AuNi9電刷絲載流摩擦磨損試驗研究

于艷艷

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，長春130062）

1 載流磨損

1.1 產(chǎn)生原因

AuNi9電刷絲與黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環(huán)的固體表面都存在不規(guī)則性，兩個表面的實際接觸發(fā)生在離散的微凸體上。當(dāng)電流通過微凸體時，微凸體之間的微小空隙會產(chǎn)生靜電場，由于摩擦副表面形成的電場發(fā)射電子的作用，微凸體間隙之間的氣體發(fā)生電離，從而形成微電弧。微小電弧會導(dǎo)致接觸點發(fā)生電弧侵蝕，而侵蝕程度的大小取決于微凸體接觸點的多少，接觸點越多，微電弧就越少，電蝕程度就越小[1-3]。如圖1所示。

圖1 滑動電接觸原理圖

在滑動過程中，摩擦副的滑動接觸界面需要傳遞電流，導(dǎo)致接觸材料的磨損要比單一因素的磨損形式更復(fù)雜。微凸體上同時存在摩擦力和電流，滑動時接觸表面溫度不斷升高，微凸體的溫度隨之升高，這一溫升將引起材料表面的熱氧化，接觸材料的物理性質(zhì)發(fā)生改變，微凸體遭到破壞。周而復(fù)始的破壞與再生便形成了摩擦副的摩擦磨損行為[4]。

1.2 載流條件下的磨損機(jī)制

Bowden和Tabor認(rèn)為金屬材料的摩擦副在進(jìn)行往復(fù)滑動時，微凸體接觸點之間的壓力很大，當(dāng)接觸表面開始滑動，微凸體接觸點相互之間將產(chǎn)生剪切力，這一剪切力導(dǎo)致微凸體斷裂或變形，斷裂的微凸體在硬度較小的材料表面形成犁削作用，導(dǎo)致接觸表面形態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生犁溝和塑性變形。不管是微凸體的微觀變形，還是犁削作用導(dǎo)致的宏觀變形，都將伴隨著一定的能量損耗，根據(jù)能量守恒的原理，這一能量損失主要來源于接觸材料形貌的改變[5]。

電刷絲與滑環(huán)摩擦副的接觸界面需要傳遞電流，同時又存在載荷和溫升的影響，這使此摩擦副的磨損狀態(tài)比一般的磨損更復(fù)雜，同時受到摩擦副間的摩擦磨損、電弧侵蝕的作用，引起接觸電阻升高、接觸面溫度升高、接觸表面粘著以及材料損耗等問題[6]。

電刷絲與滑環(huán)摩擦副在工作中通以電流時，摩擦副接觸面之間的微凸體間隙會產(chǎn)生電弧，電弧的放電和高溫引起接觸材料的轉(zhuǎn)移和熔融，造成電弧侵蝕，電弧侵蝕是電氣磨損的主要形式。受到電弧侵蝕的材料表面化學(xué)腐蝕現(xiàn)象明顯，存在大的剝落坑和磨粒等[7-8]。

S.Kubo[9]用表達(dá)式：

表示了電弧能量與電弧侵蝕量之間的關(guān)系。其中，WS表示材料的電弧侵蝕量；表示材料的電弧能量，與電弧電壓U、電流I、電弧燃熾時間t有關(guān)；a、b是接觸材料相關(guān)的系數(shù)。分析以上公式可知，風(fēng)電滑環(huán)摩擦副的電弧侵蝕程度不僅與電流大小有關(guān)，還與材料本身的物理性質(zhì)有關(guān)。載流摩擦磨損過程比較復(fù)雜，機(jī)械磨損的同時伴隨著電氣磨損，接觸材料溫度的升高，焦耳效應(yīng)和接觸面上等離子區(qū)的離子轟擊作用所產(chǎn)生的熱量引起接觸材料組織發(fā)生相變，甚至使接觸界面材料發(fā)生熔融。表面軟化增大了流動性、延展性，從而使實際接觸面積增大，引起更大的黏附磨損，微小顆粒的產(chǎn)生也加劇了磨粒磨損等等。

2 試驗部分

構(gòu)建電刷絲與滑環(huán)摩擦副載流摩擦磨損的試驗?zāi)Ｐ停囼灄l件為摩擦副轉(zhuǎn)速200r/min，接觸載荷F為0.5N，電流0.2A，在此條件下進(jìn)行磨損試驗。磨損后滑環(huán)和電刷絲的圍觀形貌如圖2所示。

圖2 黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環(huán)與AuNi9電刷絲的磨損后表面形貌

經(jīng)過試驗后發(fā)現(xiàn)，圖2（a）中黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環(huán)的磨損以AuNi9電刷絲的犁削作用為主，主要有粘附磨損和磨粒磨損兩種形式，滑環(huán)表面有犁溝，但不是很嚴(yán)重，黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環(huán)材料中的鈀可以使阻止材料轉(zhuǎn)移的性能增強(qiáng)，同時提高了合金材料的硬度和耐摩擦性能。

圖2（b）中AuNi9電刷絲的磨損表面出現(xiàn)犁溝、麻點以及微裂紋，說明電刷絲發(fā)生了黏附磨損、磨粒磨損、疲勞磨損，材料表面略微發(fā)黑，是受到電弧燒蝕的作用。黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環(huán)材料的硬度略大于電刷絲的硬度，硬質(zhì)顆粒擠入相對較軟的表面，產(chǎn)生犁削和擠壓的作用，使電刷絲材料表面發(fā)生塑性變形。金中加入鎳可以使硬度提高，從而減輕了AuNi9電刷絲的磨損。

3 結(jié)論

綜上所述，黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環(huán)與AuNi9刷絲摩擦副載流條件下的磨損形式有黏附磨損、磨粒磨損、電弧侵蝕以及疲勞磨損，其中滑環(huán)以黏附磨損和磨粒磨損為主，電刷絲以黏附磨損、磨粒磨損、疲勞磨損以及電弧侵蝕為主。材料硬度起到關(guān)鍵的作用，硬度差值越小的摩擦副材料，磨損情況就越好。