不同銅含量浸金屬碳滑板的載流摩擦磨損性能*

許 巖 陳光雄 鐘傳枝 楊普淼

(西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所 四川成都 610031)

隨著軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，人們的出行與鐵路的緊密性不斷增加，列車(chē)能否安全運(yùn)行直接關(guān)系到乘客的人身安全。其中，作為列車(chē)安全運(yùn)行重要部分之一的弓網(wǎng)系統(tǒng)也逐漸成為學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。因此，對(duì)電力機(jī)車(chē)弓網(wǎng)系統(tǒng)中載流摩擦磨損行為的研究也日益增多[1-3]。載流摩擦是指在加載電流情況下的一種特殊摩擦學(xué)問(wèn)題，具有溫度高、速度快、載荷大等一系列特點(diǎn)[4]。弓網(wǎng)系統(tǒng)作為電力機(jī)車(chē)運(yùn)行導(dǎo)電部分的核心環(huán)節(jié)，一直以來(lái)也成為制約電氣化鐵路發(fā)展的重要因素。國(guó)內(nèi)城市軌道交通的供電系統(tǒng)是一種剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)，其摩擦副為剛性接觸網(wǎng)和受電弓碳滑板，在列車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，由于輪軌運(yùn)行的不穩(wěn)定性，受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)之間分離會(huì)產(chǎn)生離線(xiàn)電弧。電弧的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)間的磨損異常，這樣會(huì)大幅度降低列車(chē)的運(yùn)行性能，甚至發(fā)生安全事故。

國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者研究了載荷、電壓、電流、環(huán)境、振動(dòng)加速度、電弧能量等對(duì)磨損性能的影響。胡道春等[5]利用銷(xiāo)-盤(pán)式高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了電弧能量對(duì)浸金屬碳滑板材料載流摩擦磨損特性的影響；CHEN等[6]在自制實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了不銹鋼與浸銅金屬碳在電流作用下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著電流的增加，浸銅金屬碳滑板的摩擦因數(shù)減小，磨損量增大；ZHAO等[7]利用載流摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了碳石墨材料/鋼在有無(wú)電流時(shí)高速滑動(dòng)下的摩擦磨損性能,在有電流和無(wú)電流高速滑動(dòng)過(guò)程中，碳石墨材料表現(xiàn)出不同的摩擦磨損性能。

HU等[8]研究了2種不同的接觸線(xiàn)(銅銀合金接觸線(xiàn)和純銅接觸線(xiàn))在載流條件下分別與鋁基材料、銅基材料和純碳材料對(duì)磨的磨損情況。丁濤等人[9]研究了浸金屬碳滑板和純碳滑板分別與不銹鋼和純銅接觸線(xiàn)對(duì)磨時(shí)的摩擦特性，表明浸銅金屬碳滑板在與純銅接觸線(xiàn)匹配時(shí)會(huì)出現(xiàn)黏著磨損，從而使得磨損量增加。但目前尚未發(fā)現(xiàn)銅的含量對(duì)浸銅金屬滑板載流摩擦磨損性能影響的相關(guān)研究報(bào)道。為研究不同銅元素含量的浸金屬碳滑塊的磨損性能，本文作者在環(huán)-塊式高速摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，并且比較了不同電流情況下材料磨損表面形貌的變化。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用一種環(huán)-塊試驗(yàn)機(jī)，主要構(gòu)件為底座、旋轉(zhuǎn)盤(pán)、主電機(jī)、滑板升降臺(tái)、交/直流供電裝置等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1(a)所示。在試驗(yàn)過(guò)程中可以對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，速度范圍為0～400 km/h。轉(zhuǎn)盤(pán)上安裝有Cu-Ag合金接觸線(xiàn)。伺服電機(jī)帶動(dòng)滑塊做有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行頻率為0.2～3 Hz，且頻率連續(xù)可調(diào)。試驗(yàn)選擇的往復(fù)頻率為0.25 Hz。在載荷加載系統(tǒng)中，通過(guò)增減砝碼來(lái)調(diào)節(jié)滑塊的法向壓力，該法向壓力即為滑板與接觸線(xiàn)之間的接觸力。利用電流供電裝置提供0～600 A的有效電流。

利用精度為0.001 g的電子天平對(duì)浸金屬碳滑板質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量，求得每次試驗(yàn)下的磨耗量。通過(guò)紅外測(cè)溫儀對(duì)碳滑塊的溫度進(jìn)行測(cè)量，在接觸副運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定階段測(cè)得碳滑板溫度平均值。

1.2 試驗(yàn)材料和參數(shù)

試驗(yàn)所涉及到的碳滑板樣品均是來(lái)自地鐵服役中的弓網(wǎng)系統(tǒng)的碳滑板，其材料均為浸金屬材料。試驗(yàn)采用的不同成分的浸金屬碳滑板一共有3種，文中分別將其命名為材料A、材料B、材料C，并根據(jù)試驗(yàn)要求將滑塊加工成120 mm×34 mm×25 mm的長(zhǎng)方體形狀。材料成分具體參數(shù)如表1所示。

表1 滑板和接觸線(xiàn)的化學(xué)成分

試驗(yàn)前用砂紙對(duì)樣品接觸面進(jìn)行打磨，改善材料表面粗糙度，使材料表面粗糙度約為Ra=6.4 μm。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同電流工況下滑板的磨耗量

圖2(a)、(b)、(c)所示分別是3種不同材料在不同電流通過(guò)工況下的磨耗量隨載荷的變化關(guān)系?？芍?，在法向載荷小于40 N的情況下，3種滑塊的磨耗量隨著載荷的增加而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；當(dāng)加載電流從200 A變?yōu)?00 A時(shí)，不同材料的整體磨耗量均上升，說(shuō)明電流對(duì)滑板的磨損有著較大的影響。這是因?yàn)樵诖箅娏髑闆r下，產(chǎn)生的焦耳熱、電弧熱會(huì)增加，導(dǎo)致整個(gè)接觸副的溫度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大幅度的上升，高溫加劇了材料表面的損傷。在滑動(dòng)電接觸過(guò)程中，弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)引發(fā)受電弓離線(xiàn)，導(dǎo)致滑板與接觸線(xiàn)接觸不良，進(jìn)而產(chǎn)生電弧[10]；而電弧所帶來(lái)的電弧燒蝕是影響磨損率的主要因素，強(qiáng)烈的電弧放電會(huì)導(dǎo)致摩擦副表面產(chǎn)生高達(dá)幾千度的瞬間閃溫[11-12]，導(dǎo)致弓網(wǎng)的電弧燒蝕。而在一定范圍內(nèi)增加法向載荷，可以抑制振動(dòng)，減少整個(gè)過(guò)程中的離線(xiàn)頻率，可以有效地減少電弧放電，從而減少材料的磨耗。

從圖2中還可以看出，隨著法向接觸力的逐漸增大，磨損曲線(xiàn)的斜率逐漸減小，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，法向載荷對(duì)磨損率的影響隨載荷的增大而趨于減小。另外，隨著法向載荷的增大，同種材料在不同電流情況下的磨損差值趨于減小。這是因?yàn)樵龃筝d荷以后，接觸副發(fā)生離線(xiàn)率的頻率降低，電弧放電減少，電弧燒蝕所帶來(lái)的磨損就會(huì)極大地減少；而弓網(wǎng)磨耗主要是由電弧燒蝕、磨粒磨損和表面氧化剝落所引起的，其中電弧燒蝕對(duì)整個(gè)磨耗的影響最大[8]，由于電弧所帶來(lái)的磨損小，在較大載荷下的磨耗差值更多體現(xiàn)在機(jī)械磨損和表面氧化磨損上，因而磨損相差不大。

圖2 不同電流下3種材料的磨耗量隨法向載荷的變化

通過(guò)比較圖2中在電流I=200 A時(shí)3種材料的磨損情況，可以看出，3種材料的磨耗量雖均隨著法向載荷增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但磨耗情況卻有所不同，其中材料C的磨耗量整體上比材料A和B要大。從表1可以看出，材料C中銅元素含量較大，含碳量相對(duì)較少。而試驗(yàn)采用的接觸線(xiàn)為銅銀合金接觸線(xiàn)，其主要成分也為銅。在電滑動(dòng)磨損過(guò)程中，電弧燒蝕和氧化磨損是同時(shí)存在的，相同材料在載流磨損過(guò)程中極易發(fā)生材料的黏著，使得2種接觸時(shí)的摩擦因數(shù)增加，導(dǎo)致更多的機(jī)械磨損與化學(xué)磨損。另外，由于電弧熱、焦耳熱、摩擦熱引起的高溫氧化也會(huì)進(jìn)一步促使表面氧化物的形成和脫落[9]。

同樣，通過(guò)對(duì)比圖2中在電流I=400 A時(shí)3種不同材料的磨損情況，可以得知3種材料仍然符合小電流(I=200 A)情況下的規(guī)律,即隨著法向載荷的增加，磨耗量出現(xiàn)了逐漸減少的趨勢(shì)。另外，可以看到材料A在大電流(I=400 A)情況下出現(xiàn)了異常磨耗，磨耗量出現(xiàn)了劇增。同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在電流達(dá)到400 A時(shí)，整個(gè)過(guò)程的運(yùn)行溫度達(dá)到了400～600 ℃，滑塊背部出現(xiàn)了嚴(yán)重的脫落、掉塊，導(dǎo)致滑板的損耗很大。因此可以推測(cè)在大電流情況下，浸金屬材料A因銅含量較低(銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.17%)，散熱性及熱穩(wěn)定性能較差，當(dāng)溫度超過(guò)某一個(gè)值時(shí)，會(huì)加劇材料的熔融和氣化。此時(shí)，材料的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)降低，抗沖擊性能也會(huì)變差，更容易產(chǎn)生掉塊的現(xiàn)象。此外，在大電流情況下，浸金屬材料C(銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.45%)滑塊磨耗量仍然要比浸金屬材料B(銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.8%)滑塊磨耗量大，含銅量多的浸金屬材料磨耗量依然較大。

2.2 不同電流下材料的溫度變化

載流試驗(yàn)過(guò)程中，溫度受到多方面因素的影響，包括室內(nèi)溫度、濕度以及接觸線(xiàn)與滑板接觸的實(shí)時(shí)情況等。在不考慮特殊條件的情況下，摩擦接觸副之間主要的熱量來(lái)源有電弧熱、焦耳熱以及摩擦熱[13]。對(duì)3種材料在不同電流和載荷下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每組材料的溫度變化存在一定的規(guī)律性，即剛開(kāi)始會(huì)出現(xiàn)溫度的劇烈波動(dòng)，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，浸金屬碳滑板的溫度波動(dòng)趨于平緩。在材料溫度相對(duì)穩(wěn)定階段進(jìn)行溫度測(cè)量，每種材料溫度平均值變化規(guī)律如圖3所示?？梢钥闯觯牧蠝囟入S著法向載荷的變化并無(wú)較為明顯的規(guī)律，但在電流為400 A的情況下，材料的整體溫度明顯上升。這是因?yàn)殡娏髟酱?，接觸副之間產(chǎn)生的電弧能量越高，產(chǎn)生的焦耳熱和電弧熱也更多，共同作用使得滑板整體溫度升高[14]。

通過(guò)對(duì)比圖3中加載電流為I=200 A和I=400 A時(shí)的溫度變化情況可以看出，雖然3種材料的溫度均隨著接觸壓力變化而變化，但其溫度的整體變化區(qū)間存在明顯的不同。其中材料A的整體溫度平均值最高，材料B的溫度次之，材料C的溫度最低。材料C由42.8%的碳元素以及50.45%的銅元素組成，含銅元素較多更容易發(fā)生黏著磨損，這會(huì)使得材料表面軟化，材料表面接觸較好，產(chǎn)生拉弧更少，因此材料C的溫度相對(duì)較低。結(jié)合3種材料在載流情況下溫度的變化情況，可以初步推測(cè)一定程度增大銅元素含量可以使試驗(yàn)過(guò)程中滑板表面溫度降低。

圖3 不同電流下3種材料的溫升隨法向載荷的變化

3 材料表面分析

3.1 材料宏觀表面

圖4所示是3種材料在電流為200 A情況磨損后的表面形貌?？梢钥闯?，材料A表面出現(xiàn)了較多的燒蝕麻點(diǎn)，材料B表面則是出現(xiàn)了一些大的凹坑和犁溝，材料C表面不僅出現(xiàn)了凹坑和犁溝，還出現(xiàn)了明顯的劃痕。說(shuō)明材料C發(fā)生了明顯的黏著磨損，使得材料軟化，而在加大法向力的情況下，大的剪切應(yīng)力使得材料表面出現(xiàn)了劃痕。

圖4 不同材料在小電流(I=200 A)情況下磨損表面

圖5所示是電流為400 A情況下時(shí)，3種不同材料的磨損表面形貌。相比電流為200 A工況下的相對(duì)摩擦滑動(dòng)，3種材料的表面損傷情況都有一定的加劇，其中材料C的燒蝕坑數(shù)量增多，材料劃痕變粗、變深。材料A與材料B出現(xiàn)了類(lèi)似環(huán)狀磨粒碳圈，不同的是，材料A的損傷程度更為劇烈，磨粒數(shù)量更多。這可能是因?yàn)椴牧螦含碳量高，在高速狀態(tài)的磨損下，材料表面會(huì)產(chǎn)生大量的碳粉末；而在大電流條件下，試驗(yàn)過(guò)程的平均溫度較高，電弧熱、焦耳熱為主產(chǎn)生的高溫會(huì)使得材料表面形成凸起和凹坑；同時(shí)在高溫下這些碳磨屑會(huì)發(fā)生高溫聚集，從而形成大量的磨粒碳圈。材料C銅元素的成分比較多，在與銅銀合金對(duì)磨時(shí)產(chǎn)生的材料親和性較強(qiáng)，在大電流情況下材料表面會(huì)發(fā)生明顯的黏著磨損，使得材料表面進(jìn)一步軟化，因此出現(xiàn)了更為明顯的劃痕。

圖5 不同材料在大電流(I=400 A)情況下磨損表面

3.2 材料微觀表面形貌

圖6所示為3種不同材料磨損前的微觀表面SEM圖。3種材料在原始狀態(tài)下其表面碳分布都比較均勻，并無(wú)明顯的金屬分布，并且可以看到材料表面都有高低不同的凹坑和凸起。其中材料A表面有較多的孔隙，材料C表面有一些較為明顯的裂紋。

圖6 材料磨損前微觀表面形貌

圖7顯示了3種不同材料在加載小電流磨損之后的情況,可以看到3種材料表面均出現(xiàn)了裂紋和凹坑。材料A出現(xiàn)了較為明顯的表面光滑區(qū)，這是因?yàn)椴牧显诟邷叵律闪搜趸ぃ坏瑫r(shí)在載流高速的條件下，氧化物也會(huì)逐漸脫落，形成如圖7(a)所示的不規(guī)則表面，并且伴有較多的氧化物顆粒。這說(shuō)明在運(yùn)行過(guò)程中，材料A主要發(fā)生的是電弧燒蝕和氧化磨損，并伴有輕微的磨粒磨損。在運(yùn)行過(guò)程中材料A表面還生成脆性剝落塊，由于其抗沖擊性差，在高速運(yùn)行狀態(tài)下，摩擦副的振動(dòng)使得這些有脫落趨勢(shì)的塊狀物體掉落，最終形成一個(gè)大的剝落區(qū)域。從圖7(b)可以看出，材料B磨損后表面有明顯的電弧燒傷現(xiàn)象，并且出現(xiàn)了較長(zhǎng)的裂紋。從圖7(c)可以看出，材料C磨損后表面并無(wú)明顯的層狀剝落塊，而是出現(xiàn)了較為明顯的燒蝕麻坑以及大小不同的剝落坑；并且表面伴有帶狀磨屑，說(shuō)明該材料發(fā)生了較為嚴(yán)重的電弧燒蝕以及黏著磨損[15]。這是因?yàn)樵摬牧虾休^多的銅元素，與含銅量較多的接觸線(xiàn)對(duì)磨時(shí)出現(xiàn)明顯的黏著磨損，摩擦熱、焦耳熱和電弧熱引起的高溫氧化也加速了黏著剝落塊的形成和排出，從而導(dǎo)致了浸金屬碳材料磨損加劇。

圖7 材料磨損后微觀表面形貌(電流200 A)

圖8所示是不同材料在大電流400 A情況下的微觀形貌?？芍?，材料A、B表面出現(xiàn)了較為明顯的大裂紋，且材料表面燒蝕更為嚴(yán)重，在裂紋根部出現(xiàn)了大的剝落坑，以及有掉落趨勢(shì)的塊；材料C表面出現(xiàn)了明顯的燒蝕劃痕，并且出現(xiàn)了更為劇烈的剝落以及更大的燒蝕坑。

圖8 材料磨損后微觀表面形貌(電流400 A)

可見(jiàn)，在高速大電流情況下，3種材料表面均出現(xiàn)了嚴(yán)重的燒蝕區(qū)域，其中材料A、B表面出現(xiàn)較大的裂紋和剝離坑，材料C表面則是出現(xiàn)更大的更多的剝落坑以及較為明顯的劃痕。這是因?yàn)?，在加載大電流的情況下，摩擦副的溫度更高，材料的服役環(huán)境變得更加惡劣，導(dǎo)致材料各種損傷加?。煌瑫r(shí)，由于在離線(xiàn)率高的情況下，表面形成的氧化膜在法向載荷沖擊和剪切力的作用下被破壞，隨著磨損的持續(xù)進(jìn)行，使得裂紋不斷加劇最終形成大小不一的凹坑[16]。

4 結(jié)論

(1)加載電流增大，磨耗量明顯增加。法向載荷在一定范圍內(nèi)的增加，能有效地減少滑板材料的磨耗量，即磨耗量隨著接觸力的增大而出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

(2)加載相對(duì)較小電流時(shí)，含銅量越多的浸金屬滑塊磨耗量也越多。但是在大電流情況下，含銅量最低的材料A滑塊不耐高溫，容易造成材料的熔融、氣化而使磨耗量急劇增大。

(3)在載流情況下3種滑板材料的表面溫度有很大的差別，含銅元素最少材料的表面溫度最高，含銅元素最多的材料表面溫度最低，其散熱性較好。

(4)與銅銀合金線(xiàn)對(duì)磨時(shí)，銅含量較高的材料B和材料C滑塊發(fā)生了較為明顯的黏著磨損，并且含銅元素多的材料黏著磨損越明顯。