相對滑動速度對銅-石墨復(fù)合材料載流摩擦性能的影響

楊正海，上官寶，孫樂民，張永振

(河南科技大學(xué) a.高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實驗室；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

0 引言

銅-石墨復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和減摩耐磨性，是一種較為理想的載流摩擦材料，廣泛應(yīng)用在軌道交通、電力電子和自動控制等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。銅-石墨復(fù)合材料的服役性能受到材料特性、服役工況和環(huán)境氣氛等多重因素的影響[4-7]。

相對滑動速度作為載流摩擦副的關(guān)鍵服役條件之一，對服役性能有重要影響。文獻[8-9]的研究表明：隨著相對滑動速度的提高，載流摩擦副的摩擦因數(shù)變化較復(fù)雜，材料磨損率不斷增大，載流質(zhì)量惡化。相關(guān)機理研究認為，磨損面上存在機械磨損和電弧侵蝕[10-12]，但僅僅停留在定性研究層面，且對摩擦面上不同區(qū)域行為不同的問題，少見報道。

本文以電力機車滑板和接觸線摩擦副為背景，采用市售鉻青銅(QCr0.5)與自制銅-石墨粉末冶金復(fù)合材料配副，考慮載流摩擦行為的不均勻性，研究相對滑動速度對銅-石墨復(fù)合材料載流摩擦性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備與方法

圖1 試驗設(shè)備示意圖

載流摩擦試驗在自制的HST-100型高速載流摩擦試驗機上進行，試驗設(shè)備示意圖如圖1所示。摩擦副為銷盤式，電動機通過帶傳動帶動盤試樣旋轉(zhuǎn)運動，液壓加載系統(tǒng)將銷試樣壓在旋轉(zhuǎn)的盤試樣上形成相對滑動。電流從電源流出，經(jīng)過一個銷試樣和盤試樣，從另一個銷試樣流回。銷試樣的直徑為10 mm，兩銷中心距為160 mm。

載流摩擦試驗后，用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(scanning electronic microscopy，SEM)觀測銷試樣的磨損面，用NanoFocus AG型三維形貌儀分析銷試樣磨損面的形貌。

試驗前，采用600#砂紙對銷試樣和盤試樣進行10 min的預(yù)磨，每個試驗重復(fù)3次，除部分動態(tài)數(shù)據(jù)外，其他數(shù)據(jù)均采用3次試驗的平均值。

試驗中，使用由摩擦因數(shù)和失質(zhì)量法測量的質(zhì)量磨損率表征摩擦磨損性能，使用載流效率和載流穩(wěn)定性表征載流性能。載流效率為實測電流的平均值與給定電流的百分比，載流穩(wěn)定性S無量綱，其值越小，電流越穩(wěn)定，載流穩(wěn)定性越好[7]。

1.2 試驗材料及制備

銷試樣采用自制的銅-石墨復(fù)合材料(石墨質(zhì)量分數(shù)為10%)，盤試樣為市售鉻青銅(QCr0.5)。銅-石墨復(fù)合材料由電解銅粉和鱗片狀天然石墨粉采用鐘罩爐粉末冶金制備。銅粉的質(zhì)量分數(shù)大于99%，石墨的質(zhì)量分數(shù)大于99%，粉末粒度均為75 μm。粉末冶金工藝：將按質(zhì)量配比稱量的兩種粉末，加入等總質(zhì)量直徑為5 mm的純銅球，V型混料機混料18 h。然后，以 360～380 MPa的載荷壓制得到柱狀坯體。接著，用鐘罩爐在氫氣保護下860 ℃燒結(jié)，升溫速度為3 ℃/min，保溫1 h，隨爐冷卻。最后，對燒結(jié)好的材料用320～360 MPa的壓力進行復(fù)壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同相對滑動速度條件下銅-石墨復(fù)合材料的載流摩擦性能

圖2為傳導(dǎo)電流120 A、載荷70 N的條件下，不同相對滑動速度下的摩擦因數(shù)曲線。從圖2中可以看出：所有的摩擦過程均快速地完成“跑合”，進入穩(wěn)定摩擦磨損階段；隨著相對滑動速度的增加，平均摩擦因數(shù)從0.233增加到0.274，摩擦因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差從10 m/s時的0.048 8增加到40 m/s時的0.063 2，即摩擦因數(shù)的波動程度增加。摩擦因數(shù)取決于摩擦面上的機械摩擦過程，因此，試驗結(jié)果表明：隨著相對滑動速度的增大，摩擦過程的平穩(wěn)程度變差。

(a) 相對滑動速度10 m/s (b) 相對滑動速度20 m/s

(c) 相對滑動速度30 m/s (d) 相對滑動速度40 m/s

圖3給出了載荷70 N條件下不同相對滑動速度的摩擦磨損性能曲線。圖3a為平均摩擦因數(shù)曲線，由圖3a可以看出：隨著相對滑動速度的增加，配副的平均摩擦因數(shù)升高，趨勢平緩，而且，傳導(dǎo)電流為120 A的平均摩擦因數(shù)略大于傳導(dǎo)電流為60 A的平均摩擦因數(shù)。圖3b為銷試樣的磨損率曲線，由圖3b可以看出：隨著相對滑動速度的增加，磨損率先緩慢增加，當(dāng)相對滑動速度超過30 m/s后急劇增大；120 A時，在相對滑動速度不超過30 m/s的條件下，磨損率比60 A的略大，相對滑動速度超過30 m/s后，明顯大于60 A的磨損率，且兩者的差距隨著相對滑動速度的增加而增大。隨著相對滑動速度的增加，摩擦副運行過程中的沖擊和振動增加，導(dǎo)致平均摩擦因數(shù)略有增加。隨著傳導(dǎo)電流的增加，摩擦面接觸電阻熱增加，摩擦副運行過程中更容易發(fā)生黏著，因此120 A時平均摩擦因數(shù)略大。銅-石墨復(fù)合材料的磨損主要包括機械磨損和電弧侵蝕，由于石墨在磨損面上的良好潤滑作用，導(dǎo)致不同試驗條件下機械磨損的差別不大。隨著相對滑動速度的增加，電弧侵蝕越來越嚴重，相對滑動速度低于30 m/s時，電弧侵蝕在磨損率中的比例較小，當(dāng)相對滑動速度超過30 m/s后，電弧侵蝕導(dǎo)致的材料損傷越來越嚴重，表現(xiàn)為磨損率急劇增加。隨著傳導(dǎo)電流的增大，電弧侵蝕越來越嚴重，所以，高速大電流條件下材料的磨損率大。

(a) 平均摩擦因數(shù) (b) 磨損率

圖4給出了載荷70 N條件下不同相對滑動速度的載流性能曲線。由圖4a可以看出：隨著相對滑動速度的增加，載流效率有波動，但幅度很小，載流效率的所有數(shù)值均在82.0%～83.2%，傳導(dǎo)電流為120 A的載流效率比60 A的略好。由圖4b可以看出：隨著相對滑動速度的增加，載流穩(wěn)定性的變化很小，所有數(shù)值均在82.9%～86.8%，傳導(dǎo)電流為120 A的載流穩(wěn)定性比60 A的略差。相對滑動速度對試驗條件下的載流效率和載流穩(wěn)定性的影響不明顯，其原因是，摩擦面上發(fā)生的導(dǎo)電行為包括接觸導(dǎo)電和電弧導(dǎo)電兩種，其中，接觸導(dǎo)電與導(dǎo)電斑點的導(dǎo)電能力和數(shù)量有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)電斑點的數(shù)量超過一定數(shù)目時，其接觸導(dǎo)電能力變化不大。隨著傳導(dǎo)電流的增大，摩擦面上電阻熱增加，接觸點材料的強度降低，更容易發(fā)生黏著。強度降低導(dǎo)致在相同接觸壓力條件下，導(dǎo)電斑點的數(shù)量增加，當(dāng)導(dǎo)電斑點超過一定數(shù)值后，對摩擦副的導(dǎo)電能力略有改善。摩擦面的黏著導(dǎo)致摩擦副運行波動有增大的趨勢，進而導(dǎo)致載流穩(wěn)定性變差。

(a) 載流效率 (b) 載流穩(wěn)定性

2.2 不同相對滑動速度條件下銅-石墨復(fù)合材料的載流摩擦行為

圖5為傳導(dǎo)電流120 A和載荷70 N條件下不同相對滑動速度的宏觀磨損面照片，所有磨損面的摩擦方向為自左向右。從圖5中可以看出：所有表面均可分為電弧侵蝕為主的區(qū)域(圖中虛線包圍區(qū)域)和機械磨損為主的區(qū)域，電弧侵蝕區(qū)域一般分布在磨損面尾部邊緣。圖5a～圖5d中電弧侵蝕區(qū)域占總面積的比值分別為3.75%、6.63%、9.30%和15.48%，隨著相對滑動速度的增加，電弧為主的侵蝕區(qū)域的面積增加。載流摩擦過程中，電弧萌生概率較高的區(qū)域為磨損面的尾部，摩擦面的相對滑動導(dǎo)致電弧向尾部運動，甚至拉出摩擦面，出現(xiàn)在銷試樣的圓柱面上[13]。電弧侵蝕區(qū)域面積反映了電弧侵蝕的程度，因此，可以認為隨著相對滑動速度的增加，電弧增加，其侵蝕作用也增加[14]。

(a) 10 m/s (b) 20 m/s (c) 30 m/s (d) 40 m/s

圖6為不同相對滑動速度條件下磨損面不同部位的三維形貌圖。傳導(dǎo)電流120 A，載荷70 N，相對滑動速度30 m/s條件下，銷試樣靠近磨損面頭部的區(qū)域形貌比較平整，表面有明顯的犁溝痕跡和碾壓塑性變形形貌，可以認為磨損面的頭部主要以機械磨損為主，如圖6a所示。圖6b～圖6d為傳導(dǎo)電流120 A，載荷70 N，相對滑動速度分別為20 m/s、30 m/s和40 m/s條件下，靠近磨損面尾部的區(qū)域形貌，其中，圖6b表面存在少量細小近似球狀、半球狀和犁溝的形貌，圖6c表面存在大量近似球狀和半球狀形貌，圖6d中近似球狀和半球狀形貌的直徑進一步增大。磨損面尾部區(qū)域的球狀和半球狀形貌形成的原因是，石墨和銅完全不潤濕，電弧侵蝕導(dǎo)致磨損面金屬熔化，電弧熄滅后熔化金屬凝固成不同形狀的金屬顆粒[15]。由圖6可知：隨著相對滑動速度的增加，磨損面尾部的電弧侵蝕痕跡越來越多，侵蝕越來越嚴重。對比電弧侵蝕表面和機械磨損表面可以看出：電弧侵蝕表面更加粗糙。

(a) 30 m/s，頭部 (b) 20 m/s，尾部 (c) 30 m/s，尾部 (d) 40 m/s，尾部

測量了不同相對滑動速度條件下磨損面不同區(qū)域的表面粗糙度，結(jié)果見表1。從表1可以看出：在頭部和中部區(qū)域表面粗糙度為4.17～16.80 μm，這些區(qū)域均主要為機械磨損區(qū)域；在尾部區(qū)域，表面粗糙度為15.17～78.00 μm。而且，尾部區(qū)域的表面粗糙度有隨著相對滑動速度的增加而增加的趨勢，相對滑動速度為10 m/s時，其值為15.17 μm，相對滑動速度為40 m/s時，其值為78.00 μm。載流摩擦造成表面粗糙化，電弧侵蝕導(dǎo)致的表面粗糙化比機械磨損嚴重。隨著相對滑動速度的增加，電弧侵蝕造成的表面粗糙化加強，這一現(xiàn)象也證明了電弧侵蝕隨相對滑動速度的增加而加劇。

表1 不同相對滑動速度條件下磨損面不同區(qū)域的表面粗糙度 μm

圖7為磨損面頭部機械磨損區(qū)域的SEM照片，摩擦方向為自右向左。從圖7中可以看出：機械磨損的主要磨損形式為犁溝和碾壓塑性變形[13,16-17]，而且，隨著相對滑動速度的增加，碾壓塑性變形的程度先增加后降低，在30 m/s條件下碾壓塑性變形程度最高。在機械磨損過程中，銅-石墨復(fù)合材料中的石墨在摩擦面上形成石墨膜，潤滑良好，阻止黏著發(fā)生，所以，硬點壓入后表面犁溝和軟材料被碾壓發(fā)生塑性變形。隨著相對滑動速度的增加，磨損面的熱量增加，材料的強度降低，碾壓塑性變形更加容易，超過30 m/s后，由于強度過低，導(dǎo)致塑性變形程度降低。

(a) 20 m/s (b) 30 m/s (c) 40 m/s

圖8給出了傳導(dǎo)電流120 A和載荷70 N條件下不同部位電弧侵蝕的SEM照片。從圖8中可以看出：磨損面上出現(xiàn)金屬熔化后凝固的痕跡，包括球形、半球形和橄欖形等形狀。其中，圖8a中凝固的金屬出現(xiàn)在銷試樣的圓柱面上，磨損面上沒有明顯的凝固痕跡；圖8b所示的磨損面上分布著大量的凝固金屬顆粒；圖8c中銷試樣的圓柱面和磨損面上均分布大量的凝固金屬顆粒。隨著相對滑動速度的增加，磨損面上凝固金屬顆粒的直徑和數(shù)量均增加。痕跡形成的原因是，電弧燒蝕后導(dǎo)致銅熔化，銅與石墨不潤滑，銅液冷卻收縮凝固。形成球狀的大小與收縮區(qū)域液態(tài)金屬量相關(guān)。隨著相對滑動速度的增加，電弧侵蝕加劇。銷試樣圓柱面上出現(xiàn)了凝固的金屬顆粒，是電弧被拉出摩擦面后，對銷試樣側(cè)壁燒蝕形成的[18]。

(a) 10 m/s (b) 20 m/s (c) 40 m/s

3 結(jié)論

(1)隨著相對滑動速度的增加，銅-石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)平均值略有增加，波動增加；磨損率先略有增加，當(dāng)相對滑動速度超過30 m/s后急劇增加，且傳導(dǎo)電流越大，增加越顯著；在試驗條件內(nèi)，相對滑動速度對載流性能的影響不大。

(2)磨損面可以分成機械磨損區(qū)域和電弧侵蝕區(qū)域，電弧侵蝕區(qū)域在總面積中占比不高，在40 m/s條件下達到最大，為15.48%。機械磨損主要形式為犁溝和碾壓塑性變形。電弧侵蝕主要形式為熔融，主要分布在磨損面尾部靠近邊緣位置，且隨著相對滑動速度的增加，電弧侵蝕增加。

(3)機械磨損和電弧侵蝕均使表面粗糙化，電弧侵蝕表面的粗糙化程度更加嚴重，在40 m/s條件下其表面粗糙度達到78.00 μm。