鎢/銅載流摩擦副的電弧燒蝕行為

，,，

(1.機械科學(xué)研究總院武漢材料保護研究所，特種表面保護材料及應(yīng)用國家重點實驗室，武漢 430030； 2.洛陽理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，洛陽 471023;3.河南科技大學(xué)，河南省材料摩擦學(xué)重點實驗，洛陽 471003)

0 引 言

載流摩擦副是在相對運動中傳遞電能的摩擦副，如為電力機車提供電能的受電弓滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線、電動機中的碳刷和金屬滑環(huán)以及高低壓開關(guān)等。載流摩擦副的摩擦磨損性能直接影響著其使用壽命和電能傳遞的可靠性[1-3]。由于電流的導(dǎo)入，載流摩擦副的摩擦磨損行為具有特殊性，在高速重載條件下，其摩擦磨損性能會急劇惡化[4-8]。研究發(fā)現(xiàn)，載流摩擦副因運動不平穩(wěn)而脫離或閉合時產(chǎn)生的載流電弧是導(dǎo)致其性能惡化的主要原因。在日本和德國，學(xué)者們希望通過先進制造和裝配技術(shù)來提高載流摩擦副接觸的平穩(wěn)性，從而避免載流電弧的產(chǎn)生，但效果并不理想[9]。載流電弧的產(chǎn)生是不可避免的，因此減輕電弧燒蝕成為研究人員關(guān)注的重點。

載流摩擦副在工作過程中，接觸表面會產(chǎn)生摩擦熱、電阻熱和接觸不平穩(wěn)時形成的電弧熱，其中電弧熱是導(dǎo)致其摩擦磨損性能和導(dǎo)電品質(zhì)下降的主要因素[10]。載流電弧的產(chǎn)生具有隨機性和瞬時性，很難對其性能進行研究。目前研究大多集中在高低壓開關(guān)在脫離或閉合時產(chǎn)生的載流電弧的燃弧和燒蝕性能[11-12]，以及電力機車升弓條件下產(chǎn)生的弓網(wǎng)電弧的性能上[13]。一般的載流電弧在燃弧過程中只做垂直方向的單向運動，但是電力機車運行時產(chǎn)生的弓網(wǎng)電弧不僅會隨受電弓滑板做垂直方向的上下運動，還會沿接觸線做水平方向的切向運動，而目前對多向運動下載流電弧性能的研究還未見報道。為此，作者在自制的載流電弧試驗機上進行了多向運動條件下載流電弧的燃弧和燒蝕性能研究。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用探針材料為鎢合金，化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))為0.70%～0.99%ThO2，余W。鎢合金探針的尺寸為φ2.4 mm×45 mm，末端加工成錐角為30°的圓錐狀。板材料是純銅，尺寸為80 mm×40 mm×8 mm。試驗前，用400#和800#SiC金相砂紙打磨銅試樣，丙酮和酒精清洗；鎢探針用丙酮和酒精進行清洗。

在如圖1所示的自制載流電弧試驗機上進行銅試樣的載流電弧燒蝕試驗，試驗機由機械和測控兩部分組成。機械系統(tǒng)通過調(diào)整z向步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向使鎢探針沿z向?qū)к壣舷乱苿樱ㄟ^調(diào)整x向步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向使銅試樣沿x向?qū)к壨鶑?fù)運動。當鎢探針和銅試樣滑動接觸時，鎢探針、銅試樣和直流電源組成封閉電流回路，電流通過鎢探針和銅試樣的接觸面?zhèn)鬟f；當鎢探針和銅試樣脫離時，鎢探針、載流電弧、銅試樣和直流電源組成封閉的電流回路，電流通過載流電弧傳遞。測控系統(tǒng)由量程為0～50 A的霍爾式電流傳感器、量程為0～50 V的霍爾式電壓傳感器和拍攝速率為1 000 幀·s-1的高速攝像機組成，所有信號均由數(shù)據(jù)采集卡同步采集，采集頻率5 kHz，采集的信號經(jīng)軟件處理后在計算機顯示器上顯示。

將鎢探針和銅試樣裝配在試驗機上，鎢探針為陰極，銅試樣為陽極，二者保持接觸。接通JP50100D型直流電源輸出電流，給定試驗電壓為30 V，試驗電流分別為20，25，30，35，40，45 A，使銅試樣沿x方向以10 mm·s-1速度運動，鎢探針保持靜止，1 s后，使鎢探針以3 mm·s-1速度上移，與銅試樣脫離產(chǎn)生載流電弧，由測控系統(tǒng)測得電流和電壓，將其分別記作電弧電流和電弧電壓，電場強度等于電弧電壓除以對應(yīng)時刻鎢探針與銅試樣之間的距離。

圖1 載流電弧試驗機結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of current-carrying arc tester

試驗完成后，利用Nanofocus AG型三維表面輪廓儀對銅試樣表面的燒蝕平面進行面掃描，得到其縱剖面的燒蝕輪廓，并測量燒蝕坑尺寸；利用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察燒蝕表面，用附帶的能譜儀(EDS)分析燒蝕表面的化學(xué)成分。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 載流電弧燃弧過程

由圖2可知：隨著時間的延長，電弧電流先快速降低，然后緩慢降低，最后迅速降低，電弧電壓則先快速增加，然后緩慢增加，最后迅速增加；根據(jù)電弧電流和電弧電壓的變化規(guī)律可將電弧燃弧過程分為起弧、穩(wěn)定燃燒和熄弧3個階段，起弧、穩(wěn)定燃燒和熄弧的時間間隔分別約為25，295，12 ms，分別約占整個燃弧時間的7%，89%，4%。

圖2 電弧電流和電弧電壓隨時間的變化曲線(試驗電流40 A)Fig.2 Variation curves of arc current and arc voltage vs time (test current of 40 A)

圖3 載流電弧電場強度隨時間的變化曲線(試驗電流40 A)Fig.3 Electric field intensity vs time curve of current-carrying arc (test current of 40 A)

根據(jù)電弧燃弧機理，電弧的燃燒與弧隙間電場強度和燒蝕表面的溫度有關(guān)，特別是在起弧階段，電場強度起主要作用。由圖3可以看出：在起弧階段，電場強度迅速地先增后降，最高約9 000 V·cm-1，在穩(wěn)定燃燒和熄弧階段，電場強度緩慢降低，最終維持在約500 V·cm-1。

在起弧階段，鎢探針和銅試樣逐漸脫離，接觸面積減小，導(dǎo)致接觸電阻和傳遞的電流密度增大，高電阻產(chǎn)生的熱量使低熔點銅試樣熔化。在鎢探針和銅試樣脫離瞬間，液態(tài)銅被拉起，發(fā)生氣化產(chǎn)生銅蒸氣，此時的鎢探針(陰極)在較高的電場強度下發(fā)射出電子，電子向銅試樣(陽極)運動時，與銅蒸氣碰撞后產(chǎn)生帶電粒子，從而產(chǎn)生電弧。帶電粒子中的電子和陽離子在電場作用下分別向陽極和陰極運動形成電子流和陽離子流，使電弧導(dǎo)電；帶電粒子在弧柱中運動時發(fā)生碰撞，動能轉(zhuǎn)化為熱能，使弧柱溫度升高，電弧中又因熱電離產(chǎn)生帶電粒子；電子流和陽離子流分別轟擊銅試樣和鎢探針，使銅試樣和鎢探針發(fā)生熔化和氣化，為電弧提供金屬蒸氣。因此，電弧穩(wěn)定燃燒。隨著鎢探針和銅試樣間距的增大，電弧被不斷拉長，其熱量散失程度加劇，電弧溫度降低。溫度的降低導(dǎo)致帶電粒子復(fù)合而消失，電弧熄滅。

圖4 銅試樣燒蝕表面三維形貌和燒蝕坑尺寸(試驗電流40 A)Fig.4 Three-dimensional morphology (a) and erosion pit size (b) on erosion surface of copper specimen (test current of 40 A)

2.2 載流電弧燒蝕行為

由圖4可以看出，在試驗電流為40 A和試驗電壓為30 V條件下產(chǎn)生的載流電弧作用下，銅試樣表面的燒蝕形貌有兩種不同的特征：位置1處有寬約713 μm，深約16 μm的燒蝕坑，燒蝕坑內(nèi)及邊緣處凸凹不平，可以推斷是由液態(tài)金屬噴濺導(dǎo)致的，銅試樣燒蝕嚴重；位置2處是由銅試樣的不充分熔化形成的，燒蝕明顯較輕。結(jié)合圖2、圖3分析可知：在起弧階段和穩(wěn)定燃燒初期，電弧電流和電場強度高，說明載流電弧單位長度上的產(chǎn)熱量高[14]，電弧燃燒強烈，導(dǎo)致銅試樣的電弧燒蝕嚴重；隨著時間的延長(銅試樣沿x向運動距離增加)，電場強度和電弧電流降低，載流電弧單位長度上的產(chǎn)熱量降低，電弧趨于熄滅，導(dǎo)致銅試樣的電弧燒蝕較輕?？梢?，載流電弧對銅試樣的嚴重?zé)g主要發(fā)生在起弧階段和穩(wěn)定燃燒階段的初期。

電弧燒蝕是在電弧熱輸入和電弧力共同作用下，摩擦副表面發(fā)生熔化和蒸發(fā)氣化而導(dǎo)致的材料損耗，燒蝕形式有蒸發(fā)氣化燒蝕和液態(tài)噴濺燒蝕兩種。

2.3 試驗電流對電弧燒蝕的影響

由圖5可見，隨著試驗電流的增加，銅試樣表面的電弧燒蝕坑寬度增大，深度先增加后減小。

由圖6可見，當試驗電流分別為20，30，40 A時，由金屬蒸氣態(tài)電弧向氣體態(tài)電弧轉(zhuǎn)變的時間分別為152，196，210 ms。隨著試驗電流的增大，金屬蒸氣態(tài)電弧的存在時間延長。

圖5 銅試樣表面燒蝕坑尺寸隨試驗電流的變化曲線Fig.5 Surface erosion pit size vs test current curves of copper specimen

由圖7可以看出：當試驗電流為30 A時，銅試樣表面形成燒蝕坑，燒蝕坑上分布著白色沉積物，放大后可觀察到大量的細小顆粒；能譜分析結(jié)果顯示，燒蝕表面含有銅、鎢和氧元素。當試驗電流為40 A時，銅試樣表面形成明顯的燒蝕坑，燒蝕區(qū)域比試驗電流為30 A時的大，燒蝕坑上分布著大量白色沉積物，放大后可觀察到較大顆粒的沉積物；能譜分析結(jié)果顯示，燒蝕表面含有大量的鎢和少量的氧元素，沒有銅元素。

載流電弧燒蝕與電弧熱-力作用引起的液態(tài)噴濺行為相關(guān)。

(1)電弧熱輸入的影響

載流電弧中的電子和陽離子分別轟擊陽極和陰極表面，其動能轉(zhuǎn)化為熱能，同時電弧以輻射和熱傳導(dǎo)形式向陰極和陽極輸入電弧熱，同時在陰極和陽極表面還因電流傳輸產(chǎn)生電阻熱，這些熱量導(dǎo)致陰極和陽極材料表面溫度升高，發(fā)生熔化和蒸發(fā)氣化[15]；試驗電流越大，電弧能量越高，帶電粒子數(shù)目越多，熱量輸入越大，電弧熔化和蒸發(fā)氣化加劇。

圖7 不同試驗電流下銅試樣燒蝕表面的SEM形貌和EDS譜Fig.7 SEM morphology and EDS spectra of arc erosion surface of copper specimen at different test currents: (a, d) low magnification morphology at 30 A and 40 A; (b, e) enlarged views of positions A and B and (c, f) EDS spectra of spots 1 and 2

電弧熱輸入還與電弧狀態(tài)密切相關(guān)，載流電弧在燃燒過程中經(jīng)歷金屬蒸氣態(tài)和氣體態(tài)兩個電弧狀態(tài)。金屬蒸氣態(tài)電弧中的帶電粒子主要由金屬蒸氣電離產(chǎn)生，金屬陽離子質(zhì)量大，運動性差，會導(dǎo)致電弧熱量集中；氣體態(tài)電弧是空氣中氣體參與電離，氣體電離產(chǎn)生的陽離子質(zhì)量輕，容易擴散，電弧熱量分散[16]。電弧狀態(tài)發(fā)生改變時，表現(xiàn)出的宏觀特征是電弧電壓出現(xiàn)突跳[15]。綜上可知：隨著試驗電流增大，電弧熱輸入增加，同時金屬蒸氣態(tài)電弧存在時間延長，電弧熱輸入集中，這些均加劇了電弧燒蝕。

(2) 電弧力的影響

燒蝕坑的形成是液態(tài)金屬噴濺的結(jié)果，熔化是發(fā)生噴濺的前提，但電弧力驅(qū)動液態(tài)金屬流動是噴濺產(chǎn)生的根本原因[17]。作用在液態(tài)金屬表面的電弧力主要由帶電粒子對液態(tài)金屬表面的轟擊力、金屬蒸發(fā)氣化產(chǎn)生的反作用力和電弧等離子流力組成[12]。電弧力越大，越有利于液態(tài)金屬流動而發(fā)生噴濺。

此外，液態(tài)金屬要溢出熔池表面形成噴濺，必須克服其表面張力的束縛作用，因此，噴濺實質(zhì)上是液態(tài)金屬動能和表面束縛能競爭的結(jié)果[15]。液態(tài)金屬的表面張力隨溫度的升高呈線性降低；而當熔池中存在難熔顆粒時會阻礙金屬液體的流動，導(dǎo)致黏度和表面張力的增大[16]。綜上可知：電流的增加使鎢探針發(fā)生強烈的蒸發(fā)氣化，導(dǎo)致鎢的大量沉積；鎢熔點較高，其大量沉積增加了液態(tài)金屬的黏度和表面張力，阻礙了噴濺的發(fā)生，不利于燒蝕坑的形成，導(dǎo)致燒蝕坑變淺。

3 結(jié) 論

(1) 隨燃弧時間的延長，載流電弧的電流呈下降趨勢，電壓呈增加趨勢，電場強度則先增后降；載流電弧分為起弧、穩(wěn)定燃燒和熄弧3個階段，各階段的時間間隔分別約占整個燃弧時間的7%，89%，4%；在載流電弧作用下銅試樣的嚴重?zé)g主要發(fā)生在起弧階段和穩(wěn)定燃燒階段的初期。

(2) 隨著試驗電流的增大，金屬蒸氣態(tài)電弧存在時間延長，銅試樣表面的電弧燒蝕坑寬度增加，深度先增后降；試驗電流為30 A時，燒蝕坑表面形成大量小顆粒狀的，主要由銅、鎢和氧組成的沉積物，當電流增大至40 A時，燒蝕坑表面形成較大顆粒狀的，主要由鎢和氧組成的沉積物；高熔點鎢的大量沉積增加了液態(tài)金屬的黏度和表面張力，阻礙了噴濺的發(fā)生，導(dǎo)致燒蝕坑變淺。

[1] 張永振，楊正海，上官寶. 載流摩擦的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J]. 自然雜志, 2014, 36(4):256-263.

[2] ARGIBAY N, SAWYER W G. Low wear metal sliding electrical contacts at high current density[J]. Wear, 2012, 274/275:229-237.

[3] 宋聯(lián)美, 張永振, 上官寶, 等. 碳/碳復(fù)合材料的載流摩擦磨損性能及機理[J]. 機械工程材料, 2014, 38(1):76-80.

[4] YANG H J, CHEN G X, GAO G Q,etal. Experimental research on the friction and wear properties of a contact strip of pantograph-catenary system at the sliding speed of 350 km/h with electric current[J]. Wear, 2015, 332/333: 949-955.

[5] 李克敏,上官寶, 杜三明, 等. 摩擦速度和電流密度對銅基復(fù)合材料載流摩擦磨損性能的影響[J]. 機械工程材料, 2015, 39(3): 22-31.

[6] 賈利曉, 張永振, 李健,等. 浸金屬碳材料的載流摩擦磨損性能研究[J]. 材料工程, 2008(12): 11-18.

[7] CHEN G X, YANG H J, ZHANG W H,etal. Experimental study on arc ablation occurring in a contact strip rubbing against a contact wire with electrical current[J]. Tribology International, 2013, 61:88-94.

[8] 賈利曉, 張永振, 孫樂民,等. 兩種炭材料的載流摩擦磨損性能比較[J]. 材料工程,2010(9): 91-95.

[9] 高宗寶，吳廣寧，呂瑋,等. 高速電氣化鐵路中的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象研究綜述[J]. 高壓電器，2009, 45(3):104-108.

[10] YANG Z, ZHANG Y, ZHAO F,etal. Dynamic variation of arc discharge during current-carrying sliding and effect on directional erosion[J].Tribology International,2016,94:71-76.

[11] 王俊勃，張燕，楊敏鴿,等. Fe摻雜對納米復(fù)合Ag-SnO2電接觸合金電弧演化行為的影響[J]. 稀有金屬材料與工程，2006,35(12): 1954-1958.

[12] 吳細秀. 開關(guān)電器觸頭材料噴濺侵蝕模型研究及其試驗[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2005:29-35.

[13] 高國強，郝靜，古圳,等.高速鐵路中受電弓升弓過程弓網(wǎng)電氣特性[J]. 高電壓技術(shù)，2016,42(11): 3569-3575.

[14] 姜煥中.電弧焊及電渣焊[M].北京：機械工業(yè)出版社,1988:28.

[15] 榮命哲.電接觸理論[M].西安:西安交通大學(xué),1999:80-90.

[16] 榮命哲，賈文慧，王瑞軍. 低壓電器電極間發(fā)生的電弧放電及其特性[J]. 低壓電器, 1998(3):9-14.

[17] RHIM W K, OHSAKA K, PARADIS P F,etal. Noncontact technique for measuring surface tension and viscosity of molten materials using high temperature electrostatic levitation[J]. Review of Scientific Instruments, 1999, 70(6):2796-2801.