載流摩擦參數(shù)對C/C復(fù)合材料/QCr0.5摩擦副起弧率的影響

張會杰，孫樂民，上官寶，張永振

(河南科技大學(xué)河南省材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽471003)

0 引言

C/C復(fù)合材料是指碳纖維增強(qiáng)炭基體復(fù)合材料，具有高強(qiáng)高模、比重輕、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕、抗熱沖擊、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列良好性能，是一種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)-功能一體化的工程材料［1-3］。眾所周知，用碳作為滑板材料是降低磨損的有效方法［4］。與常用的滑板材料相比，C/C復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨性和抗電弧侵蝕性能，工作溫度較高，在給定使用條件下摩擦學(xué)性能較穩(wěn)定。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)的進(jìn)步，特殊工況條件下的摩擦學(xué)問題越來越突出，如高溫、高速下的摩擦磨損以及載電流摩擦磨損等，日益受到各國科研人員廣泛的重視［5-7］，其中，高速鐵路的不斷提速，造成滑動(dòng)過程中材料的磨損加劇以及電弧對材料的侵蝕越來越嚴(yán)重的問題，對電氣化鐵路弓網(wǎng)安全造成很大的威脅，受到越來越多的關(guān)注。雖然目前對材料載流摩擦磨損性能研究十分深入，但對造成材料磨損加劇的起弧研究甚少。

載流摩擦中的電弧是一種空氣放電現(xiàn)象，且動(dòng)態(tài)發(fā)生，對載流摩擦有很大危害［8］。本文根據(jù)高速鐵路實(shí)際工況，采用實(shí)驗(yàn)室模擬方法，以導(dǎo)線材料QCr0.5為盤試樣，抗電弧侵蝕性能好的C/C復(fù)合材料為銷試樣，兩者組成摩擦副，選用電流、速度、載荷為試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行載流摩擦磨損模擬試驗(yàn)，探討各試驗(yàn)參數(shù)對摩擦副起弧率的影響，為中國高速列車的研究提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1為HST-100銷盤式高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是常用的摩擦磨損試驗(yàn)裝置)結(jié)構(gòu)簡圖，試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠同時(shí)采集速度、扭矩、電流和正壓力4個(gè)參數(shù)。電流、光強(qiáng)和載荷波形圖通過微機(jī)測控系統(tǒng)傳入計(jì)算機(jī)。

1.2 試驗(yàn)材料及參數(shù)

試驗(yàn)所用銷試樣為C/C復(fù)合材料，密度為1.4×103kg·m-3，電阻率為29×10-6Ωm，斷裂強(qiáng)度為100 MPa，抗拉強(qiáng)度為91 MPa。盤試樣材料為QCr0.5。其中，C/C復(fù)合材料加工成9 mm×14 mm×21 mm的塊狀試樣，摩擦面為9 mm×14 mm。在室溫、干態(tài)試驗(yàn)條件下，摩擦配副的速度分別為10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s，載荷為 30 N、50 N、70 N、90 N、110 N。試驗(yàn)采用恒流交流電源，電流為 40 A、60 A、80 A、100 A、120 A。

圖1 高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)前摩擦面用800目的砂紙預(yù)磨，以保證銷試樣和盤試樣良好接觸。每組摩擦副在高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行10 s摩擦磨損試驗(yàn)。摩擦前后試樣的質(zhì)量由精度為0.1 mg的BS210S電子分析天平稱量，計(jì)算出材料的磨損率;扭矩由扭矩傳感器輸出至計(jì)算機(jī)中，計(jì)算得到摩擦因數(shù);試驗(yàn)后采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損后C/C復(fù)合材料表面微觀形貌，利用EDAX能譜儀(EDS)分析C/C復(fù)合材料表面成分的變化。微觀形貌觀察之前，試樣用超聲波清洗。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

起弧率是指在載流摩擦磨損試驗(yàn)過程中，電弧產(chǎn)生的總時(shí)間與摩擦試驗(yàn)總時(shí)間的比值，是衡量電弧產(chǎn)生機(jī)率的量。

2.1 載荷恒定，電流、速度對C/C復(fù)合材料起弧率的影響

圖2為載荷70 N時(shí)，電流、速度對C/C復(fù)合材料起弧率的影響，如圖2所示，C/C復(fù)合材料的起弧率隨著電流的增加整體呈增加趨勢，在電流小于80 A時(shí)，隨著電流增加，起弧率基本保持不變，當(dāng)電流大于80 A時(shí)，起弧率隨著電流的增加迅速增加。同一電流條件下，速度越高C/C復(fù)合材料的起弧率越高。在速度為30 m/s，電流120 A情況下起弧率為7.1%。主要是由于隨著電流的增加，摩擦產(chǎn)生的摩擦熱、焦耳熱、電阻熱增加，高溫使材料表面軟化和融化，當(dāng)摩擦表面溫度超過碳的氧化溫度時(shí)，部分材料表面氧化形成凹坑，以至銷盤接觸狀態(tài)變差。不規(guī)則的接觸表面導(dǎo)致電弧放電機(jī)率增加，電弧放電導(dǎo)致碳材料的嚴(yán)重磨損［9］。同時(shí)隨著速度增加摩擦盤高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使銷盤之間的振動(dòng)和沖擊加劇，電弧的強(qiáng)度和發(fā)生頻率增加，相應(yīng)的起弧率增加。

2.2 電流恒定，速度、載荷對C/C復(fù)合材料起弧率的影響

圖3為電流80 A，速度、載荷對C/C復(fù)合材料起弧率的影響。如圖3所示，隨著速度的增加C/C復(fù)合材料的起弧率整體呈增加趨勢，在速度大于25 m/s時(shí)，起弧率急劇增加。主要是由于在載流摩擦磨損試驗(yàn)中，速度增大時(shí)，摩擦盤高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使得摩擦副產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，離線情況增加，起弧率增加。在受流條件下，摩擦速率對起弧程度的影響很大［10］。

相同速度條件下，隨著載荷的增加，起弧率先減小后增大，當(dāng)載荷為30 N時(shí)，材料起弧率最高，70 N時(shí)材料的起弧率最低。在速度30 m/s、載荷30 N時(shí)，材料的起弧率最高，達(dá)16%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是:兩表面之間的接觸實(shí)際是表面微凸峰之間的接觸，只有很小的實(shí)際接觸點(diǎn)［11］，當(dāng)載荷較小時(shí)，摩擦副接觸面積較小，接觸狀態(tài)不穩(wěn)定，隨著接觸載荷的增加，摩擦副接觸面積增加，接觸狀態(tài)改善，銷盤在相對滑動(dòng)過程中脫離的可能性降低，從而降低起弧率，載荷增加到70 N時(shí)，起弧率最小，隨著載荷的繼續(xù)增加，起弧率出現(xiàn)升高的趨勢。因?yàn)檩d荷較大時(shí)，對于弓網(wǎng)系統(tǒng)來說相當(dāng)于受電弓將接觸導(dǎo)線抬起，兩跨距內(nèi)的接觸導(dǎo)線形成一個(gè)拱形，在滑動(dòng)時(shí)也可能出現(xiàn)不穩(wěn)定振動(dòng)而引起電弧的出現(xiàn)［12］。

圖2 電流對C/C復(fù)合材料起弧率的影響

圖3 速度、載荷對C/C復(fù)合材料起弧率的影響

2.3 摩擦磨損試樣表面形貌觀察

圖4 為C/C復(fù)合材料在不同試驗(yàn)條件下的磨損表面形貌，圖4a和4b為載荷110 N，速度30 m/s，電流分別為0 A、100 A情況下，材料磨損表面SEM形貌。由圖4a可見:磨損表面有大量的犁溝，表面受電弧侵蝕不嚴(yán)重，幾乎沒有電弧侵蝕坑。圖4b所示，材料受電弧侵蝕嚴(yán)重，表面除了有大量電弧侵蝕坑外，磨損表面還有犁溝和碳膜。從圖4a和圖4b可見:較大電流情況下，起弧率較大，磨損面受電弧侵蝕嚴(yán)重。圖4c和4d為載荷110 N，電流80 A，速度分別為10 m/s和30 m/s情況下，材料磨損表面SEM形貌。由圖4c可見:材料表面有少量的電弧侵蝕坑、磨屑和犁溝。相對于圖4c，圖4d中有大量的電弧侵蝕坑。由此表明速度較高情況下，電弧發(fā)生的強(qiáng)度和頻率增加，材料起弧率較高，受電弧侵蝕嚴(yán)重。

圖4 C/C復(fù)合材料磨損表面形貌

圖5為C/C復(fù)合材料在110 N，120 A和30 m/s情況下摩擦表面能譜分析。由圖5b可知:圖5a中A處磨損表面主要有基體碳、氧、銅元素，在較高速度下，磨損面的轉(zhuǎn)移Cu含量較高，主要原因是速度越大起弧率越高，電弧能量增加，溫度升高，使摩擦盤試樣上的銅黏著在磨損面上。

圖5 C/C復(fù)合材料摩擦表面能譜分析

3 結(jié)論

(1)隨著電流和速度的增加，C/C復(fù)合材料的起弧率增加。

(2)隨著載荷的增加，C/C復(fù)合材料的起弧率先增加后減小，在載荷為70 N時(shí)，起弧率最小。載荷30 N、速度30 m/s時(shí)，C/C復(fù)合材料的起弧率最高，為16%。

(3)C/C復(fù)合材料磨損表面微觀分析發(fā)現(xiàn)，電流速度較大情況下，磨損面有大量電弧侵蝕坑和轉(zhuǎn)移Cu。

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