摩擦速度和電流密度對銅基復合材料載流摩擦磨損性能的影響

李克敏，上官寶，杜三明，張永振

（河南科技大學，河南省材料摩擦學重點實驗室，洛陽471023）

0 引 言

電氣化鐵路中的機車通過受電弓滑板從接觸網獲得電力以驅動機車電動機獲得牽引動力，牽引電流經車輪、軌道和大地流回牽引變電所。接地裝置用于牽引電流回流，以保護軸承、軸套、車軸，同時還可以起到確保列車所有設備接地安全可靠的作用［1］。

銅基石墨粉末冶金材料具有較高的強度、良好的導電導熱性、減摩耐磨性，是一種較為理想的摩擦集電材料［2-3］。隨著電力機車和軌道交通的高速發展，單純的C/Cu復合材料已不能完全滿足需要，對其進行改性已顯得尤為必要。目前國內外對C/Cu復合材料的研究工作主要集中在用碳纖維或碳納米管增強［4-6］、加入二硫化鉬或者納米石墨［7-8］、對石墨粉體的表面處理和界面結構改善［9］、復合材料的制備工藝［10-11］等方面。此外還有硬質顆粒和石墨混雜增強銅基復合材料摩擦磨損性能的研究報道［12-13］，但SiC顆粒加入到C/Cu復合材料并應用于載流摩擦領域的研究卻鮮有報道。在載流滑動過程中，電弧侵蝕對摩擦集電材料破壞嚴重，是高速列車安全穩定運行的潛在威脅［14-16］，所以研究滑動過程中電弧的發生也是載流摩擦磨損性能研究中的一個重要方面。

為此，作者采用粉末冶金技術，制備了含/不含SiC的兩種銅基復合材料，并進行載流摩擦磨損試驗，分別研究了摩擦速度、電流密度對復合材料燃弧率、載流效率以及摩擦因數、磨損率的影響，并對磨損后的表面形貌進行了觀察，以期為新型摩擦集電材料的設計提供試驗依據，并為載流摩擦磨損的理論研究提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

以電解銅粉（粒徑75μm）、鱗片狀石墨（粒徑45μm）以及粒徑為15μm的SiC顆粒為原料，采用粉末冶金法制備出3%SiC-10%C-87%Cu（質量分數，下同）和10%C-90%Cu復合材料。制備工藝：將粉體在三維混料機中混料24h后，采用MY-100型萬能油壓機在380MPa下壓制成φ26mm×25mm的試樣，保壓3min；然后進行燒結，燒結過程是在通入由氨分解產生的氮氣、氫氣混合氣氛的鐘罩爐中進行，燒結溫度為860℃，保溫時間為1h；燒結完成后采用360MPa的壓力對制備的復合材料進行復壓并保壓3min，最后采用線切割加工成尺寸為φ9mm×25mm的銷試樣。

1.2 試驗方法

列車運行過程中，集電材料在彈簧壓力（0.2～0.25MPa）的作用下始終與套在車軸上的鋼制集流環保持徑向貼緊，集電環的線速度為18～28m·s-1，回流電流密度為0.5～1.2A·mm-2。參照實際工況，摩擦副選擇25CrMo合金鋼盤，在HST-100型銷盤式高速載流摩擦磨損試驗機上進行載流摩擦磨損試驗，載荷為60N（接觸壓力為0.236MPa），摩擦速度選擇10，15，20，25，30m·s-1，電流 密度選擇 0.564 6，0.846 9，1.129 2，1.411 5，1.693 8A·mm-2，摩擦試驗時間為10s。試驗前，用800＃砂紙對摩擦盤和銷試樣進行表面處理，使銷/盤處于良好的接觸狀態。

試驗中運用光電傳感器（光敏三極管）跟蹤測量載流摩擦磨損過程中的光強度，用光強度的大小來衡量電弧的強弱。試驗前先對兩種銷試樣進行不同摩擦速度下無電流時的摩擦磨損測試，以試驗中所產生的最大光強度作為該材料在這一速度下載流摩擦磨損過程中的起弧基值。電弧的燃弧率是載流摩擦過程中電弧發生的總時間與摩擦試驗總時間的比值。載流效率是摩擦副滑動摩擦過程中表征載流質量的一個重要參數，其大小為載流摩擦過程中實際傳輸電流的平均值與額定電流之比。摩擦力經扭矩傳感器輸至計算機中，通過計算得到摩擦因數。用精度為0.1mg的BS210S型電子分析天平測量摩擦前后銷試樣的質量；采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損后的表面形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦速度的影響

由圖1可見，隨摩擦速度增大，總體來說，兩種復合材料的燃弧率均增大，載流效率均減小；摩擦速度為10～25m·s-1時，兩種復合材料的燃弧率均低于10%，且SiC/C/Cu復合材料的燃弧率低于C/Cu復合材料的；當摩擦速度達到30m·s-1時，燃弧率均急劇增大，并且SiC/C/Cu復合材料的燃弧率高于C/Cu復合材料的；在10～25m·s-1的摩擦速度范圍內，兩種復合材料的載流效率均維持在85%以上，摩擦速度達到30m·s-1時均急劇降低。

在電流密度相同的條件下，燃弧率主要與摩擦過程中摩擦接觸面的狀況有關。隨著摩擦速度增大，材料磨損嚴重，磨損后的表面粗糙度增大，摩擦副間的接觸惡化，非直接接觸的微小區域增多，燃弧率增大。由圖2（a～c）可以看出，Si/C/Cu復合材料在10，20m·s-1的摩擦速度下，摩擦表面整體較為平整，摩擦副間仍能保持良好的接觸狀態，燃弧率較小，此時產生的電弧強度較小，且維持時間短，材料的磨損主要以磨粒磨損和粘著磨損為主；當摩擦速度達到30m·s-1時，由于高的摩擦速度引起的摩擦熱使材料表面的溫度急劇升高，基體軟化嚴重，復合材料中SiC顆粒的脫落量增加，脫落后的SiC顆粒作為磨粒存在于摩擦副間，材料表面質量急劇惡化，摩擦副間的振動和沖擊作用加劇，使銷盤間處于不平穩的接觸狀態，甚至出現短暫的脫離，使燃弧率增大；而電弧引起的瞬間高溫又會對材料表面造成嚴重燒蝕，使得燃弧率急劇上升。對比圖2（b）和（d）可以看出，在20m·s-1的低速摩擦條件下，由于SiC顆粒對銅基體的增強作用，SiC/C/Cu復合材料較C/Cu復合材料的表面粗糙度小，燃弧率低；而在30m·s-1的高速摩擦條件下，SiC硬質顆粒對表面造成的粗大犁溝使SiC/C/Cu復合材料較C/Cu復合材料的表面更加粗糙，如圖2（c）和（e）所示，燃弧率也更高。

圖1 電流密度為0.846 9A·mm-2時摩擦速度對兩種復合材料燃弧率及載流效率的影響Fig.1 Effects of friction velocity on arcing rate（a）and current-carrying efficient of the two kinds of composites（b）at current density of 0.846 9A·mm-2

材料的載流效率與接觸面狀態有關，但受燃弧率的影響較大。這主要是因為在電弧產生過程中，大量的電子從陰極表面進入電極間隙中，在電場的作用下電子與氣體分子和金屬蒸氣發生相互碰撞導致中性粒子大量電離，產生更多的電子和大量的正離子；這些電子和正離子在電場作用下分別向陽極和陰極移動，一部分電子進入陽極與正電荷復合放出能量加熱陽極，一部分正離子從陰極取得電子復合并釋放能量加熱陰極以維持電子的熱發射，還有一部分正離子和電子在弧隙空間復合，放出的能量以光和熱的形式輻射出［17-18］；在整個過程中，一些電能轉化成光能和熱能，從而使材料的載流效率降低。所以燃弧率越高，載流效率越低。

圖2 電流密度為0.846 9A·mm-2時兩種復合材料在不同摩擦速度下磨損后的表面SEM形貌Fig.2 SEM morphology of worn surface of the two kinds of composites at current density of 0.846 9A·mm-2 and different friction velocities：（a-c）SiC/C/Cu composite and（d-e）C/Cu composite

從圖3中可以看出，隨著摩擦速度增大，兩種復合材料的摩擦因數和磨損率均逐漸增大；與C/Cu復合材料相比，SiC/C/Cu復合材料的摩擦因數偏大，但磨損率卻顯著降低。

圖3 電流密度為0.846 9A·mm-2時摩擦速度對兩種復合材料摩擦因數和磨損率的影響Fig.3 Effects of friction velocity on friction coefficient（a）and wear rate（b）of the two kinds of composite at current density of 0.846 9A·mm-2

隨著摩擦速度增大，摩擦磨損和電弧燒蝕引起材料表面質量惡化，使接觸面的粗糙度增大，摩擦因數增加；摩擦速度越大，切向沖擊力越大，加之摩擦熱和電弧熱導致材料基體嚴重軟化，故磨損率逐漸增大［19］。添加SiC顆粒的SiC/C/Cu復合材料磨損后露出表層的SiC硬質顆粒，在摩擦時易切入對偶表面，增加摩擦阻力，所以SiC/C/Cu復合材料的摩擦因數較C/Cu復合材料的大；但SiC顆粒作為銅基體中的增強相卻能顯著提高材料基體的強度，從而使磨損率降低。

SiC/C/Cu和C/Cu復合材料磨損率的差異較大，但在相同摩擦速度下的燃弧率和載流效率卻差別不大。這說明燃弧率和載流效率受磨損率的影響較小，主要由摩擦表面的接觸狀況決定。特別是當摩擦速度為30m·s-1時，SiC/C/Cu復合材料的磨損率相對C/Cu復合材料的小得多，但其燃弧率卻比C/Cu復合材料的高，載流效率比C/Cu復合材料的低。

2.2 電流密度的影響

由圖4（a）可以看出，隨著電流密度增大，兩種復合材料的燃弧率均逐漸增大；其中，基本上SiC/C/Cu復合材料的燃弧率要低于C/Cu復合材料的，但在電流密度增大到1.693 8A·mm-2時，SiC/C/Cu復合材料的燃弧率稍高于C/Cu復合材料的。由圖4（b）可見，隨著電流密度增大，兩種復合材料的載流效率均逐漸減小，當電流密度為0.846 9～1.411 5A·mm-2時，SiC/C/Cu復合材料的載流效率高于C/Cu復合材料的，但在電流密度為1.693 8A·mm-2時，SiC/C/Cu復合材料的載流效率急劇降低，且明顯低于C/Cu復合材料的。

摩擦副間的微觀接觸斑點在導電過程中存在電流收縮現象，而未直接接觸處因為電子聚集存在一定的電壓［20］。電流密度越大，在摩擦微觀界面未直接接觸區域，電子聚集的量越大，越容易達到起弧電壓，起弧越容易，并且隨著電流密度增大，直接接觸斑點處電流密度急劇增大，電阻熱、摩擦熱和電弧熱使導電斑點嚴重軟化，材料磨損嚴重，摩擦表面惡化，粗糙度增加，從而提供了更多的非接觸區域使電子聚集，所以隨著電流密度增大，復合材料的燃弧率逐漸增大，載流效率不斷減小。

與C/Cu復合材料相比，SiC/C/Cu復合材料中因SiC顆粒對銅基體的增強作用，在低電流密度下摩擦接觸面更加平整，所以燃弧率較低，而載流效率較高。當電流密度為1.693 8A·mm-2時，SiC/C/Cu復合材料因為SiC顆粒脫落使材料表面產生了大量的粗大犁溝，使摩擦表面狀況嚴重惡化，從而導致燃弧率高于C/Cu復合材料的；同時因為長時間的大電弧使材料磨損嚴重，摩擦副間的接觸狀況急劇惡化，甚至出現了短暫的脫離，故而SiC/C/Cu復合材料的載流效率急劇下降，并明顯低于C/Cu復合材料的。

圖4 摩擦速度為20m·s-1時電流密度對兩種復合材料燃弧率及載流效率的影響Fig.4 Effects of current density on arcing rate（a）and current-carrying efficient（b）of the two kinds of composite at friction velocity of 20m·s-1

由圖5（a）可以看出，隨著電流密度增大，C/Cu復合材料的摩擦因數逐漸降低，而SiC/C/Cu復合材料的摩擦因數則先降低后稍有上升。由圖5（b）可以看出，隨著電流密度增大，兩種復合材料的磨損率均不斷增大，但SiC/C/Cu復合材料的磨損率明顯低于C/Cu復合材料的，且增速也較緩。

在摩擦過程中，SiC/C/Cu復合材料因為SiC顆粒脫落并存在于摩擦副間，增大了摩擦因數，所以SiC/C/Cu復合材料的摩擦因數高于C/Cu復合材料的。隨著電流密度增大，由于摩擦熱、電阻熱和電弧熱使材料表面的軟化熔融加重，從而導致兩種復合材料的摩擦因數均不斷降低；而在1.693 8A·mm-2的高電流密度情況下，因為嚴重的電弧燒蝕使材料表面完全熔融，表層SiC顆粒全部作為硬質磨粒存在于摩擦副間，并在摩擦過程中不斷嵌入軟化的內層基體中，從而使摩擦阻力增大，故而摩擦因數出現了一定的升高。

由圖6（a）可見，電流密度為1.129 2A·mm-2時，電弧燒蝕較弱，但當電流密度為1.411 5A·mm-2時，已經出現了很寬的電弧燒蝕帶，如圖6（b）所示，而在1.693 8A·mm-2的電流密度下，Si/C/Cu復合材料發生嚴重的軟化熔融，磨損后的表面上布滿了SiC顆粒作為磨粒造成的粗大犁溝和嚴重的電弧燒蝕，如圖6（c）所示，但因為SiC顆粒對銅基體的增強作用，使得SiC/C/Cu復合材料的磨損率隨電流密度增大而增加緩慢，故而在高電流密度下，其磨損率明顯低于C/Cu復合材料的。

圖5 摩擦速度為20m·s-1時電流密度對兩種復合材料摩擦因數和磨損率的影響Fig.5 Effects of current density on friction coefficient（a）and wear rate（b）of the two kinds of composites at friction velocity of 20m·s-1

由圖7可以看出，在摩擦速度為20m·s-1、電流密度為1.693 8A·mm-2條件下，SiC/C/Cu復合材料中的石墨燒蝕氣化嚴重，銅基體發生了明顯的熔融重凝，且氧化嚴重，SiC顆粒大量脫落，但仍有少量SiC硬質顆粒存在于銅基體中，保持對基體的強化作用。

3 結 論

（1）在相同的試驗條件下，與C/Cu復合材料相比，SiC/C/Cu復合材料的摩擦因數較大，但磨損率較小。

圖6 摩擦速度為20m·s-1時SiC/C/Cu復合材料在不同電流密度下磨損后的表面SEM形貌Fig.6 SEM morphology of worn surface of SiC/C/Cu composite at friction velocity of 20m·s-1 and different current densities

圖7 SiC/C/Cu復合材料在摩擦速度為20m·s-1、電流密度為1.693 8A·mm-2條件下磨損后表面的SEM形貌和EDS譜Fig.7 SEM morphology（a）and EDS pattern of the worn surface of SiC/C/Cu composte at friction velocity of 20m·s-1 and current density of 1.693 8A·mm-2

（2）隨著摩擦速度增大，兩種復合材料的摩擦因數和磨損率均不斷增大；隨著電流密度增大，SiC/C/Cu復合材料的摩擦因數先降低后稍有上升，C/Cu復合材料的則不斷降低，但其磨損率均逐漸增加。

（3）燃弧率主要由材料的表面接觸狀態和電流密度決定，載流效率受燃弧率影響較大；在摩擦速度為10～25m·s-1時，兩種復合材料的燃弧率均低于10%，載流效率均維持在85%以上；隨著摩擦速度增大至30m·s-1，兩種復合材料的燃弧率急劇增大，載流效率均急劇降低；隨著電流密度增大，兩種復合材料的燃弧率均逐漸升高，載流效率均不斷減小。

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