有無電流條件下溫度對碳/銅摩擦副摩擦磨損性能的影響

丁 濤 王 鑫 陳光雄 朱旻昊

西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,成都,610031

0 引言

載流摩擦學主要研究處于電場中的摩擦副在通電條件下的摩擦磨損行為。載流摩擦主要存在于高速鐵路及城市軌道交通中的有軌電車和無軌電車的電力傳輸系統[1-3]、發電機和勵磁電機的電刷[4-6]等摩擦副中。電流的加入使得原本就復雜的摩擦學問題變得更加復雜[7],載流摩擦學也引起了國內外學者越來越多的關注。電流的通過使得摩擦副接觸處溫度明顯升高,這主要是由摩擦副材料產生電阻熱和電弧熱以及原本的摩擦熱所引起的,且溫度的升高會導致摩擦副磨損的加劇[8-11]。本文采用熱電偶溫控儀對加熱器進行控制,在不同溫度下進行碳/銅摩擦副的載流摩擦磨損試驗,研究溫度及電流對摩擦磨損性能的影響,并用掃描電鏡觀察和分析磨損前后滑板試樣的表面磨痕形貌。

1 試驗部分

圖1為銷-盤摩擦磨損試驗機簡圖,圖中電源5的正極經盤試樣1、銷試樣18、并經電流表6回到電源負極;砝碼13經定滑輪12對銷/盤接觸處施加法向載荷,使其和盤試樣良好接觸;電動機4帶動盤試樣旋轉,提供銷試樣和盤試樣對磨的動力。此外,銷試樣上增添了加熱器17并用熱電偶溫控儀20來控制加熱的溫度。盤試樣使用純銅材料,銷試樣使用純碳滑板材料。盤試樣是由99.9%銅及少量雜質組成,銷試樣的材料主要由碳元素組成,還含有少量的氧元素和硫元素。

圖1 載流磨損試驗機簡圖

試驗選取法向載荷F n為55N,電流 I為0和50A,轉動速度v為1500r/min(約70km/h),溫度θ選擇 100℃、160℃、220℃、260℃和 300℃,滑動距離 s分別為30km、60km、90km 和 180km。試驗后用精度為0.1g的電子天平稱量磨損量w,使用紅外測溫儀測量接觸點附近的溫度,使用MATLAB軟件分析計算得出摩擦因數,使用SEM和EDS分析磨損前后的表面形貌及表層成分。

2 結果與分析

2.1 溫度隨時間的變化

圖2 銷試樣在有、無電流條件下溫度隨時間的變化(s=180km)

圖2 所示為在載流摩擦磨損試驗中,銷試樣在有電流、無電流條件下溫度隨時間的變化曲線。由圖2可知,隨著時間的推移,溫度不斷地升高,且當無電流通過時,銷試樣的溫度隨著時間的推移緩慢地升高,且最后趨向穩定并保持在40℃左右;而加載電流后,在剛開始的20min,銷試樣的溫度就迅速升高到了100℃左右,隨著時間的推移,銷試樣的溫度逐漸穩定在110℃左右。當無電流通過時,接觸面間由于摩擦生熱可使得接觸副溫度緩慢升高到40℃左右;當通入電流后,在電流熱、電弧熱以及摩擦熱的共同作用下,摩擦表面的溫度迅速升高到了110℃左右,表明電流和電弧發熱是載流摩擦磨損過程中熱量的主要來源,電流的通入是導致接觸副溫度升高的主要原因。

2.2 溫度對摩擦因數的影響

圖3所示為在有電流、無電流條件下,摩擦因數隨溫度的變化曲線。從圖3可以看出,摩擦因數很小且在0.11左右波動。當無電流通過時,摩擦因數隨溫度的升高先增大而后逐漸減小直到趨向穩定。當溫度在100～160℃時,由于溫度不高,摩擦副以機械磨損為主,但隨著表面磨屑的不斷增多,造成了三體摩擦,使得摩擦因數逐漸增大。而當溫度繼續升高到220℃時,接觸面溫度的升高造成盤試樣溫度也升高,當溫度達到或超過銅盤的氧化溫度后,盤試樣的表層被氧化,形成氧化物,同時在摩擦的過程中發生材料的轉移,因此在接觸副間就形成一層氧化物,由于氧化物的潤滑作用使得摩擦因數不斷地減小,而隨著溫度的進一步升高,表面氧化物達到動態平衡,所以摩擦因數基本保持不變。當通入50A的電流時,由于摩擦熱、電弧熱和電阻熱的存在,表面溫度在10min后就升高到110℃以上,所以圖3和圖4中缺少100℃時銷試樣的摩擦磨損性能數據。160℃以后隨著溫度的升高,摩擦副的摩擦因數也是逐漸減小,直到穩定。

圖3 摩擦因數隨溫度的變化(s=90km)

2.3 溫度對滑板材料磨損的影響

圖4 所示為在有電流、無電流條件下,銷試樣磨損量隨溫度的變化曲線。從圖4可以看出,當無電流通過時,銷試樣的磨損量w很小(一般在0.22g以下),且溫度在 100～160℃變化時,銷試樣的磨損量變化不大,隨著溫度的進一步升高,銷試樣的磨損量緩慢增加,但增長幅度較小。當通入50A的電流后,銷試樣的磨損量明顯增加,最高達到0.30g左右。隨著溫度的升高,磨損量顯著增加且漲幅較大(幾乎呈線性),表明溫度上升導致了銷試樣磨損量的增加,而電流的加入導致接觸面溫度的迅速升高,從而造成銷試樣磨損加劇。具體原因為：溫度高時表面松軟,在摩擦過程中容易形成磨屑,磨粒磨損和黏著磨損導致了磨損的加劇;另外,在高溫條件下,當溫度達到或超過碳或硫的燃燒溫度后,相接觸的碳層會不斷地燃燒揮發(高溫時時常聞到刺鼻SO2的味道),新的碳層重新露出后又參與摩擦,這樣周而復始的摩擦也導致了磨損量的增加。當通入電流后,接觸處時常有電火花或電弧(微弧)出現,而電弧燒蝕是造成磨損加劇的主要原因[12-14],所以銷試樣的磨損顯著增加。在相同溫度下,有電流時磨損較無電流時顯著增加的主要原因是摩擦過程中有電火花或電弧(微弧)的存在。電火花或電弧(微弧)會對接觸界面造成嚴重的燒蝕,同時會使摩擦副接觸惡化,電火花或電弧(微弧)發生頻率的增大,也會造成磨損加劇[14-16]。所以在載流摩擦磨損過程中,特別是當通入的電流較大時,一定要保證摩擦副的良好接觸,防止電弧(微弧)的出現,這樣才能延長摩擦副材料的使用壽命。

圖4 有無電流條件下磨損量隨溫度的變化(s=180km)

2.4 溫度對磨損形貌的影響

圖5 為銷試樣在磨損前后表面形貌的掃描電子顯微鏡照片。從圖5可以看出,隨著溫度的升高,磨損表面粗糙度逐漸減小,磨屑逐漸減少,且磨損表面也逐漸變得平滑。由于溫度的升高,銅盤試樣表層熔化,同時在高溫下銅盤試樣被氧化,熔融金屬氧化物在摩擦磨損過程中轉移到了銷試樣的表層,部分磨屑也熔合到了熔融金屬氧化物中,接觸副在一定壓力下做滑動摩擦時,銷試樣表層形貌變得致密、平滑,且磨屑也相對較少。

圖5 磨損表面隨溫度變化(無電流、s=180km)

由圖6a可知,初始銷試樣表面比較光滑,僅有少量的缺陷。圖6b、圖6c顯示了有無電流條件下,溫度為300℃時,銷試樣的磨損表面形貌。從圖6b、圖6c中可以看出,當無電流通過時,磨損表面比較平滑且有明顯的磨痕和剝落裂紋(如圖中E處)的痕跡;當通入50A的電流時,表面出現較明顯的電弧燒蝕的亮點和彈坑(如圖中F處)。以上結果表明,在相同溫度下,當無電流通過時,摩擦副磨損機制以磨粒磨損和黏著磨損為主;而當有電流通過時,以電弧燒蝕和氧化磨損為主。

圖6 磨損表面形貌SEM照片(θ=300℃、s=180km)

圖7 所示為磨損前后銷試樣接觸面的EDS圖譜。從圖7可以看出,磨損前銷試樣表面的材料主要是由碳元素組成,僅含有少量的氧元素和硫元素,如圖7a所示。磨損后,銷試樣接觸面成分明顯改變,碳材料表層出現了從盤試樣表層轉移來的銅元素,且在銷試樣的接觸表層,不同的區域銅元素的含量也不同。選取碳表層不同區域的EDS圖譜觀察得知,表面碳元素、銅元素和氧元素的分布并不均勻。黑色的區域(圖5中A處)以碳元素為主,只有少量的銅元素存在,而在片狀的剝落區(圖5中B處)和白色磨屑區(圖5中C處)觀察到了明顯的銅峰,且氧峰較A處有了明顯的上升,而碳峰較A處有明顯的降低。說明此時銅元素和氧元素的含量明顯增加,表明碳層表面氧化嚴重,且有氧化物形成和沉積;碳元素明顯減少表明摩擦磨損過程中的高溫使得碳氧化掉很多,同時熔凝的金屬氧化物在表層的覆蓋也造成了碳峰的降低。B處和C處的成分及含量基本一致,表明磨屑C為B處剝落的掉塊。A處與B處和C處成分的不同說明,銷盤試樣發生摩擦磨損時被氧化,黏著和電弧燒蝕在摩擦界面出現是無規律的,這與接觸面局部發生電火花或電弧(微弧)燒蝕,且造成局部燒蝕氧化(圖6b和圖6c)的現象一致,這也充分證明了摩擦磨損的過程中會出現黏著磨損、氧化磨損和電弧燒蝕現象。

圖7 磨損面不同區域 EDS圖譜(θ=100℃、s=180km)

3 結論

(1)當無電流通過時,摩擦副表面溫升很小,僅升高到40℃。加載電流后,摩擦副溫度迅速升高到110℃左右,載流磨損摩擦副溫升主要源于電流的通過。

(2)當無電流通過時,摩擦因數隨著溫度的升高先增大后減小;當有電流通過時,摩擦因數隨溫度的升高而減小。

(3)當無電流通過時,銷試樣磨損量很小,且隨著溫度的升高緩慢增加;當有電流通過時,電弧(微弧)燒蝕造成了銷試樣磨損量顯著增加,載流摩擦系統中電接觸應減少電弧(微弧)的發生以延長接觸副的使用壽命。

(4)當無電流通過時,接觸副的摩擦以磨粒磨損和氧化磨損為主;當有電流通過時,以電弧燒蝕和氧化磨損為主,且隨著溫度的升高,磨損表面粗糙度有所減小且逐漸平滑。

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