不同相對濕度下銅/石墨配副載流摩擦性能研究

王星星，辛 順，吳睿渲，王 屹，邵小華，田志強，吳 瑕，宋晨飛

(1.中船九江精達科技股份有限公司，江西 九江 332008；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450；3.河南科技大學 高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南 洛陽 471023)

0 引言

碳刷是由石墨塊和銅材料構成的滑動載流摩擦副，是電氣化鐵路、電機、雷達等高端裝備傳輸電功率的唯一通道[1-3]。載流摩擦副的性能除了受載荷、電流和滑動速度的影響外，還受到溫度、相對濕度和氣氛等環(huán)境條件的影響[4-7]。文獻[8]研究了相對濕度對純銅滾動載流摩擦性能的影響，相對濕度的增加導致摩擦因數(shù)和表面氧化程度增大，表面損傷形式從黏著、磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p。文獻[9]研究了相對濕度對碳刷磨損率的影響，在50%相對濕度時，接觸表面的氧化層可作為潤滑劑使碳刷的磨損率減小，而較低相對濕度時則無潤滑現(xiàn)象。文獻[10]研究了相對濕度對純銅導線/碳滑板載流摩擦性能的影響，當相對濕度低于或超過這個最佳濕度時，產(chǎn)生的電弧會顯著增多。綜上所述，在不同的相對濕度環(huán)境中，載流摩擦性能和接觸表面狀態(tài)會發(fā)生明顯變化，但不同研究者所發(fā)現(xiàn)的性能變化規(guī)律和對相關微觀機制的認識不盡相同。因此，有必要進一步探索相對濕度對銅/石墨配副載流摩擦性能的影響。

本文以石墨塊和銅盤組成銷環(huán)式滑動載流摩擦副，在0%～80%相對濕度的大氣環(huán)境中開展了載流摩擦試驗，并基于摩擦表面形貌、成分分析結果闡明相關現(xiàn)象的微觀機制。

1 試驗

1.1 載流摩擦試驗方法

試驗設備為河南科技大學與南京神源生智能科技有限公司聯(lián)合研制的FTM-CF100載流摩擦試驗機[11]，如圖1所示。試驗采用的盤試樣材料為T2紫銅，盤試樣直徑為74 mm，外緣曲率半徑為100 mm，裝在A軸；銷試樣為石墨材料，長10 mm、寬10 mm、高5 mm，裝在B軸。試驗過程中A軸帶動銅盤旋轉(zhuǎn)，B軸靜止，盤試樣外緣和銷試樣構成滑動載流摩擦副。試驗前后利用分析天平對銷試樣稱質(zhì)量，質(zhì)量差值為磨損量。

圖1 FTM-CF100載流摩擦試驗機

試驗過程中設定載荷為100 N，初始電流為2 A，盤試樣轉(zhuǎn)速為40 r/min，對應的線速度為0.155 m/s。數(shù)據(jù)采樣的頻率為50 Hz，設定試驗總時長為1.5 h，單次數(shù)據(jù)采集時間為10 s，數(shù)據(jù)采集間隔為110 s，直至試驗結束。試驗過程中可獲取電流、接觸電阻、載流摩擦因數(shù)等動態(tài)信號，每種工況重復5次試驗。

1.2 相對濕度控制方法

圖2 飽和電解質(zhì)溶液法制備相對濕度可控的空氣

采用飽和電解質(zhì)溶液法制備相對濕度(relative humidity, RH)可控的空氣(見圖2)，并通入環(huán)境腔中，從而使得銅/石墨配副處在濕度可控的環(huán)境內(nèi)[12]。本試驗選用NaOH、MgCl2、NaBr、K2SO4的飽和溶液，可以得到10%、30%、50%和80%的可控相對濕度，誤差為±2%。相對濕度為0%的空氣直接從壓縮空氣鋼瓶中獲取。

1.3 摩擦表面表征方法

試驗結束之后，將銅盤試樣磨損區(qū)切割成 10 mm ×6 mm × 4 mm的塊體，然后浸泡于丙酮中，并超聲清洗30 min，自然風干后用于表面表征。采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy, SEM, TESCAN VEGA3 SBH, 捷克)觀察試驗后銅盤表面形貌與損傷情況；采用能譜儀(energy dispersive spectrometer, EDS, EDAX Octane SDD Series, 美國)分析銅盤表面的元素分布及相對含量；采用光學顯微鏡(optical microscopy, OM, DMi 8C, Leica, 德國)觀察銅盤試樣和石墨試樣的磨痕尺寸。

2 結果與討論

2.1 相對濕度對摩擦因數(shù)和接觸電阻的影響

圖3統(tǒng)計了相對濕度對平均載流摩擦因數(shù)和平均接觸電阻的影響。相對濕度從0%增加至80%時(見圖3a)，平均載流摩擦因數(shù)分別為0.420、0.484、0.530、0.503和0.472，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。文獻[13]報道了石墨的潤滑作用與相對濕度密切相關。潮濕空氣中的水分子會插入石墨層中，有利于石墨層間滑移進而提供潤滑作用。本試驗結果表明： 當相對濕度大于50%時石墨才提供潤滑效果，該規(guī)律與文獻[13]的報道一致。當相對濕度低于30%時，石墨試樣并未提供有效的潤滑作用，載流摩擦因數(shù)反而隨相對濕度的升高而增大，可能與吸附水誘導的毛細力有關[14-15]。由圖3b可見：不同相對濕度下銅/石墨配副的平均接觸電阻分別為0.839 Ω、0.935 Ω、0.994 Ω、0.927 Ω和0.876 Ω，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。石墨的電阻率為(8～13)×10-6Ω/m，遠高于銅的電阻率1.7×10-8Ω/m。隨著相對濕度的增加，石墨的磨損量之和以及石墨在銅試樣上的鋪展程度逐漸上升，因而接觸電阻逐漸升高。但當相對濕度大于50%時，石墨的磨損面積以及銅盤試樣的磨痕寬度大幅增加，導電接觸面積增加，導致高相對濕度時的接觸電阻有所下降。

(a) 平均載流摩擦因數(shù)

2.2 相對濕度對載流摩擦副磨損量的影響

圖4為不同相對濕度下銅盤試樣磨痕和石墨試樣磨痕。由圖4可知：當相對濕度從0%增加到80%時，純銅試樣磨痕寬度分別為3.94 mm、4.22 mm、4.51 mm、4.74 mm和6.31 mm，對應石墨試樣表面磨痕面積分別為11.06 mm2、11.21 mm2、11.40 mm2、13.69 mm2和21.30 mm2。磨痕寬度和磨痕面積呈現(xiàn)出逐漸遞增的變化趨勢。此外，銅盤試樣表面的磨痕顏色隨相對濕度的增加不斷加深，說明轉(zhuǎn)移至銅試樣表面的石墨含量逐漸增多。圖5為相對濕度對石墨試樣磨損量的影響。如圖5所示，石墨刷試樣在干燥大氣環(huán)境中的磨損量為0.2 mg；隨著相對濕度逐步增加至80%，磨損量隨之增加到1.1 mg，與圖4所示磨痕寬度和磨損面積的變化規(guī)律一致。磨痕寬度和磨損面積的增大意味著接觸導電面積的增大，特別是當相對濕度大于50%時，磨痕寬度和磨損面積增加明顯，因而對應工況下的接觸電阻有下降趨勢。文獻[16-17]報道當相對濕度較高時，大氣中的水分子將降低石墨層間的作用力，石墨層更容易產(chǎn)生滑移，導致高濕度下石墨磨損加劇，同時降低摩擦因數(shù)。

(a) 0%RH,2 A (b) 10%RH,2 A (c) 30%RH,2 A (d) 50%RH,2 A (e) 80%RH,2 A

圖5 相對濕度對石墨試樣磨損量的影響

2.3 相對濕度對磨損損傷機制的影響

銅/石墨配副的摩擦磨損性能與摩擦表面形成的石墨轉(zhuǎn)移膜密切相關[18]，為進一步揭示相對濕度對銅/石墨配副載流摩擦性能的影響機制，本文對銅盤試樣表面的形貌和成分做了詳細分析。分別選取本試驗的最低 (0%)、最高(80%)、性能發(fā)生轉(zhuǎn)變(30%)3個相對濕度條件下的銅盤試樣作為微觀表征樣品。圖6是不同相對濕度下銅盤磨損區(qū)域的SEM圖片。相對濕度為0%時(見圖6a)，銅盤表面有輕微的犁溝痕跡，表面僅有少量石墨(黑色部分)；相對濕度為30%時(見圖6b)，銅盤表面犁溝痕跡較為明顯，表面附著的石墨增多；相對濕度為80%時(見圖6c)，銅盤磨損表面大部分被石墨覆蓋，少部分顯現(xiàn)出銅金屬(白色部分)。

(a) 0%RH,2 A (b) 30%RH,2 A (c) 80%RH,2 A

圖7 不同濕度下銅盤磨損表面原子數(shù)百分含量

采用能譜分析了不同濕度下銅盤磨損表面原子數(shù)百分數(shù)，結果見圖7。由圖7可知：載流摩擦試驗后銅盤表面存在C、O、Cu這3種元素。銅盤表面的C元素由石墨試樣轉(zhuǎn)移獲得，O元素由銅發(fā)生氧化反應從空氣或水蒸汽中獲得[19-20]。隨著相對濕度的增加，C元素原子數(shù)百分含量從32.52%增加至44.77%，C元素在銅試樣表面的鋪展越來越充分，與圖5中石墨磨損量的變化規(guī)律一致。同時，O元素原子數(shù)百分含量從8.83%降低至2.70%，銅表面覆蓋的C元素有助于隔離Cu元素與空氣或水蒸氣的接觸，減緩Cu元素氧化。銅作為基體材料，元素原子數(shù)百分含量從58.65%降低至52.53%。由于3種元素原子數(shù)百分含量之和為100%，因此Cu原子數(shù)百分含量的降低與C原子數(shù)百分含量的上升有關。

綜上，相對濕度通過影響銅/石墨界面的石墨轉(zhuǎn)移膜，繼而影響配副的載流摩擦學性能。低于30%的相對濕度環(huán)境中，石墨無法提供有效的潤滑效果。隨著相對濕度繼續(xù)增加，C元素原子數(shù)百分含量繼續(xù)增加，C元素原子數(shù)百分含量大于40%時，載流摩擦因數(shù)開始降低。銅試樣表面磨痕寬度、石墨試樣磨痕面積增加明顯，有利于降低接觸電阻。因此，增加相對濕度可促進石墨轉(zhuǎn)移膜的形成，對降低銅/石墨配副的摩擦因數(shù)和接觸電阻有一定幫助，但卻會引起石墨磨損量加劇。

3 結論

(1)隨著相對濕度從0%增加至80%，載流摩擦因數(shù)和接觸電阻均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，且在相對濕度30%時達到最大值。

(2)隨著相對濕度的增加，石墨磨損量持續(xù)增加，導致銅試樣磨痕寬度和石墨試樣磨痕面積增加。

(3)磨損表面C元素原子數(shù)百分含量大于40%時，石墨轉(zhuǎn)移膜開始表現(xiàn)出潤滑效應。