相對滑動速度對銅-石墨復合材料載流摩擦性能的影響

楊正海，上官寶，孫樂民，張永振

(河南科技大學 a.高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室；b.材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

銅-石墨復合材料具有良好的導電導熱性能和減摩耐磨性，是一種較為理想的載流摩擦材料，廣泛應用在軌道交通、電力電子和自動控制等工業領域[1-3]。銅-石墨復合材料的服役性能受到材料特性、服役工況和環境氣氛等多重因素的影響[4-7]。

相對滑動速度作為載流摩擦副的關鍵服役條件之一，對服役性能有重要影響。文獻[8-9]的研究表明：隨著相對滑動速度的提高，載流摩擦副的摩擦因數變化較復雜，材料磨損率不斷增大，載流質量惡化。相關機理研究認為，磨損面上存在機械磨損和電弧侵蝕[10-12]，但僅僅停留在定性研究層面，且對摩擦面上不同區域行為不同的問題，少見報道。

本文以電力機車滑板和接觸線摩擦副為背景，采用市售鉻青銅(QCr0.5)與自制銅-石墨粉末冶金復合材料配副，考慮載流摩擦行為的不均勻性，研究相對滑動速度對銅-石墨復合材料載流摩擦性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗設備與方法

圖1 試驗設備示意圖

載流摩擦試驗在自制的HST-100型高速載流摩擦試驗機上進行，試驗設備示意圖如圖1所示。摩擦副為銷盤式，電動機通過帶傳動帶動盤試樣旋轉運動，液壓加載系統將銷試樣壓在旋轉的盤試樣上形成相對滑動。電流從電源流出，經過一個銷試樣和盤試樣，從另一個銷試樣流回。銷試樣的直徑為10 mm，兩銷中心距為160 mm。

載流摩擦試驗后，用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(scanning electronic microscopy，SEM)觀測銷試樣的磨損面，用NanoFocus AG型三維形貌儀分析銷試樣磨損面的形貌。

試驗前，采用600#砂紙對銷試樣和盤試樣進行10 min的預磨，每個試驗重復3次，除部分動態數據外，其他數據均采用3次試驗的平均值。

試驗中，使用由摩擦因數和失質量法測量的質量磨損率表征摩擦磨損性能，使用載流效率和載流穩定性表征載流性能。載流效率為實測電流的平均值與給定電流的百分比，載流穩定性S無量綱，其值越小，電流越穩定，載流穩定性越好[7]。

1.2 試驗材料及制備

銷試樣采用自制的銅-石墨復合材料(石墨質量分數為10%)，盤試樣為市售鉻青銅(QCr0.5)。銅-石墨復合材料由電解銅粉和鱗片狀天然石墨粉采用鐘罩爐粉末冶金制備。銅粉的質量分數大于99%，石墨的質量分數大于99%，粉末粒度均為75 μm。粉末冶金工藝：將按質量配比稱量的兩種粉末，加入等總質量直徑為5 mm的純銅球，V型混料機混料18 h。然后，以 360～380 MPa的載荷壓制得到柱狀坯體。接著，用鐘罩爐在氫氣保護下860 ℃燒結，升溫速度為3 ℃/min，保溫1 h，隨爐冷卻。最后，對燒結好的材料用320～360 MPa的壓力進行復壓。

2 結果與討論

2.1 不同相對滑動速度條件下銅-石墨復合材料的載流摩擦性能

圖2為傳導電流120 A、載荷70 N的條件下，不同相對滑動速度下的摩擦因數曲線。從圖2中可以看出：所有的摩擦過程均快速地完成“跑合”，進入穩定摩擦磨損階段；隨著相對滑動速度的增加，平均摩擦因數從0.233增加到0.274，摩擦因數的標準差從10 m/s時的0.048 8增加到40 m/s時的0.063 2，即摩擦因數的波動程度增加。摩擦因數取決于摩擦面上的機械摩擦過程，因此，試驗結果表明：隨著相對滑動速度的增大，摩擦過程的平穩程度變差。

(a) 相對滑動速度10 m/s (b) 相對滑動速度20 m/s

(c) 相對滑動速度30 m/s (d) 相對滑動速度40 m/s

圖3給出了載荷70 N條件下不同相對滑動速度的摩擦磨損性能曲線。圖3a為平均摩擦因數曲線，由圖3a可以看出：隨著相對滑動速度的增加，配副的平均摩擦因數升高，趨勢平緩，而且，傳導電流為120 A的平均摩擦因數略大于傳導電流為60 A的平均摩擦因數。圖3b為銷試樣的磨損率曲線，由圖3b可以看出：隨著相對滑動速度的增加，磨損率先緩慢增加，當相對滑動速度超過30 m/s后急劇增大；120 A時，在相對滑動速度不超過30 m/s的條件下，磨損率比60 A的略大，相對滑動速度超過30 m/s后，明顯大于60 A的磨損率，且兩者的差距隨著相對滑動速度的增加而增大。隨著相對滑動速度的增加，摩擦副運行過程中的沖擊和振動增加，導致平均摩擦因數略有增加。隨著傳導電流的增加，摩擦面接觸電阻熱增加，摩擦副運行過程中更容易發生黏著，因此120 A時平均摩擦因數略大。銅-石墨復合材料的磨損主要包括機械磨損和電弧侵蝕，由于石墨在磨損面上的良好潤滑作用，導致不同試驗條件下機械磨損的差別不大。隨著相對滑動速度的增加，電弧侵蝕越來越嚴重，相對滑動速度低于30 m/s時，電弧侵蝕在磨損率中的比例較小，當相對滑動速度超過30 m/s后，電弧侵蝕導致的材料損傷越來越嚴重，表現為磨損率急劇增加。隨著傳導電流的增大，電弧侵蝕越來越嚴重，所以，高速大電流條件下材料的磨損率大。

(a) 平均摩擦因數 (b) 磨損率

圖4給出了載荷70 N條件下不同相對滑動速度的載流性能曲線。由圖4a可以看出：隨著相對滑動速度的增加，載流效率有波動，但幅度很小，載流效率的所有數值均在82.0%～83.2%，傳導電流為120 A的載流效率比60 A的略好。由圖4b可以看出：隨著相對滑動速度的增加，載流穩定性的變化很小，所有數值均在82.9%～86.8%，傳導電流為120 A的載流穩定性比60 A的略差。相對滑動速度對試驗條件下的載流效率和載流穩定性的影響不明顯，其原因是，摩擦面上發生的導電行為包括接觸導電和電弧導電兩種，其中，接觸導電與導電斑點的導電能力和數量有關，當導電斑點的數量超過一定數目時，其接觸導電能力變化不大。隨著傳導電流的增大，摩擦面上電阻熱增加，接觸點材料的強度降低，更容易發生黏著。強度降低導致在相同接觸壓力條件下，導電斑點的數量增加，當導電斑點超過一定數值后，對摩擦副的導電能力略有改善。摩擦面的黏著導致摩擦副運行波動有增大的趨勢，進而導致載流穩定性變差。

(a) 載流效率 (b) 載流穩定性

2.2 不同相對滑動速度條件下銅-石墨復合材料的載流摩擦行為

圖5為傳導電流120 A和載荷70 N條件下不同相對滑動速度的宏觀磨損面照片，所有磨損面的摩擦方向為自左向右。從圖5中可以看出：所有表面均可分為電弧侵蝕為主的區域(圖中虛線包圍區域)和機械磨損為主的區域，電弧侵蝕區域一般分布在磨損面尾部邊緣。圖5a～圖5d中電弧侵蝕區域占總面積的比值分別為3.75%、6.63%、9.30%和15.48%，隨著相對滑動速度的增加，電弧為主的侵蝕區域的面積增加。載流摩擦過程中，電弧萌生概率較高的區域為磨損面的尾部，摩擦面的相對滑動導致電弧向尾部運動，甚至拉出摩擦面，出現在銷試樣的圓柱面上[13]。電弧侵蝕區域面積反映了電弧侵蝕的程度，因此，可以認為隨著相對滑動速度的增加，電弧增加，其侵蝕作用也增加[14]。

(a) 10 m/s (b) 20 m/s (c) 30 m/s (d) 40 m/s

圖6為不同相對滑動速度條件下磨損面不同部位的三維形貌圖。傳導電流120 A，載荷70 N，相對滑動速度30 m/s條件下，銷試樣靠近磨損面頭部的區域形貌比較平整，表面有明顯的犁溝痕跡和碾壓塑性變形形貌，可以認為磨損面的頭部主要以機械磨損為主，如圖6a所示。圖6b～圖6d為傳導電流120 A，載荷70 N，相對滑動速度分別為20 m/s、30 m/s和40 m/s條件下，靠近磨損面尾部的區域形貌，其中，圖6b表面存在少量細小近似球狀、半球狀和犁溝的形貌，圖6c表面存在大量近似球狀和半球狀形貌，圖6d中近似球狀和半球狀形貌的直徑進一步增大。磨損面尾部區域的球狀和半球狀形貌形成的原因是，石墨和銅完全不潤濕，電弧侵蝕導致磨損面金屬熔化，電弧熄滅后熔化金屬凝固成不同形狀的金屬顆粒[15]。由圖6可知：隨著相對滑動速度的增加，磨損面尾部的電弧侵蝕痕跡越來越多，侵蝕越來越嚴重。對比電弧侵蝕表面和機械磨損表面可以看出：電弧侵蝕表面更加粗糙。

(a) 30 m/s，頭部 (b) 20 m/s，尾部 (c) 30 m/s，尾部 (d) 40 m/s，尾部

測量了不同相對滑動速度條件下磨損面不同區域的表面粗糙度，結果見表1。從表1可以看出：在頭部和中部區域表面粗糙度為4.17～16.80 μm，這些區域均主要為機械磨損區域；在尾部區域，表面粗糙度為15.17～78.00 μm。而且，尾部區域的表面粗糙度有隨著相對滑動速度的增加而增加的趨勢，相對滑動速度為10 m/s時，其值為15.17 μm，相對滑動速度為40 m/s時，其值為78.00 μm。載流摩擦造成表面粗糙化，電弧侵蝕導致的表面粗糙化比機械磨損嚴重。隨著相對滑動速度的增加，電弧侵蝕造成的表面粗糙化加強，這一現象也證明了電弧侵蝕隨相對滑動速度的增加而加劇。

表1 不同相對滑動速度條件下磨損面不同區域的表面粗糙度 μm

圖7為磨損面頭部機械磨損區域的SEM照片，摩擦方向為自右向左。從圖7中可以看出：機械磨損的主要磨損形式為犁溝和碾壓塑性變形[13,16-17]，而且，隨著相對滑動速度的增加，碾壓塑性變形的程度先增加后降低，在30 m/s條件下碾壓塑性變形程度最高。在機械磨損過程中，銅-石墨復合材料中的石墨在摩擦面上形成石墨膜，潤滑良好，阻止黏著發生，所以，硬點壓入后表面犁溝和軟材料被碾壓發生塑性變形。隨著相對滑動速度的增加，磨損面的熱量增加，材料的強度降低，碾壓塑性變形更加容易，超過30 m/s后，由于強度過低，導致塑性變形程度降低。

(a) 20 m/s (b) 30 m/s (c) 40 m/s

圖8給出了傳導電流120 A和載荷70 N條件下不同部位電弧侵蝕的SEM照片。從圖8中可以看出：磨損面上出現金屬熔化后凝固的痕跡，包括球形、半球形和橄欖形等形狀。其中，圖8a中凝固的金屬出現在銷試樣的圓柱面上，磨損面上沒有明顯的凝固痕跡；圖8b所示的磨損面上分布著大量的凝固金屬顆粒；圖8c中銷試樣的圓柱面和磨損面上均分布大量的凝固金屬顆粒。隨著相對滑動速度的增加，磨損面上凝固金屬顆粒的直徑和數量均增加。痕跡形成的原因是，電弧燒蝕后導致銅熔化，銅與石墨不潤滑，銅液冷卻收縮凝固。形成球狀的大小與收縮區域液態金屬量相關。隨著相對滑動速度的增加，電弧侵蝕加劇。銷試樣圓柱面上出現了凝固的金屬顆粒，是電弧被拉出摩擦面后，對銷試樣側壁燒蝕形成的[18]。

(a) 10 m/s (b) 20 m/s (c) 40 m/s

3 結論

(1)隨著相對滑動速度的增加，銅-石墨復合材料的摩擦因數平均值略有增加，波動增加；磨損率先略有增加，當相對滑動速度超過30 m/s后急劇增加，且傳導電流越大，增加越顯著；在試驗條件內，相對滑動速度對載流性能的影響不大。

(2)磨損面可以分成機械磨損區域和電弧侵蝕區域，電弧侵蝕區域在總面積中占比不高，在40 m/s條件下達到最大，為15.48%。機械磨損主要形式為犁溝和碾壓塑性變形。電弧侵蝕主要形式為熔融，主要分布在磨損面尾部靠近邊緣位置，且隨著相對滑動速度的增加，電弧侵蝕增加。

(3)機械磨損和電弧侵蝕均使表面粗糙化，電弧侵蝕表面的粗糙化程度更加嚴重，在40 m/s條件下其表面粗糙度達到78.00 μm。