧頂端與對偶盤保持如圖1(b)所示的垂直滑動。實驗前使用2000目的砂紙對樣品表面進行拋光，并進行超聲清潔處理。

1.2 滑動電接觸測試

采用載流摩擦磨損試驗機(VET-1)測試材料的載流摩擦磨損行為，采用數(shù)字萬用表(Fluke 8864A)測試摩擦副的電壓降變化。詳細測試參數(shù)如表1所列，三組載流摩擦實驗的滑動速度分別為56.5、125.7和194.2 mm/s，使用Nova NanoSEM 230型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察電刷磨損表面和對偶盤磨損形貌，并對磨損表面進行微區(qū)元素分析。

采用如下公式，計算體積磨損率：

式中：Wvol為體積磨損率，m3/(N·m)；ΔV為實驗前后的磨損體積，m3；F為載荷，N；s為滑動距離，m。

表1 大氣下載流摩擦磨損實驗參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 滑動速度對摩擦因數(shù)及接觸壓降的影響

滑動速度對AuNi9/AuAg35Cu5配副摩擦因數(shù)的影響曲線如圖2所示。該圖表明，起始階段，材料的摩擦因數(shù)隨滑動距離的增加而顯著上升，當運行至0.5 h時，3種速度下摩擦因數(shù)皆趨于穩(wěn)定，其平均摩擦因數(shù)分別為1.1、1.7和2.0。同時，隨速度增加，摩擦因數(shù)的波動幅度從1.0~1.3增大至1.5~1.9和1.6~2.3。可見，滑動速度的增加可顯著提高同質(zhì)摩擦副間的摩擦因數(shù)。摩擦因數(shù)波動幅度變大，說明摩擦副之間的躍動現(xiàn)象加劇[14]，接觸穩(wěn)定性有所下降，MA等[15]對鋁在不同速度下的摩擦學性能測試過程中也發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象。

圖3為同步測量的接觸電壓降曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，速度上升可顯著增加AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副的接觸電壓降，其接觸壓降平均值由滑動速度為56.5 mm/s時的71.8 mV上升至194.2 mm/s時的132.8 mV，表明滑動速度的增加可明顯加劇摩擦副之間的接觸能耗，使電接觸性能呈現(xiàn)下降趨勢，BOUCHOUCHA等[9]在研究銅?不銹鋼載流的滑動摩擦過程中亦發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象，并認為是真實接觸面積隨速度增大而減少所導致。

圖2 AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副的摩擦因數(shù)

圖3 AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副的接觸壓降

表2所列為3種速度下電刷和對偶盤的平均摩擦因數(shù)、平均接觸壓降和磨損率。摩擦因數(shù)和接觸壓降的波動是評判接觸穩(wěn)定性的兩個重要參數(shù)，直接反映了摩擦副真實接觸狀態(tài)的變化。本研究通過摩擦因數(shù)和壓降曲線的均方根(RMS)值來分析速度對AuNi9/ AuAg35 Cu5摩擦副接觸穩(wěn)定性的影響。由表2可知，隨速度上升，摩擦因數(shù)和接觸壓降的RMS值成倍增加，速度越高RMS值差距越大。56.5 mm/s速度下，摩擦因數(shù)和接觸壓降的RMS值分別為0.01和0.16；而125.7 mm/s下，RMS值分別為0.03和0.22，是低速條件下的1~3倍；而194.2 mm/s速度下，其摩擦因數(shù)和接觸壓降的RMS值分別增至0.06和0.76，是低速條件下的4~6倍。因此表明，滑動速度的上升會顯著降低摩擦副之間接觸穩(wěn)定性，且速度越高影響越 顯著。

本研究還表明，滑動速度對摩擦副的磨損率影響同樣顯著。通過對比表2所列3種速度條件下的刷和盤的體積磨損率發(fā)現(xiàn)，磨損率隨速度升高而大幅增加。3種速度下，電刷的磨損率分別為4.7×10?16、5.3× 10?15和1.4×10?14m3·(N·m)，相差1個數(shù)量級。高速條件下(194.2 mm/s)的磨損率是低速條件下(56.5 mm/s)磨損率的近30倍，而滑動速度相差僅3倍左右。

2.2 滑動速度對電刷表面形貌及磨損行為的影響

AuNi9刷絲的磨損表面形貌如圖4所示，由圖可知，隨速度增加，電刷表面的塑性形變和黏著現(xiàn)象逐漸加劇。圖4(a)和(b)是以56.5 mm/s的速度滑動后的電刷磨損形貌，磨損表面光滑而整潔，可觀察到平行于滑動方向的狹長犁溝，且溝槽底部也呈現(xiàn)光滑的狀態(tài)，整個接觸界面無明顯塑性變形現(xiàn)象發(fā)生?；瑒铀俣葹?25.7 mm/s的刷絲磨損形貌如圖4(d)和(e)所示，AuNi9電刷磨損面沿滑動方向存在顯著塑性流動，呈現(xiàn)出魚鱗狀形貌。圖4(g)和(h)是滑動速度為194.2 mm/s時的電刷磨損形貌，此時刷絲磨損面存在大量經(jīng)粘著脫落后形成凹坑狀結(jié)構(gòu)的形貌。電刷磨損面的EDS能譜分析顯示(圖4(c)，(f)和(i)所示)，該摩擦副在載流摩擦磨損過程中，存在由盤向刷的材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。能譜分析還表明，滑動速度的提高加劇了材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，電刷磨損面上面明顯有對偶盤獨有的Ag、Cu元素，且Ag元素的質(zhì)量分數(shù)從低速條件下的6.68%增加至高速條件下的22.21 %?；瑒铀俣忍岣呖杉觿〗饘倌Σ粮钡恼持p及材料轉(zhuǎn)移，此現(xiàn)象在多個研究中均有發(fā)現(xiàn)[11, 16]，其中，滑動速度引發(fā)的摩擦熱激增、塑性變形加劇是導致上述現(xiàn)象的主要原因。

表2 3種速度下AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副的平均摩擦因數(shù)、接觸壓降和刷盤磨損率

Note: RMS is square root of pressure drop curve.

表面輪廓形貌是判定接觸狀態(tài)優(yōu)劣的重要手段之一。圖5所示為刷絲磨損面的三維輪廓圖，可以發(fā)現(xiàn)隨滑動速度升高，刷絲磨損面粗糙度成倍增加，表面形貌高度差也隨之增大。3種刷絲磨損面的表面粗糙度a分別為0.41、0.89 和1.22 μm，且高度分布由集中向散亂轉(zhuǎn)變。圖5(a)中電刷表面較為光滑，從中心區(qū)域至邊緣區(qū)域的高度從1.46 μm降至?2.2 μm。在圖5(b)中觀察到的電刷磨損面較為粗糙，出現(xiàn)“凹坑結(jié)構(gòu)”，且其高度范圍從?4.97 μm至3.46 μm。圖5(c)在刷絲表面更加粗糙，磨損面高度范圍擴大至?8.8~4.2 μm。高速下，刷絲磨損表面存在顯著因材料轉(zhuǎn)移導致的凸起和黏著脫落形成的凹坑結(jié)構(gòu)，這與圖4中形貌和能譜分析結(jié)果保持一致。上述特征表明速度的增加會導致磨損面粗糙度增大，進而降低了摩擦副的接觸面積，并導致摩擦因數(shù)和壓降曲線的波動幅度加劇。

2.3 速度對對偶盤磨損形貌及磨損行為的影響

圖6為AuAg35Cu5對偶盤在3種速度下滑道磨損面形貌與微區(qū)EDS分析。由圖可知，隨滑動速度增加，對偶盤磨損面塑性流動現(xiàn)象愈發(fā)顯著。圖6(a)與(b)顯示，速度為56.54 mm/s時，滑道表面沿滑動方向生成微小犁溝區(qū)域(20 μm)，表面光滑。速度為125.7 mm/s時，磨損面沿滑動方向的塑性變形明顯增加，變形區(qū)域超過40 μm，塑性層疊狀結(jié)構(gòu)明顯(圖6(d)和(e))。速度增至194.2 mm/s時，滑道表面塑形流動進一步加劇，同時還觀察到一塊直徑大小約100 μm的電弧熔蝕區(qū)域，表明滑動過程中發(fā)生了電弧放電現(xiàn)象。對偶材料表面分析說明，滑動速度增加會使滑道表面更為粗糙，從而造成滑動過程中實際接觸面積減小并引起接觸壓降的上升，這與接觸壓降曲線隨滑動速度變化的測量結(jié)果一致。對偶盤形貌變化及微區(qū)熔池的出現(xiàn)表明，摩擦副的接觸穩(wěn)定性隨滑動速度的升高而下降。由圖6(c)、(f)和(i)所示磨損面的EDS能譜數(shù)據(jù)可知，對偶盤磨損表面存在刷絲獨有的Ni元素，其質(zhì)量分數(shù)隨速度增加從0.45%增至0.93%，說明速度增大也會加劇電刷表面材料向?qū)ε急P表面的轉(zhuǎn)移。結(jié)合刷絲表面能譜數(shù)據(jù)(如圖4(c)、(f)和(i)所示)可以發(fā)現(xiàn)，電刷表面的Ag質(zhì)量分數(shù)以及隨速度上升的增長幅度(從6.7%至22.2%)遠超過Ni元素質(zhì)量分數(shù)的增加，因此說明，材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象以對偶盤向刷絲表面的材料轉(zhuǎn)移為主，即軟質(zhì)材料向硬質(zhì)材料轉(zhuǎn)移更為明顯[17]。

圖4 不同滑動速度下AuNi9電刷磨損形貌及其對應區(qū)域的EDS能譜

(a), (b) and (c) 56.5 mm/s; (d), (e) and (f) 125.7 mm/s; (g), (h) and (i) 194.2 mm/s

圖5 不同滑動速度下AuNi9刷絲磨損面3D輪廓形貌

(a) 56.5 mm/s; (b) 125.7 mm/s; (c) 194.2 mm/s

圖6 不同滑動速度下AuAg35Cu5滑道磨損形貌及其對應區(qū)域的EDS能譜

(a), (b) and (c) 56.5 mm/s; (d), (e) and (f) 125.7 mm/s; (g), (h) and (i) 194.2 mm/s

3 結(jié)論

1) 速度升高可加劇AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副的黏著效應，造成摩擦因數(shù)和磨損率明顯增加。隨滑動速度由56.5 mm/s增至194.2 mm/s時，摩擦因數(shù)由1.1上升至2.0；刷和盤磨損率分別由4.7×10?16m3/(N·m)和4.8×10?14m3/(N·m)增加至1.4×10?14m3/(N·m)和2.0×10?13m3/(N·m)。

2) 速度的提高可增加AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副間材料轉(zhuǎn)移，增加磨損面的粗糙度。隨滑動速度由56.5 mm/s增至194.2 mm/s，接觸壓降由71.8 mV升至132.8 mV，接觸壓降的RMS值從0.16 mV增長至0.76 mV，電接觸穩(wěn)定性下降明顯。

3) 高滑動速度時，AuNi9/AuAg35Cu5摩擦副接觸界面發(fā)生了明顯的微區(qū)電蝕損傷現(xiàn)象，同時摩擦副的摩擦因數(shù)和接觸壓降同步大幅上升，并存在顯著噪點，電接觸穩(wěn)定性顯著降低，該現(xiàn)象在高可靠的工程應用中應當謹慎應對。

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Effect of the speed on current-carrying friction and wear behavior of AuNi9 on AuAg35Cu5 disc

ZHOU Xiong, LUO Bo, KANG Xiao, ZHANG Lei

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

For the needs of increasing the application speed of space electrical contact materials, the effect of sliding speed on the current-carrying friction and wear behavior of the AuNi9 (HV of 270.3)/AuAg35Cu5 (HV of 202.3) friction pair was investigated. The experimental results show that with increasing sliding speed from 56.5mm/s to 194.2mm/s, the average value of friction coefficient and contact voltage drop of the friction pair increase from 1.1 to 2.0 and 71.8 mV to 132.8 mV, respectively. The square root of pressure drop curve (RMS) value of contact voltage drop also increases from 0.16 mV to 0.76 mV. The research findings show that increasing of sliding speed can reduce the contact stability and cause more material transfer between the friction pair, which results in the increasing of both roughness and wear rate of the brush wear surface from 0.41 μm and 4.7×10?16m3/(N·m)to 1.2 μm and 1.4×10?14m3/(N·m), respectively. In addition, micro-zone weld pools are clearly observed on the wear surface of disc after the current-carrying friction at the speed of 194.15mm/s, which decreases the stability of current-carrying friction of the friction pair.

gold alloy; speed; current-carrying friction; wear behavior; sliding speed

TG146.3

A

1673-0224(2020)05-369-06

國家自然科學基金資助項目(51627805)

2019?12?30；

2020?07?02

張雷，研究員，博士。電話：13975801816；E-mail: zhanglei@csu.edu.cn

(編輯 高海燕)