載荷對AuNi9/金鍍層摩擦副摩擦磨損性能的影響

王新平，肖金坤，張 雷，周科朝

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

金合金具有優異的導電、導熱和接觸電阻低而穩定等性能，以及抗氧化、抗硫化，在有機氣氛中不易生成聚合物的特點，常被用作高端電接觸材料，如衛星導電滑環中的電接觸材料，為太陽帆板與衛星主體間傳輸電功率和電信號。由于金合金導電滑環具有體積小、密度低、傳輸電功率大和磨屑產生量少等特點，因此在衛星等宇航機構中得到廣泛的應用[1-5]。隨著衛星負載的儀器越來越多，電源系統提供的功率也要求越來越大，對導電滑環的性能提出了更高的要求：1) 電噪聲低，以減小電信號在傳輸過程中的失真；2) 電刷與滑環間摩擦力小，保證電刷與滑環自由轉動；3) 耐磨損，以提高導電滑環的使用壽命[1,6]。

一些研究表明，金合金和金鍍層的主要磨損機理為粘著磨損和磨粒磨損，同時也出現脆斷、微動和剝層磨損的現象。軟的金鍍層容易發生粘著磨損，通過添加一些合金元素，如Ni、Ag、Cu、Pd等，進行合金化，可以提高鍍層的硬度，降低粘著磨損，但鍍層硬度的提高會導致其脆性斷裂的發生，只有在低載荷條件下應用才不需考慮其脆性的影響[7]。研究發現，鎳鍍層作為銅基體與金鍍層的中間鍍層，能使金鍍層的磨損降低到最低。CONTEJR等[1]研究金合金滑環時發現，金鍍層滑環表面存在許多犁溝，金絲電刷對金鍍層滑環產生犁削，并認為提高金鍍層的硬度可以降低其磨損，合理的刷/環硬度配比關系如下：金絲電刷硬度為(180±15)HV，金鍍層滑環硬度為(130±15)HV。ANTLER和DROZDOWICZ[8]對金鍍層的微動磨損進行了研究，發現金鍍層容易發生轉移，并且由于轉移金屬的加工硬化和細小硬質顆粒的生成，出現磨粒磨損現象。BANERJEE等[9]在分析銀作電刷銅作滑環的摩擦副摩擦磨損過程中產生的磨屑時，發現磨損過程存在粘著、犁溝、拋光和熔化等效應。BROWN等[4]對無潤滑狀態的銀絲電刷的磨損機制進行了探討，電刷摩擦測試條件：電流密度為15 A/cm2、滑動速度為0.1～90 m/s、載荷為0.05 N，對偶為鍍金銅環；本文作者認為電刷的磨損機制主要有摩擦接觸面的粘著磨損、疲勞磨損及斷裂等方式，并指出對于所用絲刷，粘著磨損是其主要的磨損機制。為保證電刷與滑環始終處于良好的接觸狀態，在電刷上施加合適的載荷是非常重要的，低載荷雖能夠提高導電滑環的使用壽命，但會損害電接觸的穩定性；高載荷能夠降低電刷與滑環的接觸電阻，改善電接觸性能，但同時也提高了磨損率和增加了摩擦力[10-13]。隨著航天事業的發展，需要開發更高性能的導電滑環，因而有必要對金合金導電滑環的摩擦磨損機理進行更深入的研究。本文作者以我國民用航天器主流環/刷材料為基本研究對象，采用不同載荷對AuNi9和金鍍層對偶盤的摩擦磨損進行研究，并對其摩擦磨損機理進行探討。

1 實驗

基體材料為錫青銅，其尺寸為d60 mm×10 mm，硬度為30HRc。電鍍前，需將基體表面拋光至粗糙度Ra=0.08 μm，然后用無水乙醇超聲清洗干凈，采用電鍍方法制備了厚度約為 3 μm 金鍍層。實驗中采用AuNi9合金絲的直徑為 480 μm，硬度為 250HV。在SFT-2M型銷盤式摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損實驗，將AuNi9合金絲彎曲成半徑為5 mm的半圓形，其圓弧頂端與金鍍層表面垂直接觸，AuNi9合金絲圓弧在金鍍層表面滑動。根據導電滑環工況使用條件，試驗載荷選用0.2和0.4 N兩個條件，摩擦盤轉速為100 r/min(滑動線速度為0.25 m/s)，滑動總距離為20和40 km。試驗環境為大氣環境，溫度為20 ℃，相對濕度為30%～60%。由精度為0.005 N的壓力傳感器采集摩擦因數數據，采用FEI Quanta-200型掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣磨損表面形貌和磨屑形貌進行觀察。

2 結果與討論

2.1 載荷對摩擦因數的影響

圖1 載荷對金鍍層摩擦因數的影響Fig.1 Effect of load on friction coefficient of Au coating:(a) 0.4 N; (b) 0.2 N

金鍍層不僅具有抗氧化、抗硫化和抗表面污染等性能，還能保證電連接的長期可靠穩定，以及在滑動摩擦過程中起潤滑的作用。當較軟的金鍍層與對偶材料產生摩擦時，金便向對偶表面轉移形成轉移膜，使摩擦發生在軟金屬與轉移膜之間，從而降低滑動摩擦阻力。圖1所示為金鍍層在載荷分別為0.2 N和0.4 N條件下的摩擦因數曲線。由圖1可知，在低載荷(0.2 N)條件下，摩擦因數維持在較高的狀態，穩定摩擦因數為 0.8，但摩擦因數的變化比較平穩；高載荷(0.4 N)條件下，摩擦因數在前12 km滑動距離內波動幅度較大，此后摩擦因數變得非常平穩，穩定摩擦因數為0.3。高載荷初始階段摩擦因數波動較大，這是由于金鍍層在此階段發生了較劇烈的磨損，大塊的磨屑從金鍍層中剝落引起摩擦因數的波動。當金鍍層因磨損減薄至一定厚度時，高硬度的銅合金基體起到主要的承載作用，而摩擦面之間較薄軟質的金鍍層又具有良好的潤滑效果，因此，該階段摩擦因數低且平穩，同時鍍層的磨損也因此減小。低載荷條件獲得高而平穩的摩擦因數，其原因是金鍍層在低載荷條件主要發生粘著而產生高的摩擦因數，但鍍層未出現嚴重的破壞，故摩擦因數比較平穩。

2.2 載荷對金鍍層磨損的影響

金鍍層磨損表面的形貌如圖2所示。圖2(a)所示為在載荷為0.4 N、滑動距離為60 km條件下金鍍層的磨損表面，可以觀察到金鍍層已被磨損，沿著滑動方向形成了較深的犁溝，金鍍層發生了嚴重的塑性變形，塑性變形的鍍層被擠向犁溝的兩側，犁溝中心仍有一層較薄且光滑的金鍍層，對AuNi9合金絲的滑動提供潤滑作用；而在相同載荷條件下，滑動距離為 20 km 金鍍層的磨損表面(如圖2(b)所示)也形成了幾條較淺的犁溝，磨損形貌呈現與圖2(a)類似的特點，但磨損較輕。比較圖2(a)和(b)可知，金鍍層的磨損主要發生在前20 km，此后磨損減輕。圖1(a)中的摩擦因數曲線同樣表明鍍層的磨損隨著滑動距離的增加而逐漸降低。因此，當接觸載荷較高時，應通過合金化提高鍍層的硬度，增強其抵抗塑性變形的能力，才能夠有效降低其因塑性變形而引起的磨損，改善其耐磨損性能。圖2(c)所示為金鍍層在載荷為0.2 N、滑動距離為20 km條件下磨損表面的形貌，金鍍層磨損表面中間呈現一條淺而窄的犁溝，磨損表面兩側沒有出現明顯的塑性變形材料的堆積，僅發生了輕微的塑性變形。低載荷條件下的磨損表面存在許多細小的凹坑，沒有高載荷條件下光滑，表明低載荷條件下金鍍層主要發生粘著磨損，而高載荷條件下金鍍層因塑性變形引起的磨粒磨損更為顯著[14-16]。

2.3 載荷對AuNi9合金磨損的影響

圖2 金鍍層磨損表面形貌Fig.2 Surface morphologies of worn surfaces of Au coating:(a) Under 0.4 N load after sliding 60 km; (b) Under 0.4 N load after sliding 20 km; (c) Under 0.2 N after sliding 20 km

合金絲的磨損對摩擦副的摩擦因數、接觸電阻和使用壽命都有重要影響。若選擇合適硬度的合金絲，經過一定距離的跑合后，通過合金絲自身發生一定體積的磨損能夠增大其與鍍層的表觀接觸面積；如此不僅能降低高硬度合金絲對鍍層造成的磨損，還能降低接觸電阻和提高接觸電阻的穩定性。圖3所示為AuNi9合金絲的磨損表面形貌。高載荷條件下的磨損表面(圖3(a)和(b))出現了不均勻的磨損，AuNi9合金絲摩擦表面在摩擦力的作用下發生了嚴重的塑性變形。磨損表面產生片狀剝層結構，片狀結構沿滑動方向延展，其末端翹曲(見圖3(a))，在磨損表面層狀結構的邊緣可以看到裂紋已擴展到表面材料的內部，這部分材料即將以片狀磨屑的形式從表面脫落下來，同時在圖3(b)中觀察到大塊的薄片狀材料也發生了嚴重的塑性變形，且一部分已與表面發生了分離。磨損表面的其他區域沒有出現嚴重塑性變形，表面存在細小的犁溝，呈典型的磨粒磨損特征，因此，AuNi9合金絲在高載荷條件下主要發生疲勞磨損并伴有輕微的磨粒磨損。由圖3(a)和(b)還可以明顯看出，隨著滑動距離的增加，AuNi9合金絲的磨損也隨著增加。圖3(c)所示為低載荷條件下AuNi9合金絲的磨損表面形貌。磨損表面平滑、整潔，磨損面上觀察到平行于滑動方向窄長的犁溝，沒有發生明顯的塑性變形，以上特征表明AuNi9合金絲在低載荷條件下主要發生磨粒磨損。比較高載荷和低載荷條件下AuNi9合金絲的磨損表面(見圖3(b)和(c))，發現在低載荷條件下，AuNi9合金絲的磨損更加嚴重，這是由于低載荷條件下AuNi9合金絲在摩擦過程中發生較高頻率的振動，甚至有輕微的共振，導致合金絲磨粒磨損加劇并形成平整的磨損面。

2.4 載荷對磨屑形貌的影響

圖3 AuNi9合金絲磨損表面形貌Fig.3 Surface morphologies of worn surfaces of AuNi9 alloy fibers: (a) Under 0.4 N load after sliding 60 km; (b) Under 0.4 N load after sliding 20 km; (c) Under 0.2 N after sliding 20 km

圖4 不同載荷下金鍍層磨屑的形貌Fig.4 Surface morphologies of wear debris of Au coating under different loads: (a) 0.4 N; (b) 0.2 N

圖4所示為AuNi9/金鍍層摩擦副在摩擦磨損過程中產生的典型的磨屑形貌。根據圖2和3可知，金鍍層比金絲磨損嚴重，因此大部分磨屑源自金鍍層的磨損。圖4(a)所示為高載荷條件下產生的大塊狀磨屑，沿著磨屑長度方向具有撕裂的痕跡，很明顯，這是由AuNi9合金絲對金鍍層切削作用產生的。低載荷條件下，磨屑的形貌主要為薄片狀和小顆粒狀(見圖4(b))，磨屑的尺寸比高載荷條件下的小，金鍍層在摩擦過程中向對偶表面轉移，轉移的材料經多次摩擦發生加工硬化從對偶表面脫落下來，從而形成小顆粒狀的磨屑。同時，金鍍層經金絲的循環滑動后，發生了加工硬化和疲勞，表層的裂紋沿著滑動方向擴展，最終導致表層材料的脫落，形成薄片狀磨屑。

3 結論

1) AuNi9/金鍍層摩擦副在高載荷條件下，初始摩擦因數較高、波動較大，主要由犁溝效應引起的，隨著金鍍層的磨損鍍層的厚度逐漸減薄，摩擦因數開始降低且比較穩定；低載荷條件下摩擦因數一直維持在較高的狀態，粘著效應明顯。

2) 金鍍層硬度較低，AuNi9合金絲對其犁削作用顯著。在高載荷條件下，金鍍層表面發生嚴重的塑性變形并產生較深的犁溝，磨損嚴重；當載荷較低時，金鍍層受到的犁削作用減弱，以粘著磨損為主，表面破壞程度較輕。

3) 載荷對 AuNi9/金鍍層摩擦副的摩擦磨損性能有著重要的影響，根據使用載荷的大小適當調整鍍層的硬度，防止其因過度磨損而失效。

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