载流摩擦参数对C/C复合材料/QCr0.5摩擦副起弧率的影响

张会杰，孙乐民，上官宝，张永振

(河南科技大学河南省材料摩擦学重点实验室，河南洛阳471003)

0 引言

C/C复合材料是指碳纤维增强炭基体复合材料，具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、化学稳定性好等一系列良好性能，是一种优异的结构-功能一体化的工程材料［1-3］。众所周知，用碳作为滑板材料是降低磨损的有效方法［4］。与常用的滑板材料相比，C/C复合材料具有优异的耐磨性和抗电弧侵蚀性能，工作温度较高，在给定使用条件下摩擦学性能较稳定。随着科学技术的发展与工业的进步，特殊工况条件下的摩擦学问题越来越突出，如高温、高速下的摩擦磨损以及载电流摩擦磨损等，日益受到各国科研人员广泛的重视［5-7］，其中，高速铁路的不断提速，造成滑动过程中材料的磨损加剧以及电弧对材料的侵蚀越来越严重的问题，对电气化铁路弓网安全造成很大的威胁，受到越来越多的关注。虽然目前对材料载流摩擦磨损性能研究十分深入，但对造成材料磨损加剧的起弧研究甚少。

载流摩擦中的电弧是一种空气放电现象，且动态发生，对载流摩擦有很大危害［8］。本文根据高速铁路实际工况，采用实验室模拟方法，以导线材料QCr0.5为盘试样，抗电弧侵蚀性能好的C/C复合材料为销试样，两者组成摩擦副，选用电流、速度、载荷为试验参数，进行载流摩擦磨损模拟试验，探讨各试验参数对摩擦副起弧率的影响，为中国高速列车的研究提供理论依据。

1 试验部分

1.1 试验设备

图1为HST-100销盘式高速载流摩擦磨损试验机(销盘式摩擦磨损试验机是常用的摩擦磨损试验装置)结构简图，试验机的数据采集系统能够同时采集速度、扭矩、电流和正压力4个参数。电流、光强和载荷波形图通过微机测控系统传入计算机。

1.2 试验材料及参数

试验所用销试样为C/C复合材料，密度为1.4×103kg·m-3，电阻率为29×10-6Ωm，断裂强度为100 MPa，抗拉强度为91 MPa。盘试样材料为QCr0.5。其中，C/C复合材料加工成9 mm×14 mm×21 mm的块状试样，摩擦面为9 mm×14 mm。在室温、干态试验条件下，摩擦配副的速度分别为10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s，载荷为 30 N、50 N、70 N、90 N、110 N。试验采用恒流交流电源，电流为 40 A、60 A、80 A、100 A、120 A。

图1 高速载流摩擦磨损试验机结构原理图

1.3 摩擦磨损试验

试验前摩擦面用800目的砂纸预磨，以保证销试样和盘试样良好接触。每组摩擦副在高速载流摩擦磨损试验机上进行10 s摩擦磨损试验。摩擦前后试样的质量由精度为0.1 mg的BS210S电子分析天平称量，计算出材料的磨损率;扭矩由扭矩传感器输出至计算机中，计算得到摩擦因数;试验后采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)观察磨损后C/C复合材料表面微观形貌，利用EDAX能谱仪(EDS)分析C/C复合材料表面成分的变化。微观形貌观察之前，试样用超声波清洗。

2 试验结果及分析

起弧率是指在载流摩擦磨损试验过程中，电弧产生的总时间与摩擦试验总时间的比值，是衡量电弧产生机率的量。

2.1 载荷恒定，电流、速度对C/C复合材料起弧率的影响

图2为载荷70 N时，电流、速度对C/C复合材料起弧率的影响，如图2所示，C/C复合材料的起弧率随着电流的增加整体呈增加趋势，在电流小于80 A时，随着电流增加，起弧率基本保持不变，当电流大于80 A时，起弧率随着电流的增加迅速增加。同一电流条件下，速度越高C/C复合材料的起弧率越高。在速度为30 m/s，电流120 A情况下起弧率为7.1%。主要是由于随着电流的增加，摩擦产生的摩擦热、焦耳热、电阻热增加，高温使材料表面软化和融化，当摩擦表面温度超过碳的氧化温度时，部分材料表面氧化形成凹坑，以至销盘接触状态变差。不规则的接触表面导致电弧放电机率增加，电弧放电导致碳材料的严重磨损［9］。同时随着速度增加摩擦盘高速运转，使销盘之间的振动和冲击加剧，电弧的强度和发生频率增加，相应的起弧率增加。

2.2 电流恒定，速度、载荷对C/C复合材料起弧率的影响

图3为电流80 A，速度、载荷对C/C复合材料起弧率的影响。如图3所示，随着速度的增加C/C复合材料的起弧率整体呈增加趋势，在速度大于25 m/s时，起弧率急剧增加。主要是由于在载流摩擦磨损试验中，速度增大时，摩擦盘高速运转，使得摩擦副产生冲击和振动，离线情况增加，起弧率增加。在受流条件下，摩擦速率对起弧程度的影响很大［10］。

相同速度条件下，随着载荷的增加，起弧率先减小后增大，当载荷为30 N时，材料起弧率最高，70 N时材料的起弧率最低。在速度30 m/s、载荷30 N时，材料的起弧率最高，达16%。出现这种现象的主要原因是:两表面之间的接触实际是表面微凸峰之间的接触，只有很小的实际接触点［11］，当载荷较小时，摩擦副接触面积较小，接触状态不稳定，随着接触载荷的增加，摩擦副接触面积增加，接触状态改善，销盘在相对滑动过程中脱离的可能性降低，从而降低起弧率，载荷增加到70 N时，起弧率最小，随着载荷的继续增加，起弧率出现升高的趋势。因为载荷较大时，对于弓网系统来说相当于受电弓将接触导线抬起，两跨距内的接触导线形成一个拱形，在滑动时也可能出现不稳定振动而引起电弧的出现［12］。

图2 电流对C/C复合材料起弧率的影响

图3 速度、载荷对C/C复合材料起弧率的影响

2.3 摩擦磨损试样表面形貌观察

图4 为C/C复合材料在不同试验条件下的磨损表面形貌，图4a和4b为载荷110 N，速度30 m/s，电流分别为0 A、100 A情况下，材料磨损表面SEM形貌。由图4a可见:磨损表面有大量的犁沟，表面受电弧侵蚀不严重，几乎没有电弧侵蚀坑。图4b所示，材料受电弧侵蚀严重，表面除了有大量电弧侵蚀坑外，磨损表面还有犁沟和碳膜。从图4a和图4b可见:较大电流情况下，起弧率较大，磨损面受电弧侵蚀严重。图4c和4d为载荷110 N，电流80 A，速度分别为10 m/s和30 m/s情况下，材料磨损表面SEM形貌。由图4c可见:材料表面有少量的电弧侵蚀坑、磨屑和犁沟。相对于图4c，图4d中有大量的电弧侵蚀坑。由此表明速度较高情况下，电弧发生的强度和频率增加，材料起弧率较高，受电弧侵蚀严重。

图4 C/C复合材料磨损表面形貌

图5为C/C复合材料在110 N，120 A和30 m/s情况下摩擦表面能谱分析。由图5b可知:图5a中A处磨损表面主要有基体碳、氧、铜元素，在较高速度下，磨损面的转移Cu含量较高，主要原因是速度越大起弧率越高，电弧能量增加，温度升高，使摩擦盘试样上的铜黏着在磨损面上。

图5 C/C复合材料摩擦表面能谱分析

3 结论

(1)随着电流和速度的增加，C/C复合材料的起弧率增加。

(2)随着载荷的增加，C/C复合材料的起弧率先增加后减小，在载荷为70 N时，起弧率最小。载荷30 N、速度30 m/s时，C/C复合材料的起弧率最高，为16%。

(3)C/C复合材料磨损表面微观分析发现，电流速度较大情况下，磨损面有大量电弧侵蚀坑和转移Cu。

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