銅基自潤滑復(fù)合材料的電摩擦磨損性能研究

黃仕銀

（安徽工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

隨著航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，對航空用電接觸材料（如：電刷）的性能要求越來越高［1］。由于航天器在一次完整的飛行過程中要經(jīng)歷空氣環(huán)境和真空環(huán)境的交變，因此要求航空用電接觸材料在空氣環(huán)境和真空環(huán)境中均能保持良好的磨損性能。為改善零件的磨損性能，通常是在摩擦副中加入合適的潤滑劑（如石墨、二硫化鉬、氮化硼、二硒化鈮等）［2-3］，為了獲得環(huán)境適應(yīng)性較廣的自潤滑復(fù)合材料，兩種或多種固體潤滑劑被同時(shí)加入基體中，以在空氣環(huán)境和真空環(huán)境中獲得較好的潤滑效果。

本文通過熱壓成型法，將石墨和二硫化鉬加入銅基體中制得銅-石墨-MoS2自潤滑復(fù)合材料試樣。將復(fù)合材料試樣分別置于空氣環(huán)境和真空環(huán)境中進(jìn)行電摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，探究不同固體潤滑劑成分和工作環(huán)境等因素對復(fù)合材料電摩擦磨損性能的影響，以期為航空航天用電接觸材料的應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

電摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在自行研制的電摩擦磨損實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行，電摩擦磨損實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示，主要由短路換向器、拖動(dòng)電機(jī)（M）、電刷、直流電源柜和功率測量儀器等構(gòu)成。短路換向器由3個(gè)相互絕緣的銅合金短路環(huán)組成，用以模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)子，短路環(huán)與電刷直接接觸對磨，兩者裝配位置如圖2所示，在電刷的端部施加2.5 N/cm2的徑向載荷，確保電刷與短路環(huán)可靠接觸。拖動(dòng)電機(jī)用來驅(qū)動(dòng)短路換向器旋轉(zhuǎn)。直流電源柜輸出直流電供摩擦磨損實(shí)驗(yàn)用，功率測量儀器主要用來測量拖動(dòng)電機(jī)的空、負(fù)載功率，以換算出摩擦系數(shù)。

圖1 電摩擦磨損實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

圖2 電刷試樣與短路環(huán)的裝配位置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

采用熱壓成型法制備復(fù)合材料電刷試樣，所用電解銅粉和石墨粉購于國藥試劑上海有限公司，二硫化鉬粉末購于天津北聯(lián)試劑廠。其主要指標(biāo)參數(shù)見表1，3種復(fù)合材料試樣的組成成分如表2所示。

表1 原料粉末的主要指標(biāo)參數(shù)

表2 復(fù)合材料試樣中材料的體積含量 %

在行星式球磨機(jī)上對原料粉末進(jìn)行攪拌，將混合均勻的粉末置于熱壓爐中，在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行壓制和燒結(jié)，將制得的復(fù)合材料切削成尺寸為24 mm×20 mm×8 mm的電刷試樣，用于電摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。

復(fù)合材料試樣的摩擦系數(shù)μ和磨損率Wr分別為

式中：P和P0分別為負(fù)載和空載時(shí)拖動(dòng)電機(jī)的功率；N為電刷的數(shù)量；Fr為施加在電刷上的徑向力；V為短路環(huán)的線速度，本實(shí)驗(yàn)中線速度為10m/s；△m為磨損前后試樣的質(zhì)量損失；ρ是試樣的密度；l為電刷滑動(dòng)的距離。

以重復(fù)3次以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1組織與物相分析

圖3是電刷試樣的X射線衍射圖譜，從圖3中可以明顯看出銅、石墨和MoS2的衍射峰，且沒有新的物相產(chǎn)生，試樣為銅、石墨和MoS2的機(jī)械混合物，制備過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖3 電刷試樣的X射線衍射圖譜

通過光學(xué)顯微鏡對試樣的顯微組織進(jìn)行觀察，其顯微組織如圖4所示。由圖4可知，石墨在試樣A和試樣B中呈現(xiàn)層片狀，MoS2在試樣B和試樣C中呈現(xiàn)出細(xì)條狀，固體潤滑劑石墨和MoS2均勻地分散在基體中，組織致密，基本無偏聚和孔隙等缺陷。通過硬度測試，試樣A、試樣B、試樣C的硬度分別為50.2 HBS、60.9 HBS和67.6 HBS。

圖4 電刷試樣的顯微組織

3.2空氣環(huán)境中電刷試樣的電摩擦磨損性能

在空氣環(huán)境中，復(fù)合材料試樣的摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況如圖5所示。

圖5 在空氣環(huán)境中復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變化曲線

由圖5知，在實(shí)驗(yàn)的初始階段，試樣的摩擦系數(shù)較大，隨著磨損的進(jìn)行，試樣的摩擦系數(shù)明顯下降，大約2 h后，趨向穩(wěn)定。磨損初始，由于摩擦對偶面為短路環(huán)和電刷試樣的直接接觸，接觸面粗糙度較大，接觸面材料之間易發(fā)生黏著磨損，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較大，磨損嚴(yán)重。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，復(fù)合材料試樣中的石墨和MoS2不斷從基體中脫落于摩擦副中，并在徑向壓力和摩擦力的作用下逐漸形成潤滑膜，摩擦副元素接觸形式由環(huán)-塊直接接觸轉(zhuǎn)化為短路環(huán)-固體潤滑膜-電刷接觸，摩擦副元素基本存在于潤滑膜中，顯著減小了摩擦系數(shù)，降低了磨損。

電刷試樣表面固體潤滑膜的狀態(tài)變化如圖6所示，由圖6知，在實(shí)驗(yàn)之初，試樣表面粗糙不平，隨著磨損的進(jìn)行，試樣磨損表面逐步形成固體潤滑膜，且潤滑膜趨向連續(xù)、完整。

圖6 電刷試樣表面固體潤滑膜的狀態(tài)變化

在空氣實(shí)驗(yàn)環(huán)境下和真空實(shí)驗(yàn)環(huán)境下復(fù)合材料的磨損率如圖7所示，其中，帶有剖面線的柱狀圖為3種試樣在空氣中連續(xù)試驗(yàn)8 h的磨損率。

圖7 在不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下復(fù)合材料的磨損率

由圖5和圖7知，對比在空氣環(huán)境中3種試樣的摩擦系數(shù)和磨損率情況，試樣B兩項(xiàng)指標(biāo)均較低，而試樣C在三者中最高。

空氣環(huán)境下磨損2 h后，不同成分電刷試樣的磨損表面形貌圖如圖8所示。由于試樣A的強(qiáng)度和硬度較低，磨損表面的潤滑膜在徑向力和摩擦力的雙重作用下容易破損和剝落，難以形成完整的潤滑膜，如圖8（a）所示，導(dǎo)致其摩擦系數(shù)和磨損率較大。由圖8（b）可知，試樣B磨損表面形成了完整、致密的潤滑膜，避免了電刷試樣與短路環(huán)的直接接觸，有效地降低了復(fù)合材料試樣的摩擦系數(shù)和磨損率，磨損表面光滑、平整。圖8（c）為試樣C的表面磨損形貌圖，由于MoS2在空氣中被氧化，產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的破裂和剝落，無法形成穩(wěn)定、連續(xù)的潤滑膜，潤滑效果較差，致使其摩擦系數(shù)較高、磨損率較大。

圖8 在空氣狀態(tài)下電刷試樣的磨損表面形貌

采用X射線光電子能譜分析手段對試樣B磨損表面形成的潤滑膜進(jìn)行表征，以進(jìn)一步探知其組成和成分，結(jié)果如圖9所示。圖9中出現(xiàn)了MoS2的Mo4+3d峰和石墨的C1s峰，表明試樣B的表面固體潤滑膜由MoS2和石墨兩種成分共同組成。經(jīng)化驗(yàn)，MoS2占比32%（體積含量，以下同），石墨占比68%。考慮到MoS2單獨(dú)在空氣環(huán)境中較差的潤滑性能，而在試樣B磨損表面形成的完整的潤滑膜中卻含有大量的MoS2，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要因?yàn)镸oS2和石墨產(chǎn)生了 協(xié) 同 潤 滑 效 應(yīng)［4-5］。

圖9 在空氣環(huán)境下試樣B磨損表面固體潤滑膜的XPS分析

3.3真空環(huán)境中電刷試樣的電摩擦磨損性能

真空環(huán)境中3種復(fù)合材料試樣的摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況如圖10所示。由圖5和圖10知，在真空環(huán)境中試樣的摩擦系數(shù)與在空氣環(huán)境中試樣的摩擦系數(shù)存在較大差別，尤其是試樣A。在磨損進(jìn)行到2.5 h左右時(shí)，試樣即發(fā)生了嚴(yán)重的磨損，致使電磨損試驗(yàn)難以繼續(xù)，故未測得其在真空環(huán)境下的磨損率數(shù)據(jù)。試樣C在真空環(huán)境中表現(xiàn)出了優(yōu)異的潤滑性能，其摩擦系數(shù)及磨損率均最小。試樣B的摩擦系數(shù)和磨損率均略高于試樣C，可見其電摩擦磨損性能稍次于試樣C。

圖10 在真空環(huán)境中復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變化曲線

電刷試樣在真空環(huán)境中磨損表面形貌圖如圖11所示。由圖11（a）知，試樣A的磨損表面極其粗糙，并伴有較深的劃痕，基本沒有形成潤滑膜。由于真空中無吸附氣體，石墨基本喪失其減摩耐磨性能，無法發(fā)揮潤滑作用。且由于試樣A較低的強(qiáng)度和硬度，在摩擦力和徑向載荷的作用下，磨損愈發(fā)劇烈，導(dǎo)致固體潤滑劑和基體材料蜂窩式地剝落。

圖11 在真空環(huán)境中電刷試樣的磨損表面形貌

試樣B的磨損表面形貌如圖11（b）所示，其磨損表面的潤滑膜較為連續(xù)，但也存在明顯的劃痕和剝落坑。磨損過程對于潤滑膜來說，是一個(gè)不斷的形成和磨耗的過程，由于試樣B中MoS2含量不高，新形成的潤滑膜數(shù)量無法補(bǔ)充磨損消耗的量，導(dǎo)致潤滑膜不夠完整，在試樣磨損表面的部分區(qū)域出現(xiàn)了劃痕和剝落坑。

由圖11（c）知，試樣C的磨損表面形成了連續(xù)、完整的潤滑膜，由于含有較多的MoS2固體潤滑劑，能夠形成足夠量的潤滑膜以補(bǔ)充先前形成的潤滑膜的磨耗，試樣C表現(xiàn)出了優(yōu)異的潤滑性能。此外，復(fù)合材料C具有相對較高的強(qiáng)度和硬度，其抵抗因摩擦力和徑向載荷而引起的塑性變形的能力較強(qiáng)，有力地支撐了其表面形成潤滑膜。

在真空環(huán)境中試樣B磨損表面潤滑膜的XPS圖譜如圖12所示。通過分析和測算，試樣B的表面潤滑膜也是由MoS2和石墨共同組成，其中MoS2占比84%，石墨占比16%，在真空條件下，MoS2發(fā)揮了主要的潤滑作用。

圖12 在真空環(huán)境中試樣B磨損表面潤滑膜的XPS分析

3.4不同環(huán)境下電刷試樣的接觸電壓降

由于存在接觸電阻，當(dāng)摩擦副有電流通過時(shí)，將產(chǎn)生接觸電壓降，摩擦副材料的接觸電阻由膜電阻和收縮電阻組成［6］。接觸電壓降作為反映電刷材料優(yōu)劣和電摩擦磨損性能的重要指標(biāo)之一，接觸電壓降過大，不僅增加能耗，還會(huì)因過熱導(dǎo)致摩擦副材料磨損劇烈；接觸電壓降過小，摩擦副材料會(huì)因帶電摩擦而產(chǎn)生電火花，導(dǎo)致電弧侵蝕。此外，接觸電壓降能反映復(fù)合材料電刷在工作過程中，潤滑膜的連續(xù)和完整情況。圖13為在空氣和真空環(huán)境中試樣B的接觸電壓降隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況。由圖13知，在實(shí)驗(yàn)初期，摩擦副材料的接觸電壓降較低。此時(shí)，潤滑膜尚未形成，摩擦對偶面為短路環(huán)與電刷試樣的直接接觸，無膜電阻，故接觸電阻和電壓降均較小。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，潤滑膜逐漸形成，膜電阻逐漸增大，接觸電阻也隨之增大，當(dāng)固體潤滑膜的產(chǎn)生與磨損消耗速率達(dá)到相對平衡時(shí)，接觸電阻達(dá)到最大值，并保持相對穩(wěn)定。此時(shí)，摩擦副材料的接觸電壓降也達(dá)到最大值，并趨于穩(wěn)定。

圖13 在 不同實(shí)驗(yàn)條件下試樣B的接觸電壓降情況

由圖13中知，在空氣環(huán)境中當(dāng)電流密度增大由10 A/cm2至30 A/cm2，其接觸電壓降并沒有相應(yīng)增大至3倍。其原因在于：隨著電流密度的增大，摩擦對偶面間的溫度升高，再加上固體潤滑膜與復(fù)合材料基體熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致固體潤滑膜在基體上的黏附性減弱，易脫落，從而減小了膜電阻。另外，隨著溫度的升高，復(fù)合材料試樣表面材料硬度下降，在徑向載荷的作用下，摩擦副間實(shí)際接觸面積增大，降低了收縮電阻。即隨著電流密度的增大，接觸電阻減小了，接觸電壓降不隨電流密度成正比例增大。

由圖5、圖7和圖10可知，在真空條件下試樣B的減摩耐磨性能較空氣環(huán)境中差。由圖8和圖11知，在真空條件下，試樣B表面形成的潤滑膜不及在空氣環(huán)境中的連續(xù)和完整，因此，在空氣環(huán)境中，摩擦副材料的接觸電阻較高，其接觸電壓降較大。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）復(fù)合材料表面固體潤滑膜的連續(xù)、完整性是決定其電摩擦磨損性能的主要因素。

（2）在空氣環(huán)境中，體積含量為15%MoS2和15%石墨的復(fù)合材料具有最顯著的自潤滑性能，更適合作為航空航天用電接觸材料。

（3）隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和潤滑膜的逐步形成，接觸電壓降逐步增大，并趨于穩(wěn)定；接觸電壓降與電流密度不成正比例變化。