刷丝硬度对Au9Ni/Au35Ag5Cu对偶电接触及摩擦磨损行为的影响

曲强，周雄，罗博，张雷

刷丝硬度对Au9Ni/Au35Ag5Cu对偶电接触及摩擦磨损行为的影响

曲强1，周雄2，罗博2，张雷2

(1. 北京控制工程研究所，北京 100000；2. 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

选用硬度分别为230.51，251.93和270.30 HV的三种Au9Ni合金丝材为研究对象，探究丝材硬度对大气环境下Au9Ni/Au35Ag5Cu对偶电接触稳定性及摩擦磨损行为的影响规律，并揭示Au9Ni丝的磨损机理。结果表明：随Au9Ni丝材硬度由230.51 HV增加至270.30 HV，材料的摩擦因数和接触压降分别从0.82，46.42 mV提高至1.02，98.72 mV，同时，其硬度上升减弱了滑动过程中的跃动现象，使其电噪声RMS从6.15 mΩ降至3.37 mΩ，从而导致摩擦因数曲线平稳性和接触的稳定性上升；电刷硬度越大，磨损表面粗糙度从1.10 μm降至0.57 μm，对偶盘的材料转移现象加剧，进而导致其磨损形式由硬度230.51 HV时的粘着磨损向粘着−犁削复合磨损机制转变，且犁削磨损对导电滑环的影响随Au9Ni硬度的增加而增大。

金合金；硬度；载流摩擦；摩擦因数；电压降；磨损形式

金及其合金材料具有优异的导热、导电及抗氧化、抗硫化特性，所构建的滑动电接触材料拥有磨屑少、结构紧密、传输功率高等特点，是星用旋转电传输机构中的核心材料之一，广泛应用于太阳能帆板驱动机构、天线指向机构及其他对地观测机构[1−2]。随着我国航天事业的飞速发展，卫星精密化、大型化、高速化和复杂化的进程不断加速，对宇航电刷材料的电接触稳定性和耐磨性提出了更高的要求。在金及其合金的滑动载流摩擦过程中，其磨损行为由电磨损和机械磨损构成，而机械磨损为其摩擦损伤的主要原因。一般而言，该类软质金属材料的机械磨损行为主要受粘着磨损和磨粒磨损机制控制，然而，在材料自身的力学性能(硬度、抗拉强度、断裂韧性等)及应用条件(速度、载荷、接触方式及环境因素)等诸多因素作用下，金及其合金的摩擦磨损行为变得异常复杂，且各因素的影响规律和作用机理尚有待揭示。已有的研究结果表明，材料的硬度对其磨损机理、耐磨性及稳定性等具有较大影响，因此提高材料硬度成为改善材料耐磨性的重要手段。AMBRISH等[3]对多种材料热处理前后耐磨性的差异进行研究，发现热处理后随材料硬度增大，其试验过程中的磨损率降低。RICHARDSON[4]通过不同硬度的钢铁进行摩擦磨损测试同样发现，滑动过程中的磨粒磨损会随钢铁硬度的升高而减轻，进而能有效延长其服役寿命。CONTE等[5]研究发现添加Sn、Pb等合金组元对AuCu刷丝硬度的提高能有效减轻摩擦过程中刷丝的粘着磨损现象。LEECH等[6]研究N2+注入对摩擦磨损性能的影响，同样发现AuAgCu合金硬度随N2+注入而上升，从而大幅减轻粘着磨损和材料转移现象的产生。MODI等[7]对不同硬度高碳钢的磨损行为分析，指出钢材硬度会随碳含量的上升而降低，加剧滑动过程中的磨粒磨损。MADAKSON等[8]对比注入不同含量的Sb+对Al摩擦磨损行为的影响，发现离子注入量能有效提高材料硬度，进而有效稳定摩擦曲线的波动，使之运行更加稳定。上述研究表明，硬度是材料的重要参数，对滑动摩擦磨损行为影响显著。作为典型的滑动电接触材料，金及其合金的硬度对服役寿命和电接触稳定性亦有较大影响，而相关研究的缺失导致在配副的选材、材料热处理参数选择及应用参数确认等方面缺少可靠的依据。

本文采用Au9Ni/Au35Ag5Cu摩擦副为研究对象，探讨Au9Ni合金丝硬度对其大气载流摩擦学性能的影响，重点关注丝材硬度对提升摩擦副抗磨损性能及电接触稳定性方面的作用规律，结合对偶材料表面磨损形貌、磨屑形貌及组分分析，揭示丝材硬度对Au9Ni/ Au35Ag5Cu摩擦副摩擦磨损行为的影响规律，以期为航天电接触材料的应用提供实验数据参考和理论基础支撑。

1 实验

1.1 实验材料

本实验的研究对象为北京控制工程研究所提供的三种硬度分别为230.51，251.92和270.34 HV的Au9Ni合金丝，根据硬度不同分别简称为A刷、B刷和C刷。合金丝的直径为0.28 mm，将其弯曲成半径为2.50 mm的半圆形，圆弧顶端与Au35Ag5Cu合金盘保持表面垂直滑动，如图1所示。对偶盘的硬度为202.32 HV，实验前采用2000目的SiC砂纸对其进行打磨处理和超声波清洗，以确保对偶盘表面清洁度。

1.2 滑动电接触测试

采用载流摩擦磨损试验机(VET-1)对Au9Ni合金单丝电刷的载流摩擦学性能进行测试，其测试参数为：载荷0.30 N，转速60.0 r/min(滑动线速度为64.68 mm/s)，电流2.0 A，滑动距离14.0 km。利用数字万用表(Fluke 8864A)和示波器(Yokogawa DL 850)对电刷的电压降和电噪声分别进行测量并记录。采用Nova NanoSEM 230型场发射扫描电子显微镜观察电刷磨损表面、对偶盘磨损形貌和磨屑，并使用EDS能谱仪对磨损表面进行微区元素分析。同时，采用美国Veeco Metrology公司生产的WYKO NT9100型光学轮廓仪扫描对偶盘磨损面的表面3D轮廓。

图1 Au9Ni刷丝测试装置和盘刷接触示意图

文中磨损率采用体积磨损率，其具体公式如下：

式中：vol为体积磨损率，m3/(N∙m)；Δ为实验前后的磨损体积，m3；为载荷，N；为滑动距离，m。

表1 大气下载流摩擦磨损实验参数

2 结果与分析

2.1 硬度对电接触性能的影响

图2为三种不同硬度的Au9Ni合金单丝电刷经载流摩擦磨损试验所获得的摩擦因数曲线和接触压降变化，三种不同硬度的单丝电刷拥有相似的摩擦因数变化规律：在摩擦初期，电刷材料的摩擦因数随滑动距离增加迅速上升；滑动1 h 后进入稳定期，电刷材料的摩擦因数逐渐趋于平稳且其平均摩擦因数分别为0.82，0.91和1.02。图3显示三种电刷的接触压降曲线整体较为平稳，说明均获得了较为稳定的电接触状态，不同之处在于平均接触压降随电刷硬度的增加而升高。上述现象源于实际接触面积随硬度上升而减少，导致接触电阻的增大，进而造成压降升高[9]。

此外，金属材料表面粘着和接触界面的不断变化，导致Au9Ni电刷在对偶盘表面会产生间断的微小跳动，该现象被称为跃动现象[9]。Au9Ni电刷硬度的降低会加剧粘着磨损和增大接触面粗糙程度，削减刷丝的接触面积，最终摩擦因数和接触压降的波动均随刷丝硬度的降低而加剧[9]。跃动现象的发生会导致接触界面微小区域的物理性分离，易引发金合金电刷的电蚀，造成接触压降波动增加，FURRY等[10]对多种金属的滑动电接触性能进行研究也得到了相似的结果；电刷硬度的提高会减少实际接触面积并抑制滑动过程中的跃动现象，降低其摩擦因数和接触压降的波动 幅度。

滑动电接触噪声值用于表征材料的电接触平稳性[11]，主要受摩擦副实际接触面积动态变化影响。图4为Au9Ni刷丝硬度对电噪声的影响规律。随电刷硬度增加，滑动电噪声RMS值由6.15 mΩ降至3.37 mΩ，与接触压降平稳性具有相似的规律，说明电刷硬度对电接触稳定性亦有较大影响。此外，为进一步表征材料的磨损情况，对摩擦后的刷丝和对偶盘滑道进行了三维轮廓测定，并依据公式(1)进行磨损率计算，结果如表2所列，Au9Ni硬度由230.51 HV增加至270.34 HV，刷丝的磨损率降低了70.7%，对偶盘的磨损率反而上升了213.0%，配副硬度差异过大会显著减少导电滑环的服役寿命。

图2 Au9Ni与Au35Ag5Cu的摩擦因数曲线

2.2 硬度对电刷磨损形貌及三维轮廓的影响

A刷和C刷接触前端的微观形貌如图5所示。图5(a)和(b)为A刷在载荷为0.30 N、转速为60 r/min下的磨损表面，可观察到刷丝沿滑动方向发生了严重的塑性变形，形变后的金合金被挤向两侧；在磨损表面中心区域出现大量的鳞片状形貌，表明金合金电刷存在明显的粘着磨损。当电刷硬度增加至270.34 HV时，C刷磨损表面较为光滑、表面塑性流动减弱且表面无明显电蚀现象，同时其磨损表面发现了大量的犁沟。加工硬化生成的硬质化合物在摩擦力的作用下不断刮擦磨损表面，使材料由粘着磨损转变成由犁削和粘着组成的复合磨损形式[12]。

图4 Au9Ni与Au35Ag5Cu的电噪声曲线

在BROWN等[13−14]的研究中也出现了与图5(d)类似的形貌，XIAO等[15]认为表面电蚀的产生会改变纤维电刷滑动电接触行为，使电噪声数值升高；这与本实验的结果基本保持一致。由以上分析可知，Au9Ni丝刷的硬度是通过改变电刷磨损表面微观形貌从而影响其载流摩擦行为，提高刷丝硬度可有效改善其耐磨性。

表2 三种电刷跑合后的平均摩擦因数、平均电压降和磨损率

图5 Au9Ni电刷前端的SEM形貌

A刷和C刷磨损表面的接触后端微观形貌如图6所示，电刷后端与前端的磨损形貌相似，但塑性流动和铺展更为显著。同时从图6(a)和(b)可观察到A刷后端磨损表面的边缘区存在明显的材料剥落，与图5(b)对比可知A刷后端表面更加粗糙，放电现象反而有所减轻，呈现典型的船头效应现象[16]。说明两接触材料脱离时，表面材料受粘滞力作用而发生了拖拽形变，进而加剧了材料的塑性变形。高硬度的C刷阻碍其塑性变形，故当两滑动接触材料脱离时发生了显著的物理性分离并加剧放电的形成，因此在微观形貌上表现为表面较为光滑，而表面电蚀现象加剧；EDS能谱结果也印证了A刷和C刷磨损表面Ag质量分数存在较大差异。SEM结果表明由对偶盘向丝刷表面的材料转移是减轻电刷磨损的重要因素，随Au9Ni合金硬度增加，电刷材料抵抗塑性变形能力提高，其磨损面更为光滑。

图7所示为刷丝磨损表面的3D轮廓图。其中图7(a)、(b)分别为A刷和C刷的磨损表面轮廓，从图7中可以看出，刷丝硬度的增加导致表面粗糙度从1.1 μm降至0.57 μm，表面粗糙高度分布更为均匀。从图7(a)可观察到，中心区向边缘区域的高度由2.99降至−1.0 μm。图7(b)中表面更加光滑，磨损面高度主要在0.50 μm。表明硬度增加使刷丝磨损表面高度更趋于一致，接触面粗糙度的降低有利于提高接触稳定性。

图6 Au9Ni电刷后端磨损形貌及对应区间的EDS能谱

2.3 硬度对对偶盘磨损表面形貌及三维轮廓的影响

图8为Au35Ag5Cu对偶盘与A刷和C刷经载流摩擦后滑道磨损表面形貌及其微区EDS元素分析。由图8(a)和(b)可知，与A刷配合的对偶盘磨损表面较为粗糙，存在显著的电弧烧蚀坑且面积较大。此外，与高硬度C刷配合的对偶盘磨损表面较为光滑，并在磨损表面发现显著犁沟(图8(c)和(d))，其与C刷磨损表面形貌相似。同时，采用EDS能谱仪对所指磨损表面进行元素分析，结果表明：磨损区域均主要以Au为主，然而Ag、Ni元素质量分数在两磨损表面差异较大。e区Ag的质量分数仅为21.09%，其值远低于基体材料的35.0%，Ni元素的质量分数为2.27%；而f区Ag元素的质量分数较高(28.59%)，与基体材料的元素质量分数较为接近，且Ni元素的质量分数仅为0.9%。其原因在于低硬度Au9Ni合金电刷在滑动过程中易发生塑性变形，在粘着力的作用下更容易向对偶盘表面转移，因此对偶盘表面具有更高的Ni元素质量分数。

图7 Au9Ni刷丝磨损面3D轮廓形貌

(a) A brush; (b) C brush

图8 Au35Ag5Cu对偶盘滑道磨损形貌及对应区间的EDS能谱

(a), (b), (e) A brush; (c), (d), (f) C brush

图9(a)、(b)分别为与A刷、C刷配合后的对偶盘磨损表面3D表面轮廓。由图9(a)可知，磨损表面边缘区存在较多的毛刺凸点，中心区域存在较大的塑性粘着凸起，该磨损表面凸起的塑性变形区可能是由A刷表面转移而来；而随Au9Ni合金硬度增加，硬度较小的对偶盘表面材料转移至C刷表面并在对偶盘表面留下了一些“凹坑”(见图9(b))。对偶盘的表面粗糙度Ra也同样存在显著的差异，较低的表面高度起伏有利于减轻刷丝的跃动现象，因而能降低电噪声和接触压降波动幅度(见图4和3)，这与TSUCHIYA等[16]的研究结果基本一致。

图9 Au35Ag5Cu对偶盘磨损面3D轮廓形貌

(a) A brush; (b) C brush

3 结论

1) 随电刷硬度从230.51 HV增加到270.30 HV，材料的平均摩擦因数和接触压降分别由0.82，46.42 mV提高至1.03，98.72 mV，电刷的滑动电接触噪声从6.15 mΩ降至3.37 mΩ，同时电刷和对偶盘表面粗糙度分别从1.10 μm和18.00 μm降至0.57 μm和8.82 μm。

2) Au9Ni刷丝硬度的增加会加剧对偶盘表面的材料转移，滑动过程中的加工硬化所产生的高硬度化合物导致摩擦行为由粘着磨损向犁削−粘着复合磨损转变。

3) 电刷硬度的增加能有效降低磨损表面粗糙度，从而显著改善其摩擦因数、接触压降、电噪声的稳 定性。

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Effect of brush hardness on electrical contact and tribological behavior of Au9Ni against Au35Ag5Cu disc

QU Qiang1, ZHOU Xiong2, LUO Bo2, ZHANG Lei2

(1., Beijing 100000, China; 2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The Au9Ni alloy wires with hardness of 230.51, 251.93 and 270.30 HV were used as the research objects. The current-carrying wear mechanism of the Au9Ni alloy wire was studied, and the relationship between hardness and its current-carrying friction and wear behavior has also been explored in atmospheric. The results show that the brush hardness has an important influence on their tribological properties of the atmospheric current. As the brush hardness increased from 230.51 HV to 270.30 HV, the average friction coefficient and contact voltage drop of the material increased from 0.82, 46.42 mV to 1.02, 98.72 mV, respectively, and during the friction period, bouncing is weakend by increased hardness the electrical noise (RMS) decrease from 6.15 mΩ to 3.37 mΩ that means the curve of friction and contact stability were improved. With the increase of hardness, the roughness of worn surface () decrease from 1.10 μm to 0.57 μm the wear mechanism of brush with hardness of 230.51 HV is mainly adhesive wear. As the brush hardness increases, the wear mechanism gradually evolves into a composite wear mechanism with adhesive wear and abrasive wear.

gold alloy; hardness; electrical sliding; friction coefficient; contact voltage drop; wear mechanism

TG146.3

A

1673-0224(2019)04-321-08

国家自然科学基金资助项目(51627805)

2019−03−01；

2019−04−21

张雷，研究员，博士。电话：13975801816；E-mail: zhanglei@csu.edu.cn

(编辑 高海燕)