表面納米化對T2紫銅載流摩擦學行為的影響

陳名祥，莊 輝，季德慧，熊光耀

(1.江西省科技事務中心，330029，南昌；2. 華東交通大學材料科學與工程學院，330013，南昌)

0 引言

隨著我國經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段，都市圈和城市群正在成為其發展的主要空間形式[1]。加快高鐵鐵路的發展將推動區域間“同城化”和資源合理布局，助力區域經濟高質量發展。高速鐵路發展的三大基礎關鍵技術之一為弓網關系[2]，其載流摩擦副的穩定性直接影響高鐵的行車安全[3-5]。

純銅因其高導電性和高電導率，常用作為接觸網材料，但因純銅強度較低、耐磨性較差，影響載流摩擦副的穩定。為加強弓網的載流穩定性，LIU等[6]通過對比Cu、Cu-Cr-Zr、Cu-Mg和Cu-Ag 4種合金接觸線載流摩擦試驗，發現添加合金元素可以提高磨痕表面質量和耐磨性，其中Cu-Cr-Zr合金接觸線具有最優異綜合的載流摩擦性。然而，通過添加合金元素，其本質是在材料中引入缺陷，這些缺陷顯著增大對電子的散射，從而降低合金材料的導電性能[7]。尤其在高速鐵路，接觸網具有長距離、大載流等特點，造成能源浪費和導線發熱等安全隱患。1999年盧柯等[8]提出表面納米化概念，加強材料表面性能的同時，表面影響層非常薄，且能保持材料內部本身性能[9]。并通過表面機械磨削處理在純銅表面制備出厚度約為200 μm梯度結構層，與普通粗晶銅樣相比，處理后銅樣在干摩擦滑動條件下顯示出優異的耐磨性[10]。但梯度結構層上具有不穩定性，在摩擦過程中會因應力、摩擦熱等因素引起晶粒再結晶，一定程度減弱材料的耐磨性能[11]。

目前，通過引入嚴重塑性變形制備的梯度晶粒結構層應用于載流摩擦和載流摩擦副中結構穩定性研究相對較少。本文通過表面機械滾壓處理(SMRT)在T2紫銅接觸線表面制備梯度結構層，著重研究載流強度對有無SMRT處理接觸線摩擦學行為，以及載流強度對梯度結構層載流摩擦副受流性能影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料與制備

本試驗所選用直徑12 mm的T2紫銅棒(GB/T 2059—2008)作為SMRT處理試樣，SMRT加工設備如圖1。采用加工參數主要為主軸轉速V1=560 r/min、WC/Co球軸向進給速度V2=0.988 mm/s、電動缸的起始氣壓0.25 MPa、最大氣壓1.0 MPa，每次加壓0.15 MPa，往復加工6次，制備過程中全程通過5W-40SN級機油對滾壓表面進行油液冷卻，加工結束后通過丙酮將試樣表面清洗干凈。其加工前銅棒和加工后銅棒分別記為：CG-Cu和SMRT-Cu。

圖1 SMRT加工設備

1.2 試驗方法

本試驗在搭載載流模塊下往復試驗機下進行載流摩擦磨損試驗[12]，載流模塊主要由5個部分組成。在室溫26 ℃，濕度40%RH的環境下，銅接觸線為直徑12 mm的T2紫銅棒，采用碳銷作為對摩材料，碳銷取自高速列車弓網碳滑板，通過控制電流強度進行載流往復摩擦磨損試驗，其試驗主要參數為接觸載荷4 N，位移幅值6 mm，循環次數8 000次，電流大小0 A、5 A、10 A和15 A。試驗結束后將樣品使用丙酮超洗3 min，然后60 ℃下真空烘干30 min。

采用光學顯微鏡觀察SMRT處理后橫截面微觀組織變化。通過納米壓痕儀測量SMRT處理后銅接觸線截面硬度，測試載荷為10 mN，保載時間為10 s。采用光學輪廓儀測量磨痕的二維形貌以及磨痕深度。采用掃描電鏡(SEM)觀察磨痕表面微觀結構與損傷形貌，并配有能譜儀(EDS)以分析磨痕中元素的分布情況。

2 結果與討論

2.1 SMRT處理后表面微觀結構及硬度的影響

圖2(a)為SMRT處理后的T2紫銅接觸線橫截面的顯微金相圖。SMRT處理后的接觸線截面的晶粒尺寸在一定范圍內隨著深度的增加而逐漸增大，約320 μm深度處晶粒尺寸達到最大值。在滾壓刀頭施加的接觸應力作用下，銅接觸線的表層材料沿著刀頭滾壓方向，發生了明顯的塑性流動，近表層組織被拉長并發生細化現象，晶界被擠壓變形。SMRT處理后由于晶界密度較高，導致晶粒在光學顯微鏡下難以清晰分辨。為清楚觀察表面晶粒結構和尺寸，對該區域進行TEM表征(圖2(b))。發現此處晶粒結構主要存在微形變孿晶和微等軸晶，平均晶粒尺寸約200～300 nm。通過對比發現微孿晶形態主要有三角形和菱形，其內部含有大量位錯、位錯墻和位錯胞，這與LU等[13]通過激光沖擊強化處理工業純鈦，晶粒形態表面分布結果相似。表面細化途徑主要存在2種：一是沖擊產生平行孿晶片層，多次沖擊后平行孿晶被分割成微孿晶片層；二是晶粒內部位錯增生、運動和平面化，進一步形成位錯胞，轉化成微等軸晶。圖2(c)為SMRT處理后銅接觸線截面硬度分布，通過比較其截面晶粒尺寸分布，發現硬度大小主要受晶粒尺寸的影響，符合經典的Hall-Petch關系。處理后銅接觸線表面硬度最高，約1.94 GPa，比基體硬度提高約20%。隨著深度的增加，硬度持續下降，距表面約300 μm處達到最低，與SMRT處理后銅接觸線截面晶粒影響層厚度基本相似。

(a)SMRT處理后銅接觸線的截面金相

(b) 截面表層TEM圖 (c) 截面納米硬度圖2 SMRT處理后銅接觸線的截面微觀結構及硬度

2.2 載流強度對有無SMRT處理銅接觸線的摩擦學性能影響

2.2.1 摩擦系數 圖3為不同電流下有無SMRT處理的銅接觸線試樣的摩擦系數。SMRT銅接觸線的摩擦系數從0 A下0.19到15 A下0.14，整體呈下降趨勢，未處理銅接觸線的摩擦系數整體呈線性上升趨勢。通過對比相同條件下2種銅棒，發現未載流條件下，SMRT銅接觸線的平均摩擦系數略高于粗晶銅接觸線的摩擦系數，相比增幅約6%；然而，載流條件下，SMRT銅接觸線摩擦系數明顯低于粗晶接觸線，隨電流增加降低幅度越明顯，相比同條件下粗晶銅棒降幅分別為10%、32%和41%，表明載流條件下SMRT銅接觸線摩擦性能明顯優于粗晶銅接觸線，電流作用下更能發揮其獨特梯度結構的減摩效果，且在10 A和15 A條件下最明顯。為更明顯體現SMRT加工手段對摩擦系數變化的影響，取0 A和10 A下SMRT與粗晶銅接觸線摩擦系數隨循環系數變化曲線對比(圖3(b))。0 A下SMRT銅接觸線的摩擦系數整體大于粗晶銅接觸線，在初始循環次數達到最大值后緩慢降低，且在約5 000次循環達到平穩，到達平穩循環次數遠大于粗晶銅接觸線；對比10 A電流下，SMRT銅接觸線的摩擦系數約2 000次循環達到穩定，且摩擦系數遠低于粗晶銅接觸線，這說明電流條件SMRT處理后的梯度結構層具有優異減摩效果。

(a)平均摩擦系數

(b)0 A和10 A下實時摩擦系數圖3 不同電流強度下有無SMRT處理的銅接觸線試樣的摩擦系數

2.2.2 接觸電阻及接觸能量 圖4為不同電流強度下有無SMRT處理的銅接觸線試樣的的平均接觸電阻和接觸能量。SMRT與粗晶銅棒接觸電阻與電流強度增加呈負相關趨勢，與此相反，接觸點能量隨電流強度的增加呈正相關趨勢。并且SMRT銅棒的接觸電阻變化趨勢與其摩擦系數變化趨勢一致，在10 A時下降幅度最大，約28%。值得注意的是，10 A時同樣接觸電阻相差最大。對比有無SMRT處理銅接觸線摩擦副接觸點能量，SMRT銅棒具有較低的接觸能量，即摩擦副之間產生的熱量小于粗晶銅棒，減緩摩擦表面熱軟化效應。

圖4 為不同電流強度下有無SMRT處理的銅接觸線試樣的平均接觸電阻和接觸能量

2.2.3 SMRT接觸線磨痕損傷形貌及機理 圖5為0 A和10 A下有無SMRT處理的銅接觸線試樣磨痕損傷形貌。0 A條件下，未處理接觸線磨痕表面較平整，磨痕表面存在輕微犁溝，且垂直于磨痕方向存在黑色紋理。黑色紋理處富集碳元素(圖5(a))，這說明未處理銅接觸線磨損機理主要為輕微黏著磨損和磨粒磨損。粗晶接觸線粗晶銅棒試驗前具有大量表面缺陷，試驗后摩擦副之間發生材料轉移，碳集聚與缺陷處，隨著試驗進一步進行，在表面壓實。石墨因具有良好的潤滑性[14]，在表面形成完整轉移膜過程中，摩擦系數緩慢降低，約在4 000次循環達到穩定(圖3(b))。對比SMRT接觸線，處理后表面存在大量加工微紋理，其硬度比粗晶硬度提高約20%，表面抗剪切能力較強[15]，造成大量碳集聚于紋理處，但由于無法在其表面形成緊密結合層，造成表面黏著層剝落，無法形成有效的潤滑膜，從另一角度看，碳銷磨痕表面出現大量嚴重剝落坑，連續性完整磨痕接觸區域損傷嚴重，接觸不穩定性加劇黏著層剝落，導致SMRT處理后的銅接觸線摩擦系數比未處理的銅接觸線較高(圖3(a))。10 A條件下，接觸點能量增加，摩擦熱和焦耳熱共同作用導致磨痕表面軟化，但由于接觸點瞬間能量過高，表面材料發生熔融、濺射，形成點滴狀凸起，由于大量濺射顆粒其硬度較高，造成未處理銅接觸線犁溝道次和損傷程度相比0 A條件下顯著增加，導致摩擦系數系數升高。對比SMRT處理后，接觸區能量明顯低于未處理銅接觸線(圖4)，其熱軟化效應導致初始高硬度降低，其表面犁溝明顯減輕；磨痕接觸區域平整從而接觸電阻較低，磨痕表面電氣磨損現象較輕，導致其摩擦系數明顯降低。與未載流銅棒和載流條件下粗晶銅棒相比，SMRT銅棒具有較好的載流摩擦性能。

(a)0 A CG-Cu (b) 0 A SMRT-Cu

(b)10 A CG-Cu (d) 10 A SMRT-Cu圖5 0 A和10 A下有無SMRT處理的銅接觸線試樣磨痕損傷形貌

2.3 載流強度對SMRT處理摩擦副受流性能影響

圖6為經SMRT處理后銅接觸線對磨副碳銷不同載流強度下磨痕損傷形貌。5～10 A過程中，表面磨痕平整有效接觸區域明顯增加，10 A和15 A條件下該接觸區域變化并不明顯。對比圖4中接觸電阻與接觸能量的變化規律，說明接觸電阻變化主要受有效接觸區域的影響，呈正相關趨勢。不同載流強度下，碳銷磨痕表面均出現白色薄霧狀黏著物，通過圖6(b)中的EDS分析發現，白色黏著物主要以銅和銅的氧化物為主。從5～10 A銅的黏著和氧化物明顯增加，而10～15 A黏著和氧化物明顯減少。在15 A條件下，表面出現較大的剝落坑，并且摩擦副接觸能量達到最大，對摩擦副的軟化作用較強，黏著作用較強，最終導致黏著點的剝落，造成磨痕表面含銅白色黏著物減少，以及加劇接觸線的剝落(圖6(d))。

(a)5 A處理組碳棒 (b)10 A處理組碳棒

15 A處理組碳棒 (d)SMRT磨痕輪廓圖6 經SMRT處理摩擦副不同載流強度下銅接觸線的磨痕損傷形貌及接觸線磨痕截面輪廓

因此，受流性能與電流強度關系并不是簡單線性關系。在一定范圍內(5～10 A)，增大載流強度能有效減小摩擦副之間的磨損現象，改善接觸質量，而降低摩擦副之間的接觸電阻，受流性能會得到一定程度上提高。隨著載流強度進一步增大，當達到15 A時，接觸電阻雖然降低，但接觸點能量會繼續升高，且升高幅度會大于5～10 A條件下，從而造成摩擦副表面熱軟化效應增強，加劇磨痕表面剝落，加速載流摩擦副失效，導致受流性能降低。

3 結論

1)經表面機械滾壓處理后銅接觸線表層晶粒明顯細化，晶粒尺寸沿深度方向梯度增加，最表面硬度約1.94 GPa，與基體粗晶組織相比，提高約20%。并且，硬度影響層與晶粒尺寸影響層厚度大致相似，約300 μm。

2)電流的加入會導致摩擦副雙方接觸界面發生明顯的變化。無電流條件下，SMRT處理接觸線發生嚴重黏著和黏著層大塊剝落，摩擦系數相比粗晶銅棒升高6%。載流條件下，由嚴重磨粒和黏著磨損轉變為輕微磨粒和黏著磨損，并且摩擦系數較粗晶接觸線分別降低約10%、32%和41%。SMRT處理后銅接觸線在載流條件具有優異的摩擦學性能。

3)電流強度與SMRT接觸線受流性能并不是簡單線性關系。低電流強度范圍，電流作用下能有效減少摩擦副之間疲勞剝落，改善接觸質量，受流性能得到一定提高。但在大電流強度下，摩擦副之間黏著磨損增強，表面剝落坑增加，導致受流性能降低。