鍍銀銅材料在大電流條件下的載流微動磨損特性

雷貫標,楊文賢,陳學軍,李鵬飛,彭金方

(1.中車唐山機車車輛股份有限公司,唐山 063000;2.西南交通大學材料科學與工程學院,成都 610031;3.中國鐵路西安局集團公司,西安 710054;4.西南交通大學軌道交通運載系統全國重點實驗室,成都 610031)

0 引 言

軌道交通是國家的重要基礎設施,在促進經濟社會發展中扮演著重要角色[1]。隨著我國高鐵的快速發展,確保列車的行車安全及乘客的生命財產安全已成為我國高鐵發展的首要任務[2]。某型動車組是現階段我國高速客運動車組的主營列車,其牽引電機電連接器固定在車架上,通常彼此間緊密連接,由于受到長期振動[3-4],連接器端子相互接觸區域的微小位移可能導致插針和插孔的微動磨損。隨著列車運營里程的增加及大功率的高速行駛,電氣類零部件的損耗已然成為運營過程中較大的潛在安全隱患[5]。目前,國內外關于電接觸材料微動磨損的研究主要集中于毫安級電流下的影響[6]。然而,牽引電機電連接器在數安培電流下服役,其電流相對較大,金屬表面膜層更容易被擊穿,其磨損過程與小電流下存在一定差異,且服役條件符合微動磨損條件。因此,對大電流下的電接觸材料進行載流微動磨損性能研究具有重要的實際意義。

多年來,學者們針對在航空航天、海洋工程、軍事、汽車等領域用電連接器的微動磨損失效問題進行了廣泛研究。目前公認的電連接器微動磨損包括以下階段:在微動初期,插針與插孔相互黏著的接觸斑點發生黏著磨損,并被小振幅振動剪斷成磨屑;隨著服役時間的延長,磨屑增多并被氧化,磨損機制變成磨粒磨損,若干接觸斑點合并形成小平臺;隨后磨屑繼續增多且被氧化,同時磨粒逐漸碎化,細小的氧化物顆粒在接觸表面間形成第三體,當接觸區域內氧化磨粒的產生和溢出達到動態平衡時,插針、插孔與磨屑的接觸完全替代了插針與插孔的接觸;最后由于磨屑的存在,接觸區域中心壓力增大,磨粒磨損加劇,凹坑加深。電連接器磨損的加劇,導致其接觸性能惡化甚至失效[7]。如今早期投入使用的動車組由于服役時間長,連接器端子磨損引起的接觸失效問題日漸突出,但目前未見針對動車組用電連接器材料的載流微動磨損機理的研究報道。基于此,作者以動車組牽引機電連接器常用鍍銀銅材料[8-12]為研究對象,通過室溫載流切向微動磨損試驗研究其在大電流條件下的載流微動磨損特性,以期為動車組用電連接器的設計、使用及運營維護提供理論指導。

1 試樣制備與試驗方法

基體材料為T2紫銅管,市售,其外徑為12 mm、壁厚為2 mm。在銅管上加工出長度為20 mm的圓管試樣,采用電鍍工藝對圓管試樣進行鍍銀處理,陽極選用純度為99.99%的銀板,陰極為待鍍圓管試樣,預鍍時間約30 s,電流密度約為0.5 A·dm2,電解液為氰化物鍍銀液。試驗所用鍍銀銅試樣均為同一批次,且鍍銀層厚度約為10 μm。

采用自主研制的切向微動磨損試驗機進行室溫載流切向微動磨損試驗,該設備結構如圖1所示。對該設備夾具及周圍結構進行絕緣優化設計,加裝恒流穩壓電源以及接觸電阻測量設備,其中接觸電阻采用經典的四線法接線方式測定[13]。試驗摩擦副均采用同參數圓柱/圓柱的正交點接觸模式,位移幅值D分別為30,50,70,100 μm, 法向載荷Fn分別為5,10,15 N,切向微動頻率為5 Hz,直流電流為5 A。在試驗過程中,驅動單元提供循環切向位移,因此定義驅動單元完成一個正弦波形為一次試驗循環。由于微動磨損特征在磨損初期就能得到,因此循環次數N定為10 000周次[14]。采用Jeol-6610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣表面磨損形貌,并利用JXA-8230型電子探針(EPMA)進行元素含量分析。采用Bruker Contour-GT型白光干涉儀對試樣磨斑進行三維形貌分析,計算其磨損體積和磨損率,其中磨損率的計算公式為

圖1 切向微動磨損試驗設備結構示意Fig.1 Structure diagram of tangential fretting wear tester

(1)

式中:Vc為磨損率;V為磨損體積。

2 試驗結果與討論

2.1 不同位移幅值下的微動磨損行為

由圖2可知:當載荷恒定為5 N時,在磨損初期(循環次數約小于500周次),試樣的摩擦因數均保持較高水平,這是由于試樣接觸區域出現表面材料碎裂,在大電流下該區域可能發生微焊[13];隨著循環次數的繼續增加,摩擦因數整體先減小后增大,最終趨于穩定,不同位移幅值下穩定階段的摩擦因數相差不大。鍍銀銅試樣的接觸電阻隨循環次數增加呈先增大后減小再趨于動態穩定的變化趨勢,與摩擦因數呈負相關。在不同位移幅值下循環次數約小于500周次時的接觸電阻均在較低水平波動,這是因為在接觸初期,即使鍍銀銅試樣接觸表面由于切向載荷出現材料破碎,但其接觸面積仍較大,且仍為鍍銀層之間的接觸。隨著位移幅值的增大,接觸電阻的波動程度變大。隨著循環次數的增加,磨屑小顆粒增多,有效接觸面積減小,接觸電阻增大,且較多的細小磨屑顆粒形成的磨屑層對接觸區域的磨損有緩和作用, 因此摩擦因數減小[14-17]。隨著循環次數的繼續增加,磨屑排出,表面形成相對光滑的犁溝,有效接觸面積增大,接觸電阻降低;隨著試驗過程的進行,磨屑不斷產生、排出,從而造成接觸電阻的大幅波動。

圖2 鍍銀銅試樣在不同位移幅值下的摩擦因數及接觸電阻曲線(Fn=5 N)Fig.2 Curves of friction coefficient (a) and contact resistance (b) of silver-plated copper samples at different displacement amplitudes (Fn=5 N)

由圖3和圖4可知:隨著位移幅值的增加,鍍銀銅試樣表面的磨斑面積增大,磨損深度加大,磨損體積增大,磨損程度加劇。當位移幅值為30 μm時,磨損表面出現較多磨屑,其磨損較輕微,磨斑較小,最大磨損深度約為5 μm,磨損體積為1.18×107μm3;當位移幅值達到100 μm時,接觸區表面出現明顯的材料磨損破壞形成的凹坑,磨屑主要分布于凹坑邊緣,其最大磨損深度達到42 μm,約為位移幅值50 μm時的8倍,磨損體積達到最大,為1.61×107μm3。當載荷恒定時,隨著位移幅值的增加,磨損率下降。

圖3 不同位移幅值下鍍銀銅試樣磨損表面的三維形貌(Fn=5 N)Fig.3 Three-dimensional morphology of wear surface of silver-plated copper samples at different displacement amplitudes (Fn=5 N)

圖4 不同位移幅值下鍍銀銅試樣的磨損表面二維輪廓、磨損體積和磨損率(Fn=5 N)Fig.4 Two-dimensional contour of wear surface (a) and wear volume and wear rate (b) of silver-plated copper samples at different displacement amplitudes (Fn=5 N)

由圖5可知:與位移幅值為30 μm時相比,當位移幅值為50 μm時,表面磨屑較少,犁溝數量較多, 剝層現象更明顯, 并在邊緣處出現電弧燒蝕痕跡;當位移幅值為70 μm時,其表面磨屑堆積程度較輕,分層及犁溝的分布面積較位移幅值為50 μm時更大,且表面出現電弧燒蝕顆粒,這可能是在微動磨損過程中電接觸表面磨屑堆積并發生氧化,導致電接觸表面形成電隔離,進而引起接觸電阻增大,局部溫度升高而產生的燒蝕;當位移幅值為100 μm時,接觸表面的磨斑相較于其他位移幅值下的更圓,磨斑兩側出現磨屑堆積,高倍下觀察到其磨損區域出現大量的犁溝、磨屑及部分分層現象。對于金屬間的電接觸,切向微動磨損產生的磨屑是造成高接觸電阻的主要原因之一[18]。

圖5 不同位移幅值下鍍銀銅試樣磨損表面的SEM形貌(Fn=5 N)Fig.5 SEM morphology of wear surface of silver-plated copper samples at different displacement amplitudes (Fn=5 N): (a,c,e,g) at low maginification and (b,d,f,h) at high maginification

2.2 不同載荷下的微動磨損行為

由圖6可知:當載荷為5 N時,試樣的摩擦因數先下降后小幅上升最終處于動態穩定狀態;當載荷為10 N時,摩擦因數在循環次數約小于200周次范圍內急劇上升,后下降再上升,最終處于動態波動狀態;載荷為15 N時,摩擦因數呈緩慢下降趨勢。隨著載荷的增加,接觸應力增大,穩定階段的摩擦因數增大。當載荷為5 N時,在磨損初期接觸電阻呈先小幅增加后減小再增大的趨勢。在10,15 N載荷下的磨損初期(循環次數小于1 000周次),接觸電阻并未降低,表明此時鍍銀銅試樣表面的接觸應力并非最佳,并且由于載荷較大,對材料的破壞作用較強,試樣的黏著磨損較嚴重;隨著循環次數的增加(大于1 000 周次),接觸電阻增大,增至2 000周次后基本保持穩定,載荷5,10 N下的最大接觸電阻分別為250,125 μΩ。增加載荷會導致鍍銀銅試樣在微動磨損初期就發生表面破損,但隨著循環次數增加,由于接觸應力較大,其有效接觸面積一直保持在較高的水平,因此接觸電阻整體偏小。當載荷為15 N時,鍍銀銅試樣表面的接觸電阻在2 000周次循環之后一直呈上升的趨勢,最高值為220 μΩ,這是由于此時接觸應力相對過大,鍍銀銅試樣表面持續受到破環,接觸應力對有效接觸面積的影響有限,導致接觸電阻不斷上升。由圖7可以看出,隨著載荷的增加,鍍銀銅試樣表面的磨損面積呈先增大后減小的趨勢,載荷為10 N時的磨斑面積最大,載荷為15 N時的磨斑面積最小。

圖6 不同載荷下鍍銀銅試樣的摩擦因數及接觸電阻曲線(D=50 μm)Fig.6 Curves of friction coefficient (a) and contact resistance (b) of silver-plated copper samples under different loads (D=50 μm)

圖7 不同載荷下鍍銀銅試樣磨損表面的三維形貌(D=50 μm)Fig.7 Three-dimensional morphology of wear surface of silver-plated copper samples under different loads (D=50 μm)

由圖8和圖9可知:當載荷為5 N時,試樣表面出現較深的磨坑;當載荷為10 N時,表面主要出現犁溝及分層現象,磨屑堆積較多,部分磨屑散亂分布在磨斑中較低洼的區域,清洗后發現磨損深度更大,最深達到20 μm;當載荷為15 N時,磨斑面積相對較小,磨損深度較淺,磨損寬度較小,磨損區域相對較平整,但表面仍出現較多的分層、犁溝、剝落和磨屑堆積現象。隨著法向載荷的不斷增加,磨損體積呈現先上升后下降的趨勢。磨損率隨載荷增大呈明顯下降趨勢,推測是由于在載荷10 N下磨損區域仍處于滑移區,而當載荷增大到15 N時,發生了滑移區向部分滑移區的轉變,磨損面積更小[3]。

圖8 不同載荷下鍍銀銅試樣的磨損表面二維輪廓、磨損體積和磨損率(D=50 μm)Fig.8 Two-dimensional contour of wear surface (a) and wear volume and wear rate (b) of silver-plated copper samples under different loads (D=50 μm)

圖9 不同載荷下鍍銀銅試樣磨損表面的SEM形貌(D=50 μm)Fig.9 SEM morphology of wear surface of silver-plated copper samples under different loads (D=50 μm): (a, c) at low magnification and (b, d) at high magnification

2.3 磨損表面損傷演變

位移幅值為50 μm、法向載荷為5 N條件下接觸電阻與摩擦因數的關系最為明顯,因此探究該條件下不同循環次數的損傷演變。由圖10可知,在500周次循環下,鍍銀銅試樣的磨損中心附著大量較大的顆粒狀磨屑,磨屑下方存在較多犁溝和少量分層的現象,其中顆粒狀磨屑是形成犁溝的主要因素。同時,受法向載荷作用,銅鍍鋅試樣接觸面在磨損初期相互嵌入基體表面,該過程的磨損機制主要為黏著磨損。當循環次數為1 400周次時,磨損區域兩側分布較多的磨屑,并出現大面積的犁溝,還隨機聚集分布著較大顆粒狀磨屑,相較于500次循環,磨屑呈分散狀分布且聚集面積較小。這可能是由于在磨損過程中,顆粒狀磨屑不斷被排出形成較深的犁溝,并在相對較低洼的區域再次聚集。隨著微動磨損的不斷進行,大顆粒磨屑逐漸細化。當循環次數為2 000周次時,磨損區域周圍排出了較多磨屑,且磨損面積更大,犁溝相對較少,而細顆粒狀磨屑更多。此時的犁溝仍主要是由大顆粒磨屑排出形成的,隨著磨屑顆粒的細化和部分大顆粒磨屑在較低洼區域的聚集,摩擦因數達到相對較低值,這是因為表面較細的顆粒狀磨屑對磨損過程產生了潤滑作用。當循環次數為5 000周次時,鍍銀銅試樣表面磨損面積進一步增大, 再次出現犁溝現象。這可能是由于隨著磨損的進行,相對較高的磨損表面被磨掉,而處于低洼區域的大顆粒狀磨屑以及新產生的較大顆粒狀磨屑被排出,因此再次形成犁溝現象。但與磨損初期形成的大量犁溝不同,由于此階段較大顆粒狀磨屑在剪切作用下不斷細化,因此形成的犁溝數量相對有限。隨著磨損的不斷進行,原先在較深凹坑的顆粒狀磨屑與新產生的磨屑不斷加入到磨損過程,同時細化的磨屑對磨損起到緩沖作用,使得后續的磨損過程處于一個相對穩定的過程,摩擦因數在一個恒定的數值附近小幅波動。可知,鍍銀銅試樣在摩擦中后期的磨損機理主要為磨粒磨損及剝層[19]。由圖11可知,隨著循環次數的增加,磨損區域都能檢測到一定含量的氧,表明氧化磨損伴隨著整個循環過程,且隨著循環次數的增加,含氧量較高的區域逐漸增大,氧化磨損的程度逐漸加重。

圖10 不同循環次數下鍍銀銅試樣磨損表面的SEM形貌(D=50 μm,F=5 N)Fig.10 SEM morphology of wear surface of silver-plated copper samples under different cycles (D=50 μm,F=5 N): (a,c,e,g) at low maginification and (b,d,f,h) at high maginification

圖11 不同循環次數下鍍銀銅試樣磨損表面的氧元素面掃描結果(D=50 μm,F=5 N)Fig.11 Oxygen element mapping results of wear surface of silver-plated copper samples under different cycles (D=50 μm,F=5 N)

3 結 論

(1) 當載荷恒定為5 N時,隨著位移幅值的增加,鍍銀銅試樣的磨斑面積、磨損深度、磨損體積增大,載流微動磨損程度加劇。隨著循環次數的增加,不同位移幅值下的摩擦因數整體呈先減小后增大最后趨于穩定的趨勢,而接觸電阻呈相反趨勢。不同位移幅值下的穩定摩擦因數相差不大。

(2) 當位移幅值恒定為50 μm時,隨著法向載荷的增加,鍍銀銅試樣的磨斑面積、磨損深度、磨損體積先增大再減小,當載荷為10 N時,載流微動磨損程度最大,此時有效接觸面積較大,接觸電阻較低;隨著載荷的增加,穩定摩擦因數增大。

(3) 在試驗條件下,鍍銀銅試樣在載流微動磨損初期的磨損機制主要為黏著磨損和氧化磨損,在中后期主要為磨粒磨損、氧化磨損和剝層,且隨著循環次數的增加,氧化磨損程度加劇。