不同銅含量浸金屬碳滑板的載流摩擦磨損性能*

許 巖 陳光雄 鐘傳枝 楊普淼

(西南交通大學摩擦學研究所 四川成都 610031)

隨著軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，人們的出行與鐵路的緊密性不斷增加，列車能否安全運行直接關系到乘客的人身安全。其中，作為列車安全運行重要部分之一的弓網(wǎng)系統(tǒng)也逐漸成為學者們重點關注的對象。因此，對電力機車弓網(wǎng)系統(tǒng)中載流摩擦磨損行為的研究也日益增多[1-3]。載流摩擦是指在加載電流情況下的一種特殊摩擦學問題，具有溫度高、速度快、載荷大等一系列特點[4]。弓網(wǎng)系統(tǒng)作為電力機車運行導電部分的核心環(huán)節(jié)，一直以來也成為制約電氣化鐵路發(fā)展的重要因素。國內(nèi)城市軌道交通的供電系統(tǒng)是一種剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)，其摩擦副為剛性接觸網(wǎng)和受電弓碳滑板，在列車運行的過程中，由于輪軌運行的不穩(wěn)定性，受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)之間分離會產(chǎn)生離線電弧。電弧的出現(xiàn)，會導致弓網(wǎng)間的磨損異常，這樣會大幅度降低列車的運行性能，甚至發(fā)生安全事故。

國內(nèi)外有很多學者研究了載荷、電壓、電流、環(huán)境、振動加速度、電弧能量等對磨損性能的影響。胡道春等[5]利用銷-盤式高速載流摩擦磨損試驗機研究了電弧能量對浸金屬碳滑板材料載流摩擦磨損特性的影響；CHEN等[6]在自制實驗臺上進行了不銹鋼與浸銅金屬碳在電流作用下的摩擦磨損實驗，發(fā)現(xiàn)隨著電流的增加，浸銅金屬碳滑板的摩擦因數(shù)減小，磨損量增大；ZHAO等[7]利用載流摩擦試驗機研究了碳石墨材料/鋼在有無電流時高速滑動下的摩擦磨損性能,在有電流和無電流高速滑動過程中，碳石墨材料表現(xiàn)出不同的摩擦磨損性能。

HU等[8]研究了2種不同的接觸線(銅銀合金接觸線和純銅接觸線)在載流條件下分別與鋁基材料、銅基材料和純碳材料對磨的磨損情況。丁濤等人[9]研究了浸金屬碳滑板和純碳滑板分別與不銹鋼和純銅接觸線對磨時的摩擦特性，表明浸銅金屬碳滑板在與純銅接觸線匹配時會出現(xiàn)黏著磨損，從而使得磨損量增加。但目前尚未發(fā)現(xiàn)銅的含量對浸銅金屬滑板載流摩擦磨損性能影響的相關研究報道。為研究不同銅元素含量的浸金屬碳滑塊的磨損性能，本文作者在環(huán)-塊式高速摩擦磨損試驗臺上進行了試驗，并且比較了不同電流情況下材料磨損表面形貌的變化。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗采用一種環(huán)-塊試驗機，主要構件為底座、旋轉盤、主電機、滑板升降臺、交/直流供電裝置等，結構簡圖如圖1(a)所示。在試驗過程中可以對轉盤的運行速度進行調(diào)節(jié)，速度范圍為0～400 km/h。轉盤上安裝有Cu-Ag合金接觸線。伺服電機帶動滑塊做有規(guī)律的往復運動，往復機構的運行頻率為0.2～3 Hz，且頻率連續(xù)可調(diào)。試驗選擇的往復頻率為0.25 Hz。在載荷加載系統(tǒng)中，通過增減砝碼來調(diào)節(jié)滑塊的法向壓力，該法向壓力即為滑板與接觸線之間的接觸力。利用電流供電裝置提供0～600 A的有效電流。

利用精度為0.001 g的電子天平對浸金屬碳滑板質量進行稱量，求得每次試驗下的磨耗量。通過紅外測溫儀對碳滑塊的溫度進行測量，在接觸副運行相對穩(wěn)定階段測得碳滑板溫度平均值。

1.2 試驗材料和參數(shù)

試驗所涉及到的碳滑板樣品均是來自地鐵服役中的弓網(wǎng)系統(tǒng)的碳滑板，其材料均為浸金屬材料。試驗采用的不同成分的浸金屬碳滑板一共有3種，文中分別將其命名為材料A、材料B、材料C，并根據(jù)試驗要求將滑塊加工成120 mm×34 mm×25 mm的長方體形狀。材料成分具體參數(shù)如表1所示。

表1 滑板和接觸線的化學成分

試驗前用砂紙對樣品接觸面進行打磨，改善材料表面粗糙度，使材料表面粗糙度約為Ra=6.4 μm。試驗參數(shù)如表2所示。

表2 試驗參數(shù)

2 試驗結果與分析

2.1 不同電流工況下滑板的磨耗量

圖2(a)、(b)、(c)所示分別是3種不同材料在不同電流通過工況下的磨耗量隨載荷的變化關系。可知，在法向載荷小于40 N的情況下，3種滑塊的磨耗量隨著載荷的增加而呈現(xiàn)減小趨勢；當加載電流從200 A變?yōu)?00 A時，不同材料的整體磨耗量均上升，說明電流對滑板的磨損有著較大的影響。這是因為在大電流情況下，產(chǎn)生的焦耳熱、電弧熱會增加，導致整個接觸副的溫度會出現(xiàn)一個大幅度的上升，高溫加劇了材料表面的損傷。在滑動電接觸過程中，弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動會引發(fā)受電弓離線，導致滑板與接觸線接觸不良，進而產(chǎn)生電弧[10]；而電弧所帶來的電弧燒蝕是影響磨損率的主要因素，強烈的電弧放電會導致摩擦副表面產(chǎn)生高達幾千度的瞬間閃溫[11-12]，導致弓網(wǎng)的電弧燒蝕。而在一定范圍內(nèi)增加法向載荷，可以抑制振動，減少整個過程中的離線頻率，可以有效地減少電弧放電，從而減少材料的磨耗。

從圖2中還可以看出，隨著法向接觸力的逐漸增大，磨損曲線的斜率逐漸減小，說明在一定范圍內(nèi)，法向載荷對磨損率的影響隨載荷的增大而趨于減小。另外，隨著法向載荷的增大，同種材料在不同電流情況下的磨損差值趨于減小。這是因為增大載荷以后，接觸副發(fā)生離線率的頻率降低，電弧放電減少，電弧燒蝕所帶來的磨損就會極大地減少；而弓網(wǎng)磨耗主要是由電弧燒蝕、磨粒磨損和表面氧化剝落所引起的，其中電弧燒蝕對整個磨耗的影響最大[8]，由于電弧所帶來的磨損小，在較大載荷下的磨耗差值更多體現(xiàn)在機械磨損和表面氧化磨損上，因而磨損相差不大。

圖2 不同電流下3種材料的磨耗量隨法向載荷的變化

通過比較圖2中在電流I=200 A時3種材料的磨損情況，可以看出，3種材料的磨耗量雖均隨著法向載荷增加呈現(xiàn)減小的趨勢，但磨耗情況卻有所不同，其中材料C的磨耗量整體上比材料A和B要大。從表1可以看出，材料C中銅元素含量較大，含碳量相對較少。而試驗采用的接觸線為銅銀合金接觸線，其主要成分也為銅。在電滑動磨損過程中，電弧燒蝕和氧化磨損是同時存在的，相同材料在載流磨損過程中極易發(fā)生材料的黏著，使得2種接觸時的摩擦因數(shù)增加，導致更多的機械磨損與化學磨損。另外，由于電弧熱、焦耳熱、摩擦熱引起的高溫氧化也會進一步促使表面氧化物的形成和脫落[9]。

同樣，通過對比圖2中在電流I=400 A時3種不同材料的磨損情況，可以得知3種材料仍然符合小電流(I=200 A)情況下的規(guī)律,即隨著法向載荷的增加，磨耗量出現(xiàn)了逐漸減少的趨勢。另外，可以看到材料A在大電流(I=400 A)情況下出現(xiàn)了異常磨耗，磨耗量出現(xiàn)了劇增。同時試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在電流達到400 A時，整個過程的運行溫度達到了400～600 ℃，滑塊背部出現(xiàn)了嚴重的脫落、掉塊，導致滑板的損耗很大。因此可以推測在大電流情況下，浸金屬材料A因銅含量較低(銅質量分數(shù)為1.17%)，散熱性及熱穩(wěn)定性能較差，當溫度超過某一個值時，會加劇材料的熔融和氣化。此時，材料的機械強度會降低，抗沖擊性能也會變差，更容易產(chǎn)生掉塊的現(xiàn)象。此外，在大電流情況下，浸金屬材料C(銅質量分數(shù)為50.45%)滑塊磨耗量仍然要比浸金屬材料B(銅質量分數(shù)為27.8%)滑塊磨耗量大，含銅量多的浸金屬材料磨耗量依然較大。

2.2 不同電流下材料的溫度變化

載流試驗過程中，溫度受到多方面因素的影響，包括室內(nèi)溫度、濕度以及接觸線與滑板接觸的實時情況等。在不考慮特殊條件的情況下，摩擦接觸副之間主要的熱量來源有電弧熱、焦耳熱以及摩擦熱[13]。對3種材料在不同電流和載荷下進行摩擦磨損試驗，發(fā)現(xiàn)每組材料的溫度變化存在一定的規(guī)律性，即剛開始會出現(xiàn)溫度的劇烈波動，隨著試驗的進行，浸金屬碳滑板的溫度波動趨于平緩。在材料溫度相對穩(wěn)定階段進行溫度測量，每種材料溫度平均值變化規(guī)律如圖3所示。可以看出，材料溫度隨著法向載荷的變化并無較為明顯的規(guī)律，但在電流為400 A的情況下，材料的整體溫度明顯上升。這是因為電流越大，接觸副之間產(chǎn)生的電弧能量越高，產(chǎn)生的焦耳熱和電弧熱也更多，共同作用使得滑板整體溫度升高[14]。

通過對比圖3中加載電流為I=200 A和I=400 A時的溫度變化情況可以看出，雖然3種材料的溫度均隨著接觸壓力變化而變化，但其溫度的整體變化區(qū)間存在明顯的不同。其中材料A的整體溫度平均值最高，材料B的溫度次之，材料C的溫度最低。材料C由42.8%的碳元素以及50.45%的銅元素組成，含銅元素較多更容易發(fā)生黏著磨損，這會使得材料表面軟化，材料表面接觸較好，產(chǎn)生拉弧更少，因此材料C的溫度相對較低。結合3種材料在載流情況下溫度的變化情況，可以初步推測一定程度增大銅元素含量可以使試驗過程中滑板表面溫度降低。

圖3 不同電流下3種材料的溫升隨法向載荷的變化

3 材料表面分析

3.1 材料宏觀表面

圖4所示是3種材料在電流為200 A情況磨損后的表面形貌。可以看出，材料A表面出現(xiàn)了較多的燒蝕麻點，材料B表面則是出現(xiàn)了一些大的凹坑和犁溝，材料C表面不僅出現(xiàn)了凹坑和犁溝，還出現(xiàn)了明顯的劃痕。說明材料C發(fā)生了明顯的黏著磨損，使得材料軟化，而在加大法向力的情況下，大的剪切應力使得材料表面出現(xiàn)了劃痕。

圖4 不同材料在小電流(I=200 A)情況下磨損表面

圖5所示是電流為400 A情況下時，3種不同材料的磨損表面形貌。相比電流為200 A工況下的相對摩擦滑動，3種材料的表面損傷情況都有一定的加劇，其中材料C的燒蝕坑數(shù)量增多，材料劃痕變粗、變深。材料A與材料B出現(xiàn)了類似環(huán)狀磨粒碳圈，不同的是，材料A的損傷程度更為劇烈，磨粒數(shù)量更多。這可能是因為材料A含碳量高，在高速狀態(tài)的磨損下，材料表面會產(chǎn)生大量的碳粉末；而在大電流條件下，試驗過程的平均溫度較高，電弧熱、焦耳熱為主產(chǎn)生的高溫會使得材料表面形成凸起和凹坑；同時在高溫下這些碳磨屑會發(fā)生高溫聚集，從而形成大量的磨粒碳圈。材料C銅元素的成分比較多，在與銅銀合金對磨時產(chǎn)生的材料親和性較強，在大電流情況下材料表面會發(fā)生明顯的黏著磨損，使得材料表面進一步軟化，因此出現(xiàn)了更為明顯的劃痕。

圖5 不同材料在大電流(I=400 A)情況下磨損表面

3.2 材料微觀表面形貌

圖6所示為3種不同材料磨損前的微觀表面SEM圖。3種材料在原始狀態(tài)下其表面碳分布都比較均勻，并無明顯的金屬分布，并且可以看到材料表面都有高低不同的凹坑和凸起。其中材料A表面有較多的孔隙，材料C表面有一些較為明顯的裂紋。

圖6 材料磨損前微觀表面形貌

圖7顯示了3種不同材料在加載小電流磨損之后的情況,可以看到3種材料表面均出現(xiàn)了裂紋和凹坑。材料A出現(xiàn)了較為明顯的表面光滑區(qū)，這是因為材料在高溫下生成了氧化膜；但同時在載流高速的條件下，氧化物也會逐漸脫落，形成如圖7(a)所示的不規(guī)則表面，并且伴有較多的氧化物顆粒。這說明在運行過程中，材料A主要發(fā)生的是電弧燒蝕和氧化磨損，并伴有輕微的磨粒磨損。在運行過程中材料A表面還生成脆性剝落塊，由于其抗沖擊性差，在高速運行狀態(tài)下，摩擦副的振動使得這些有脫落趨勢的塊狀物體掉落，最終形成一個大的剝落區(qū)域。從圖7(b)可以看出，材料B磨損后表面有明顯的電弧燒傷現(xiàn)象，并且出現(xiàn)了較長的裂紋。從圖7(c)可以看出，材料C磨損后表面并無明顯的層狀剝落塊，而是出現(xiàn)了較為明顯的燒蝕麻坑以及大小不同的剝落坑；并且表面伴有帶狀磨屑，說明該材料發(fā)生了較為嚴重的電弧燒蝕以及黏著磨損[15]。這是因為該材料含有較多的銅元素，與含銅量較多的接觸線對磨時出現(xiàn)明顯的黏著磨損，摩擦熱、焦耳熱和電弧熱引起的高溫氧化也加速了黏著剝落塊的形成和排出，從而導致了浸金屬碳材料磨損加劇。

圖7 材料磨損后微觀表面形貌(電流200 A)

圖8所示是不同材料在大電流400 A情況下的微觀形貌。可知，材料A、B表面出現(xiàn)了較為明顯的大裂紋，且材料表面燒蝕更為嚴重，在裂紋根部出現(xiàn)了大的剝落坑，以及有掉落趨勢的塊；材料C表面出現(xiàn)了明顯的燒蝕劃痕，并且出現(xiàn)了更為劇烈的剝落以及更大的燒蝕坑。

圖8 材料磨損后微觀表面形貌(電流400 A)

可見，在高速大電流情況下，3種材料表面均出現(xiàn)了嚴重的燒蝕區(qū)域，其中材料A、B表面出現(xiàn)較大的裂紋和剝離坑，材料C表面則是出現(xiàn)更大的更多的剝落坑以及較為明顯的劃痕。這是因為，在加載大電流的情況下，摩擦副的溫度更高，材料的服役環(huán)境變得更加惡劣，導致材料各種損傷加劇；同時，由于在離線率高的情況下，表面形成的氧化膜在法向載荷沖擊和剪切力的作用下被破壞，隨著磨損的持續(xù)進行，使得裂紋不斷加劇最終形成大小不一的凹坑[16]。

4 結論

(1)加載電流增大，磨耗量明顯增加。法向載荷在一定范圍內(nèi)的增加，能有效地減少滑板材料的磨耗量，即磨耗量隨著接觸力的增大而出現(xiàn)減小的趨勢。

(2)加載相對較小電流時，含銅量越多的浸金屬滑塊磨耗量也越多。但是在大電流情況下，含銅量最低的材料A滑塊不耐高溫，容易造成材料的熔融、氣化而使磨耗量急劇增大。

(3)在載流情況下3種滑板材料的表面溫度有很大的差別，含銅元素最少材料的表面溫度最高，含銅元素最多的材料表面溫度最低，其散熱性較好。

(4)與銅銀合金線對磨時，銅含量較高的材料B和材料C滑塊發(fā)生了較為明顯的黏著磨損，并且含銅元素多的材料黏著磨損越明顯。