相对滑动速度对铜-石墨复合材料载流摩擦性能的影响

杨正海，上官宝，孙乐民，张永振

(河南科技大学 a.高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室；b.材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

铜-石墨复合材料具有良好的导电导热性能和减摩耐磨性，是一种较为理想的载流摩擦材料，广泛应用在轨道交通、电力电子和自动控制等工业领域[1-3]。铜-石墨复合材料的服役性能受到材料特性、服役工况和环境气氛等多重因素的影响[4-7]。

相对滑动速度作为载流摩擦副的关键服役条件之一，对服役性能有重要影响。文献[8-9]的研究表明：随着相对滑动速度的提高，载流摩擦副的摩擦因数变化较复杂，材料磨损率不断增大，载流质量恶化。相关机理研究认为，磨损面上存在机械磨损和电弧侵蚀[10-12]，但仅仅停留在定性研究层面，且对摩擦面上不同区域行为不同的问题，少见报道。

本文以电力机车滑板和接触线摩擦副为背景，采用市售铬青铜(QCr0.5)与自制铜-石墨粉末冶金复合材料配副，考虑载流摩擦行为的不均匀性，研究相对滑动速度对铜-石墨复合材料载流摩擦性能的影响。

1 试验

1.1 试验设备与方法

图1 试验设备示意图

载流摩擦试验在自制的HST-100型高速载流摩擦试验机上进行，试验设备示意图如图1所示。摩擦副为销盘式，电动机通过带传动带动盘试样旋转运动，液压加载系统将销试样压在旋转的盘试样上形成相对滑动。电流从电源流出，经过一个销试样和盘试样，从另一个销试样流回。销试样的直径为10 mm，两销中心距为160 mm。

载流摩擦试验后，用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(scanning electronic microscopy，SEM)观测销试样的磨损面，用NanoFocus AG型三维形貌仪分析销试样磨损面的形貌。

试验前，采用600#砂纸对销试样和盘试样进行10 min的预磨，每个试验重复3次，除部分动态数据外，其他数据均采用3次试验的平均值。

试验中，使用由摩擦因数和失质量法测量的质量磨损率表征摩擦磨损性能，使用载流效率和载流稳定性表征载流性能。载流效率为实测电流的平均值与给定电流的百分比，载流稳定性S无量纲，其值越小，电流越稳定，载流稳定性越好[7]。

1.2 试验材料及制备

销试样采用自制的铜-石墨复合材料(石墨质量分数为10%)，盘试样为市售铬青铜(QCr0.5)。铜-石墨复合材料由电解铜粉和鳞片状天然石墨粉采用钟罩炉粉末冶金制备。铜粉的质量分数大于99%，石墨的质量分数大于99%，粉末粒度均为75 μm。粉末冶金工艺：将按质量配比称量的两种粉末，加入等总质量直径为5 mm的纯铜球，V型混料机混料18 h。然后，以 360～380 MPa的载荷压制得到柱状坯体。接着，用钟罩炉在氢气保护下860 ℃烧结，升温速度为3 ℃/min，保温1 h，随炉冷却。最后，对烧结好的材料用320～360 MPa的压力进行复压。

2 结果与讨论

2.1 不同相对滑动速度条件下铜-石墨复合材料的载流摩擦性能

图2为传导电流120 A、载荷70 N的条件下，不同相对滑动速度下的摩擦因数曲线。从图2中可以看出：所有的摩擦过程均快速地完成“跑合”，进入稳定摩擦磨损阶段；随着相对滑动速度的增加，平均摩擦因数从0.233增加到0.274，摩擦因数的标准差从10 m/s时的0.048 8增加到40 m/s时的0.063 2，即摩擦因数的波动程度增加。摩擦因数取决于摩擦面上的机械摩擦过程，因此，试验结果表明：随着相对滑动速度的增大，摩擦过程的平稳程度变差。

(a) 相对滑动速度10 m/s (b) 相对滑动速度20 m/s

(c) 相对滑动速度30 m/s (d) 相对滑动速度40 m/s

图3给出了载荷70 N条件下不同相对滑动速度的摩擦磨损性能曲线。图3a为平均摩擦因数曲线，由图3a可以看出：随着相对滑动速度的增加，配副的平均摩擦因数升高，趋势平缓，而且，传导电流为120 A的平均摩擦因数略大于传导电流为60 A的平均摩擦因数。图3b为销试样的磨损率曲线，由图3b可以看出：随着相对滑动速度的增加，磨损率先缓慢增加，当相对滑动速度超过30 m/s后急剧增大；120 A时，在相对滑动速度不超过30 m/s的条件下，磨损率比60 A的略大，相对滑动速度超过30 m/s后，明显大于60 A的磨损率，且两者的差距随着相对滑动速度的增加而增大。随着相对滑动速度的增加，摩擦副运行过程中的冲击和振动增加，导致平均摩擦因数略有增加。随着传导电流的增加，摩擦面接触电阻热增加，摩擦副运行过程中更容易发生黏着，因此120 A时平均摩擦因数略大。铜-石墨复合材料的磨损主要包括机械磨损和电弧侵蚀，由于石墨在磨损面上的良好润滑作用，导致不同试验条件下机械磨损的差别不大。随着相对滑动速度的增加，电弧侵蚀越来越严重，相对滑动速度低于30 m/s时，电弧侵蚀在磨损率中的比例较小，当相对滑动速度超过30 m/s后，电弧侵蚀导致的材料损伤越来越严重，表现为磨损率急剧增加。随着传导电流的增大，电弧侵蚀越来越严重，所以，高速大电流条件下材料的磨损率大。

(a) 平均摩擦因数 (b) 磨损率

图4给出了载荷70 N条件下不同相对滑动速度的载流性能曲线。由图4a可以看出：随着相对滑动速度的增加，载流效率有波动，但幅度很小，载流效率的所有数值均在82.0%～83.2%，传导电流为120 A的载流效率比60 A的略好。由图4b可以看出：随着相对滑动速度的增加，载流稳定性的变化很小，所有数值均在82.9%～86.8%，传导电流为120 A的载流稳定性比60 A的略差。相对滑动速度对试验条件下的载流效率和载流稳定性的影响不明显，其原因是，摩擦面上发生的导电行为包括接触导电和电弧导电两种，其中，接触导电与导电斑点的导电能力和数量有关，当导电斑点的数量超过一定数目时，其接触导电能力变化不大。随着传导电流的增大，摩擦面上电阻热增加，接触点材料的强度降低，更容易发生黏着。强度降低导致在相同接触压力条件下，导电斑点的数量增加，当导电斑点超过一定数值后，对摩擦副的导电能力略有改善。摩擦面的黏着导致摩擦副运行波动有增大的趋势，进而导致载流稳定性变差。

(a) 载流效率 (b) 载流稳定性

2.2 不同相对滑动速度条件下铜-石墨复合材料的载流摩擦行为

图5为传导电流120 A和载荷70 N条件下不同相对滑动速度的宏观磨损面照片，所有磨损面的摩擦方向为自左向右。从图5中可以看出：所有表面均可分为电弧侵蚀为主的区域(图中虚线包围区域)和机械磨损为主的区域，电弧侵蚀区域一般分布在磨损面尾部边缘。图5a～图5d中电弧侵蚀区域占总面积的比值分别为3.75%、6.63%、9.30%和15.48%，随着相对滑动速度的增加，电弧为主的侵蚀区域的面积增加。载流摩擦过程中，电弧萌生概率较高的区域为磨损面的尾部，摩擦面的相对滑动导致电弧向尾部运动，甚至拉出摩擦面，出现在销试样的圆柱面上[13]。电弧侵蚀区域面积反映了电弧侵蚀的程度，因此，可以认为随着相对滑动速度的增加，电弧增加，其侵蚀作用也增加[14]。

(a) 10 m/s (b) 20 m/s (c) 30 m/s (d) 40 m/s

图6为不同相对滑动速度条件下磨损面不同部位的三维形貌图。传导电流120 A，载荷70 N，相对滑动速度30 m/s条件下，销试样靠近磨损面头部的区域形貌比较平整，表面有明显的犁沟痕迹和碾压塑性变形形貌，可以认为磨损面的头部主要以机械磨损为主，如图6a所示。图6b～图6d为传导电流120 A，载荷70 N，相对滑动速度分别为20 m/s、30 m/s和40 m/s条件下，靠近磨损面尾部的区域形貌，其中，图6b表面存在少量细小近似球状、半球状和犁沟的形貌，图6c表面存在大量近似球状和半球状形貌，图6d中近似球状和半球状形貌的直径进一步增大。磨损面尾部区域的球状和半球状形貌形成的原因是，石墨和铜完全不润湿，电弧侵蚀导致磨损面金属熔化，电弧熄灭后熔化金属凝固成不同形状的金属颗粒[15]。由图6可知：随着相对滑动速度的增加，磨损面尾部的电弧侵蚀痕迹越来越多，侵蚀越来越严重。对比电弧侵蚀表面和机械磨损表面可以看出：电弧侵蚀表面更加粗糙。

(a) 30 m/s，头部 (b) 20 m/s，尾部 (c) 30 m/s，尾部 (d) 40 m/s，尾部

测量了不同相对滑动速度条件下磨损面不同区域的表面粗糙度，结果见表1。从表1可以看出：在头部和中部区域表面粗糙度为4.17～16.80 μm，这些区域均主要为机械磨损区域；在尾部区域，表面粗糙度为15.17～78.00 μm。而且，尾部区域的表面粗糙度有随着相对滑动速度的增加而增加的趋势，相对滑动速度为10 m/s时，其值为15.17 μm，相对滑动速度为40 m/s时，其值为78.00 μm。载流摩擦造成表面粗糙化，电弧侵蚀导致的表面粗糙化比机械磨损严重。随着相对滑动速度的增加，电弧侵蚀造成的表面粗糙化加强，这一现象也证明了电弧侵蚀随相对滑动速度的增加而加剧。

表1 不同相对滑动速度条件下磨损面不同区域的表面粗糙度 μm

图7为磨损面头部机械磨损区域的SEM照片，摩擦方向为自右向左。从图7中可以看出：机械磨损的主要磨损形式为犁沟和碾压塑性变形[13,16-17]，而且，随着相对滑动速度的增加，碾压塑性变形的程度先增加后降低，在30 m/s条件下碾压塑性变形程度最高。在机械磨损过程中，铜-石墨复合材料中的石墨在摩擦面上形成石墨膜，润滑良好，阻止黏着发生，所以，硬点压入后表面犁沟和软材料被碾压发生塑性变形。随着相对滑动速度的增加，磨损面的热量增加，材料的强度降低，碾压塑性变形更加容易，超过30 m/s后，由于强度过低，导致塑性变形程度降低。

(a) 20 m/s (b) 30 m/s (c) 40 m/s

图8给出了传导电流120 A和载荷70 N条件下不同部位电弧侵蚀的SEM照片。从图8中可以看出：磨损面上出现金属熔化后凝固的痕迹，包括球形、半球形和橄榄形等形状。其中，图8a中凝固的金属出现在销试样的圆柱面上，磨损面上没有明显的凝固痕迹；图8b所示的磨损面上分布着大量的凝固金属颗粒；图8c中销试样的圆柱面和磨损面上均分布大量的凝固金属颗粒。随着相对滑动速度的增加，磨损面上凝固金属颗粒的直径和数量均增加。痕迹形成的原因是，电弧烧蚀后导致铜熔化，铜与石墨不润滑，铜液冷却收缩凝固。形成球状的大小与收缩区域液态金属量相关。随着相对滑动速度的增加，电弧侵蚀加剧。销试样圆柱面上出现了凝固的金属颗粒，是电弧被拉出摩擦面后，对销试样侧壁烧蚀形成的[18]。

(a) 10 m/s (b) 20 m/s (c) 40 m/s

3 结论

(1)随着相对滑动速度的增加，铜-石墨复合材料的摩擦因数平均值略有增加，波动增加；磨损率先略有增加，当相对滑动速度超过30 m/s后急剧增加，且传导电流越大，增加越显著；在试验条件内，相对滑动速度对载流性能的影响不大。

(2)磨损面可以分成机械磨损区域和电弧侵蚀区域，电弧侵蚀区域在总面积中占比不高，在40 m/s条件下达到最大，为15.48%。机械磨损主要形式为犁沟和碾压塑性变形。电弧侵蚀主要形式为熔融，主要分布在磨损面尾部靠近边缘位置，且随着相对滑动速度的增加，电弧侵蚀增加。

(3)机械磨损和电弧侵蚀均使表面粗糙化，电弧侵蚀表面的粗糙化程度更加严重，在40 m/s条件下其表面粗糙度达到78.00 μm。