（材料学专业论文）cucrzr合金及纯铜的电接触滑动磨损性能的研究.pdf

塑錾大学硕主堂笪堡塞登丝垄! ! 0 0 望! l 月c u c r z r 合金及纯铜的电接触滑动磨损性能的研究 摘要 y o 3 主主 本研究设计组装了销盘式电接触滑动磨损机，实验表明磨损机满足实验的 功能要求，运行可靠、稳定，实验数据重复性好，可以成功应用于材料的电接 触滑动磨损研究。对纯铜和c u c 卜z r 的电接触滑动磨损性能的研究结果表明： 电接触滑动磨损的机理是熔焊粘着磨损、电侵蚀磨损及磨粒磨损，它们的磨损 量随滑动距离的增加呈线性增加。本文讨论了电流、载荷、速度对电接触滑动 磨损性能的影响：研究了电流、时效处理对c u c 卜z r 合金黄铜电接触滑动磨损 性能的影响。 ，7 丫纯铜黄铜和纯铜石墨对磨时纯铜样品表现出了不同的耐磨性，与石墨对磨 时由于有石墨转移到纯铜表面，形成表面膜，石墨具有良好的润滑性，只发生 了轻微的磨损，而与黄铜对磨时发生了严重的磨损( 同等条件下比与石墨对磨 大6 3 5 倍) 。 随着电流的增加，纯铜的磨损量也增加，与之对磨的石墨的磨损量迅速增 加，与之对磨的黄铜的磨损量增加相对平缓，各样品单位距离的磨损量也随之 增加。并且，纯铜黄铜和纯铜石墨两种摩擦副中各样品的磨损量与滑动距离呈 线性关系。 在其它条件不变的情况下，随载荷的增加，纯铜的磨损量减少，与之对磨 的黄铜的磨损量增加，材料的转移起了主要作用。在其它条件不变的情况下， 随速度的增加，纯铜黄铜摩擦副中两种样品的磨损量都增加，表现为单位距离 的磨损量快速增加。 纯铜样品的磨损机理有粘着磨损、电侵蚀和磨粒磨损等，表现形式有焦耳 热、电弧和摩擦生热引起的材料熔焊、材料的转移和材料的氧化。磨损方式有 对磨面切削引起的脱落和粘着磨损导致的表面塑性变形、转移膜断裂后的脱落。 时效状态对c u c r - z r 合金的电接触滑动耐磨性有很大的影响，其磨损率与 时效硬度有对应关系，硬度越高，磨损率越小。变化规律是随着时效温度的提 高，磨损率逐渐下降，经5 0 0 c 时效处理的样品有最低的磨损率；随时效温度 的进一步升高，磨损率持续增大。在无电流的条件下，样品磨损率的变化与时 效温度的提高之间没有对应关系。 浙江大学硕士学位论文 孙继龙2 0 0 0 年1 1 月 c u - c r - z r 台金厦墼期鳗皇鲎墅塑麴童塑壁丛塑堕壅 随着电流的增加，c u c r - z r 合金的磨损量增加，与之对磨的黄铜的磨损量 也增加。c u c r z r 合金和黄铜的磨损量均与滑动距离有线性关系。 与c u a g 合金导线材料( c t h a l l o ) 比较，在相同的电接触磨损条件下，c u c r z r 合金有较好的耐磨性。c u c r - z r 合金样品的磨损机理有粘着磨损、电侵蚀 及磨粒磨损等。磨损方式有粘着磨损导致的表面材料塑性变形、形成转移膜及 1 其断裂脱落，沟槽犁耕和磨粒切削引起的脱落、氧化皮脱落等。，j 【关键词】 电接触，滑动磨损，c u - c r - z r 合金，纯铜 2 塑坚奎兰堡圭堂垡堡塞坠壁垄! ! ! ! 堡! ! 旦 曼! ：! ! ! ! 鱼全墨垫塑盟皇垄堂! 量型堕塑丝丝堕! ! 翌 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ep i n o n d i s ke l e c t r i c a l c o n t a c ts l i d i n gw e a l a p p a r a t u s ， w h i c hr a i ls t a b l ya n dw a sd e m o n s t r a t e dt ob eu p t ot h ee l e c t r i c a lc o n t a c ts l i d i n gw e a r e v a l u a t i o n t h e e l e c t r i c a lc o n t a c t s l i d i n g w e a rb e h a v i o r o f c o p p e r b r a s s ， c o p p e r g r a p h i t ea n dc u - c r z ra l l o y b r a s sh a db e e ns t u d i e d ，a n dt h er e s u l t s s h o w e d t h a tt h ew e a rm e c h a n i s m sm a i n l yw e r ea d h e r ew e a r ，a r ce r o s i v ea n da b r a s i v ew e a r a n dt h a tt h e r ew a sal i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nt h ew e a rl o s sa n ds l i d i n gd i s t a n c e t h e e x p e r i m e n t sp r e s e n t e d t h ee f f e c t so fc u r r e n ti n t e n s i t y , l o a da n d s p e e d o nw e a r p r o p e r t i e so fc o p p e r b r a s sa n dc o p p e r g r a p h i t ea n d t h ee f f e c t so fc u r r e n ti n t e n s i t ya n d a g i n g t r e a t m e n to nc u - c r z ra l l o y b r a s sw e a rb e h a v i o r t h ew e a rl o s so f c o p p e rs l i d i n go ng r a p h i t ew a s s m a l l e rt h a nt h a to nb r a s si nt h e s a l n ec o n d i t i o n t h er e a s o nw a st h a t d u r i n g t h ew e a r p r o c e s sg r a p h i t el a y e r t r a n s f e r r e dt ot h es u r f a c eo fc o p p e ra n dp r o d u c e dt h e g r a p h i t e f i l mt h a tw a s l u b r i c a t i v ea n dr e d u c e dt h ew e a l s e v e r ew e a rh a p p e n e dw h e np u r ec o p p e rs l i do n b r a s s ，a n dt h ew e a r l o s so f c o p p e rw a s6 - 3 5t i m e st h a nt h a to f c o p p e ro n g r a p h i t e w i t ht h ei n c r e a s eo fc u r r e n ti n t e n s i t y , t h ew e a rl o s so f c o p p e ri n c r e a s e d ，t h ew e a r l o s so fc o r r e s p o n d i n gg r a p h i t ei n c r e a s e dr a p i d l yw h i l et h a to fc o r r e s p o n d i n gb r a s s i n c r e a s e ds l o w l y t h ew e a rr a t e ( 1 0 s sp e r k i l o m e t e r ) i n c r e a s e d ，t o o w i t ht h ei n c r e a s eo fl o a d , t h ew e a rl o s so ft h ec o p p e r s l i d i n go nb r a s sd e c r e a s e d ， a n dt h a to fb r a s si n c r e a s e d m a t e r i a lt r a n s f e rp l a y e dam a i nr o l ei nt h ep h e n o m e n a w i t ht h ei n c r e a s eo f s p e e d ，t h ew e a r l o s so f c o p p e ra n d b r a s sb o t hi n c r e a s e d ，a n dt h e w e a r r a t e ( 1 0 s sp e rk i l o m e t e r ) a l s oi n c r e a s e dr a p i d l y u n d e rt h ec u r r e n tc o n d i t i o n , a g i n gt r e a t m e n t p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l eo nt h ew e a r b e h a v i o ro fc u - c r z ra l l o y s a m p l e s t h e r ew a sac o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e n w e a rr a t ea n dh a r d n e s s ，a n dt h eh i g h e r h a r d n e s s ，t h eb e t t e rt h ew e a rp r o p e r t y w i t ht h e i n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，t h ew e a rr a t eo fc u - c r - z ra l l o ys a m p l ei n i t i a l l yd e c r e a s e d a n da f t e r r e a c h i n g t h em i n i m u ma t 5 0 0 ，m ew e a rr a t ei n c r e a s e da t h i g h e r t e m p e r a t u r e s u n d e rt h ec o n d i t i o no fn oc u r r e n t ，t h e r ew a sn ot h i s c o r r e s p o n d i n g 3 塑堑盔兰塑主堂堡堡壅坠丝垄! ! 塑笙! ! 旦 ! ! ：里! 垒鱼垒垦丝塑盟皇鲎丝塑垫曼塑堂堂塑堕基 r e l a t i o nb e t w e e n t e m p e r a t u r ea n dw e a r r a t e w i t ht h ei n c r e a s eo fc u r r e n ti n t e n s i t y , t h ew e 日t rl o s so fc o p p e rs a m p l ea n db r a s s s a m p l eb o t hi n c r e a s e d t h ew e a rl o s s o fc o p p e ra n db r a s ss a m p l e sb o t hi n c r e a s e d l i n e a r l yw i t l l t h ei n c r e a s eo ft h es l i d i n gd i s t a n c e c o m p a r e d 谢t 1 1c u a g ( c t h a l1 0 ) ，u n d e rt h e s a n l ec o n d i t i o n ，c u c r z r a l l o y s a m p l ep r e s e n t e db e t t e rw e a r b e h a v i o r t h ew e a rm e c h a n i s m s o f c o p p e r a n dc u c r - z r a l l o ys a m p l e sm a i n l yw e r ea d h e s i v ew e a r , a r ce r o s i v ea n da b r a s i v ew e a r j o u l eh e a t ， a r ca n df r i c t i o nh e a tl e dt ot h ea d h e s i o n t r a n s f e ra n do x i d a t i o n t h ew e a l m a n n e rw a s t h ew e a l s u r f a c e p l o u g h i n g ，c u t t i n ga n d d i s f o r m a t i o n f r a c t u r el e db ya d h e s i o n k e y w o r d s e l e c t r i c a lc o n t a c t , s l i d i n gw e a r , c u - c r - z r a l l o y , c o p p e r , a g i n gt r e a t m e n t 4 1 1 引言 第一章绪论 新材料，作为当今工业界的支柱性产业，它的发展牵动着世界科技的每一 根神经，为了赶上科技发展潮流，世界各国在材料方面都投入了巨额资金。 铜基合金以其高导电性、高强度、耐腐蚀、抗强磁场等性能得到了许多领 域的青睐，广泛应用于电子、电器及与导电相关的其他工业领域。7 0 年代以 来，国内外对铜合金进行了大量的开发和研制，到现在为止，许多新型的铜基 合金已经问世。 本文的研究对象为铜基合金的电接触滑动磨损。通过模拟实际铁路电力机 车馈电弓与馈电网之间的工况条件，制作电接触滑动磨损试验机：通过不同铜 基合金副的电接触滑动磨损实验，探讨铜基合金电接触滑动磨损的影响因素： 研究铜基合金的电接触滑动磨损机理，指导新型铜基合金材料的研制开发。 下面就电接触滑动铜基合金的材料研究现状、金属材料电接触滑动磨损的研究 进展和铜基合金电接触滑动磨损的研究成果作一简要的回顾。 1 2电接触滑动铜合金的材料研究与应用现状 1 2 1 电接触滑动铜合金的制各方法 目前用来制备电接触滑动铜合金的方法主要有以下几种： ( 1 ) 粉末冶金法【l 】 粉末冶金法基本分为三个步骤：粉末的制各及预处理、致密化成型加工和 烧结。烧结是在保护气体中( 或在真空里) 对致密坯体中的粉末颗粒进行高温 加热处理。烧结时经过不同过程，从热力学意义上讲，初态和终态的自由能之 差是这些过程的推动力。从宏观上看，烧结体的尺寸变化和物理性能的变化均 浙江大学硕士学位论文孙继龙2 0 0 0 年1 1 月羔生竺! 垄鱼垒垄丝塑塑皇堡墅塑垫壁塑丝壁堕塑塾 其中铜石墨广泛用做输电用的滑动触头和滑动电刷，这种材料的抗熔焊性能 很好，受到电弧作用时，材料损耗仅有一小部分是由于熔焊铜喷溅造成的，大 部分是在蒸汽状态损耗掉了。 ( 2 ) 热处理法【2 1 在开发铜基导电合金的初期和实际生产中，普遍采用这种方法。固溶处 理使合金元素固溶于铜基体中，提高了材料的强度，但同时恶化了材料的电导 性。在随后的时效处理中，大部分合金元素以第二相形式从固溶体中沉淀析出， 既提高了材料的电导率又因为发生沉淀硬化而保持了材料的高强度。但这种制 备方法所制得的铜基体中仍有较多的合金元素以固溶方式存在，电导性的提高 受到限制。 ( 3 ) 形变热处理法 在普通热处理法的基础上，但如果同时结合形变强化，即采用固溶处理 后经冷变形再时效的形变热处理法，能有效地提高材料的综合性能。r i g h t r n 1 3 1 研究发现，变形过程可使位错密度持续增加，合金的强化与位错密度的平方根 成正比。董志力等研究了冷变形对c u z r 、c u z r s i 时效析出特性的影响，认 为适当的冷变形促进固溶原子z r 沿位错析出，使电导率在时效处理后得到较 大的提高，并且析出物对位错的钉扎作用减缓了回复及随后的再结晶过程。还 有报道i s - 6 1 认为，预时效可使合金导电率增加。此外，材料经大的冷变形，可 能会出现变形织构，导致材料性能的各向异性f 7 _ ”。 ( 4 ) 快速凝固法( r s 法) 【”1 快速凝固法使合金的凝固极大地偏离平衡状态，使铜合金的固溶度大大 提高，从而提高了时效处理后的基体中的第二相含量，使沉淀相进一步弥散， 细化沉淀相，组织更细小均匀，有利于在保持高导电率的前提下大大提高合金 的强度。7 0 年代末，美国麻省理工学院的s a r i n m “1 等人用氮气雾化法制备c u z r 、c u z r c r 合金，冷却速率可达1 0 3 1 0 4 k s ，颗粒尺寸小于1 4 9 i a m ，z r 和c r 在铜基合金中富集，提高了锆和铬在铜合金中的固溶度。a n a n d i ”】等人用高压 氦气超音雾化法制备c u - c r 合金认为快速凝固技术不仅可以提高错在合金中的 固溶度，而且可以改善沉淀物在基体中的分布。 ( 5 ) 机械合金化法 2 塑坚查堂堡主兰垡堡塞 壁壁垄! ! 旦! 兰! ! 旦曼! ：竺! ：垄盒垒垦丝塑盟皇鲎墼塑堕塑丝堕塑至生! l 机械合金化技术是由美国i n c o 公司在六十年代末期开发的技术。它利用 高能球磨的方法，通过磨球与磨球之间、磨球与球罐之间的碰撞，使粉末反复 变形、冷焊与断裂，在此过程中，各组元通过扩散达到合金化。机械合金化法 开发铜基导电合金是近年来发展起来的新方法之一，由于在球磨中引入了大量 的位错、晶界等缺陷、严重的应变以及纳米级的微结构，具有常规方法无法比 拟的优点，利用这种方法开发的合金的硬度比常规方法开发的合金高，电导性 也优于常规方法开发的合金。丹麦t i a i n e n 3 】用机械合金化法制备c u 一1 5 。l n b 复合材料，研究表明在保持材料的高电导率的同时具有良好的高温力学性能且 热稳定性好。这种方法主要用于开发高导电合金，目前尚处于实验阶段，未进 入实际生产中。 1 2 2 电接触滑动铜合金的强化机理 根据电接触滑动铜基合金的制备方法可以看出，采用下列方式可以提高其 强度：固溶强化、冷变形强化、沉淀强化、s p i n o d a l 分解强化以及复合强化等。 固溶强化：当金属晶体中溶入溶质原子形成固溶体，可使其滑移临界切应 力显著提高，从而提高材料的弹性极限和屈服强度，称为固溶强化。固溶强化 时塑性还能保持在良好的水平上。强化的原因是合金元素溶入基体金属后，使 基体金属的位错密度增大，同时晶格发生畸变，畸变所产生的应力场与位错周 围的弹性应力场交互作用，使合金元素的原子聚集到位错线附近，形成所谓的 “气团”。位错要运动就必须克服气团的钉扎作用，带着气团一起移动，或者 从气团中挣脱出来，因而需要更大的切应力。 冷变形强化：金属材料在再结晶温度以下冷变形后材料被强化。经冷变形 强化的原因有两种，一种原因是位错密度随变形量增大而增加，位错间的交互 作用加剧，位错相互缠结并形成位错胞，出现亚结构，从而提高滑移临界切应 力，使合金强化；另一种原因是加工过程中产生相变，由冷变形强化和相变强 化综合作用所致。 沉淀强化：在固溶度随温度降低而减小的合金系中，当合金元素含量超过 一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体。在较低的温度加热( 即时效) ，过饱 浙江大学硕士学位论文孙继龙2 0 0 0 年i1 月c u ：垦丝! 盒金星丝塑塑皇董丝塑垫壁堡垡墼堕塑塾 和固溶体将发生分解，析出弥散相，并引起合金的强化，即沉淀强化。其强化 机理是存在的不同于基体成分的第二相。有的还与基体保持共格或半共格关 系，造成点阵内应变和共格应变，其应力场与可移动位错发生交互作用，阻碍 位错移动，提高i 临界滑移切应力，使合金得到强化。 s p i n o d a l 分解强化：s p i n o d a l 分解的过饱和固溶体分解的一种形式，但与 沉淀析出过程不同，它不需形核，通过母相浓度的周期起伏以及浓度波幅的连 续增大，而形成溶质浓度呈周期分布两相调幅组织f 】”。这两种不同的区域间保 持共格，所产生的周期变化的弹性应变场强烈地阻碍位错线的移动，而使合金 强化 9 , 1 0 i 。 实质上，以上几种强化手段都是通过合金化和各种工艺途径改变材料的组 织结构，从而提高其强度极限和其它机械性能指标的。了解了各种强化机理和 手段，就可以比较自由地研制新的电接触滑动铜基合金和充分发挥材料潜力。 在实际应用中，往往要综合二种或多种强化机制，以获得最佳的强化效果。在 实验中所采用的强化机制，就是冷变形强化、沉淀强化和弥散强化机制的结合。 按强化途径可将当前主要使用的铜基高导电合金分为以下几类 1 5 t 7 】：1 经 过冷加工变形，再经低温退火后的形变强化型合金，如黄铜、磷青铜和德银( 白 铜) 等。这类合金的低温退火处理亦称低温退火硬化处理，因为它不是内部组 织的回复达到合金的软化，而是在组织回复的同时伴随着硬化，从而提高合金 的强度和硬度。这种硬化效应已在工业中应用，但其硬化机理尚不十分明了， 有待进一步探讨。有人认为这是由于退火时溶质原子与晶体缺陷产生化学的相 互作用。使缺陷周围的溶质原子浓度增高所致。2 经固溶处理、冷加工成型， 再经时效处理的沉淀强化型合金( 析出强化型合金) ，如铍青铜、钛青铜等。 这类合金是依靠时效处理时析出第二相而达到硬化的。3 调幅分解型合金 ( s p i n o d a l 分解强化型合金) ，如c u - n i s n 系合金。s p i n o d a l 分解型合金的强 度指标接近镀青铜，且价格便宜、无公害问题，是一类新近发展的合金。4 微 粒弥散强化型合金，指如c u f e p 、c u a 1 2 0 ，等合金通过第二相粒子弥散分布 于铜基体中，阻碍位错运动，从而提高了材料强度。这类合金强度高、导电性 和热稳定性好，是很有发展前途的一类合金。 1 ，3 金属电接触滑动磨损的研究进展 4 堑堑盔堂塑主兰垡笙塞 型! 堂垄! ! 旦! 堡! ! 旦兰! ：兰! ：垒盒垒壁丝塑竺皇董墼塑型堕塑丝垡堕堕 1 3 1 金属的滑动磨损 金属表面间的滑动过程大多不是连续运动，而是分为粘附( “冷焊”) 阶 段和滑动剪切阶段。多数情况下，粘附是由于两个金属表面弹性一塑性变形的 微峰间的粘附力所引起的。对金属内聚力起作用的原子间的晶格力，对金属间 的粘附也是决定性的m 】。当化学纯的金触头接触时，在过渡区如金内部的晶界 之间键合力才起作用。当不同的纯金属接触时，粘附力大多在这两种金属的内 聚力值之间。当然也有相反的例子【1 9 1 。当一种金属为电子施主，另一种金属为 电子受主时，会产生一种特别突出的粘附作用。金属互熔，即在接触区形成固 溶体的趋向，认为是形成强粘附力的一个判据1 2 0 ! 。这种估计与真空中无表面膜 的银铁系的实验相反，银铁系不存在相溶性，但却具有很强的粘附结合力 1 9 2 ”。 金属表面很难作到完全没有表面膜。因此，金属不是以晶格表面直接接触进行 滑动的，而大多是具有若干原子层的表面隔开的滑动。这样粘附力降低，因此 也使磨损显著减小。 粘附力会造成金属冷焊。在冷焊点即速度较高时产生的熔焊点必须在滑 移过程中重新分开，也就是被剪断。对形状和材料一致的互相滑动的金属，表 面范围发生均匀冷变形及冷强化( 只要冷强化是可能的) 。从统计上看，冷焊 桥的剪切破坏经常发生在两个滑动触头对内部的延性区里。结果是在中部发生 材料均匀地转移到对向触头上。对于非对称触头配对，如滑块一平面系统，这 种材料转移主要是从平面转移到滑块上。固定的对向触头在滑块运动方向上形 成金属舌片，次舌片使滑动触头对相互隔开1 2 0 , 2 2 - 2 4 】。在舌片上进行的滑动过程 一直持续到舌片交得不稳定并断裂为止。舌片材料发生极强烈的变形，对于多 数金属舌片硬度达到通常的最高硬度值的三倍( 2 5 , 2 6 1 。 根据k e l l 及m a h l e f 2 7 1 的研究，当熔焊区硬度超过两基体的硬度时，就形 成舌片。物体a 和b 本身的初始硬度如何并不重要。当滑轨达到了该材料配 对的最大硬度时，磨损机理突然变为明显的销钉磨损。粘附作用力对这种转变 过程起作用。这也适用于对应触头上的断裂舌片经常发生的冷焊。由于硬微粒 浙江大学硕士学位论文孙继龙2 0 0 0 篷11 旦曼! ：曼! ：垒盒全垦丝塑塑皇董墼塑垫壁堡竺墼壁竺墨 冷焊到表面上，触头表面的粗糙度与强度特性发生了变化| 2 8 1 。结果可能是增加 磨粒磨损。这种机理的特征是触头配对的两者或其中之一发生材料损耗。这取 决于配对的硬度之比及其微观粗糙度。这种磨损的特征是微观尖峰发生粘住和 断裂现象或者较软材料受较硬材料的微观尖峰作用形成沟谷。为了定量描述单 位行程的材料损耗a m ， a c h a r d 0 9 3 提出了如下公式： 曲：k & 3 p 式中，f n 是接触压力( 法向分力) ；p 是滑移压力：k 为所谓磨损系数，其值 在1 0 。与1 0 。7 之间。但这一关系式没有包括磨粒的平均粒度这个参数。为了估 计磨损粒子的影响程度，还必须考虑材料的自由表面能f 3 0 ”】。来自本系统或外 来的冷强化自由粒子，可影响磨粒磨损。最后，滑动过程中产生的摩擦热也能 引起摩擦机理的改变。微峰的局部温度可能达到1 0 0 0 。c 。尽管这个温度持续 时间通常只有几微秒，但也会在表面区产生明显的金相变化。因此两个金属摩 擦对的扩散过程变得容易，有可能在磨损性能发生改变的过渡区形成脆的金属 间的相。 剪切力与法向力在两个摩擦对进行滑移运动时起作用。对疲劳磨损，除 其它磨损机理外，主要是法向上的交变应力起作用1 2 7 0 2 。”。其结果是在表面范 围产生裂缝及形成促进磨粒磨损的自由粒子。 金属材料的腐蚀也是材料磨损消耗的一个原因。这就是所谓的腐蚀磨损、 氧化磨损或化学磨损i ”】。热力学上可能的化学反应可以受摩擦力作用而活化 1 3 5 。在许多情况下，固相化学反应所需的高化学能，既可由热能也可以由机 械能的形式供给。晶格形变( 存储的机械能) 和摩擦过程中产生的摩擦热能提 高了材料与周围的气态或液态介质的反应几率。摩擦化学反应可能改变表面范 围的强度，因而改变了滑动特性，并且有助于生成硫化层和氧化层。这种情况 适用于一般金属，而对于贵金属，化学反应则仅起次要作用。 对滑动过程起作用的由粘附、磨粒磨损、疲劳和腐蚀引起的磨损机理， 通常不是孤立起作用的。 在不同的环境下进行磨损时，摩擦副会发生结构或化学成分上的变化。 其中可能包括塑性变形，断裂，材料转移，机械混合，相变和氧化。研究者对 6 塑坚查兰堡主堂竺堡茎 型! 壁垄! ! ! ! 至! ! 旦 生：! 丝! 全垒墨丝塑盟皇塑型监堕丝塑盟型望塑! ! ! l 于不同的磨损提出了不同的方程式，并对摩擦系数、粘着现象、硬度的影响、 材料的转移以及裂纹的生成位置进行了比较广泛的研究。 随着对磨损过程的不断深入，虽然在摩损的控制方面已经取得了很大的 进步，但是对磨损过程的理解却发展很慢，这主要是到现在为止，对于磨损还 没有非常合适的精确的研究方法。如果关于磨损的方程能够包括材料的组成、 环境因素、几何形状、载荷、速度和表面情况，预测和控制磨损会非常方便。 但是，到目前为止所提出的各种磨损方程式中，大部分是线性的磨损方程式 印州，应用范围非常窄。而提出一个通用的磨损方程式，从实际的磨损事实出 发，几乎是不可能的，因为磨损过程可能包括了微观结构的突变与渐变，是一 个非常复杂的过程。 采用各种标定进行的实验表明，在滑动磨损的过程中，磨损的表面产生 了很大的塑性形变，并且在表面附近形成了非常明显的形变梯度。正如已经观 察到的亚结构变形 4 1 , 4 2 ，形变区域在塑性变形曲线的第四或第五阶段。由于粘 着和剪切不稳定性引起的材料转移在磨损开始不久就发生了。同时，一个机械 混合的过程也开始了，这个过程类似于机械合金化的开始阶段的球磨过程。结 果就在磨损表面产生了块状的或着覆上了一层纳米晶材料，这样，就产生了磨 屑物。这些磨屑与经滑动磨损机械混合的表面材料具有相同的组成、结构和硬 度。这个过程包括很多变量，包括环境因素的影响，每个因素都可能对磨损起 到控制作用。因此，建立一个适用于各种情况的方程式是非常不现实的，因为 它可能包括太多的参数而变得根本就不实用。 有许多理由把硬度和滑动磨损联系起来p 1 ，磨损过程中会产生微切削， 这是一个非常有效的破坏材料的方法。切削就意味着要刺入被磨损的材料，而 较硬的材料会抵制这种切削作用。k a t o 等c 4 “5 j 考察了刻痕器插入的程度、磨 损界面的剪切强度、插入角和滑动磨损过程中硬度比的联系。这些想法后来被 用于解释不同的纯金属在真空中销盘滑动磨损的结果。开始的时候，实验结果 非常令人不解，没有任何规律。难度主要在于表面上局部硬度非常不同。这也 是由不同的形变、加工硬化、材料转移和混合引起的。在磨损的初期，没有发 现盘销硬度比对磨损有特殊影响。但如果局部硬度发生变化则影响很明显。当 硬度比大于l 的时候，磨损率比较小。如果开始的时候磨损率比较小，经过一 浙江大学硕士学位论文孙继龙2 0 0 0 垒唑月堡! 兰! ：垒鱼垒墨丝塑堕皇堡丝燮塑堡皇塑至! 釜 段时间的滑动磨损之后，硬度比可能发生了变化，也会导致了非常严重的磨损。 当硬度比小于1 时，在磨损开始不久就会发生非常严重的磨损。这样，在销和 盘交换之后，也会观察到摩擦磨损的变化。 相同的关系可以在自磨损中看到。几乎已经在稳定接触状态的销或者摩 擦元素，更容易加工硬化，这样就必然会产生不良的硬度比( 盘销硬度比小于 1 ) ，从而使磨损表面非常粗糙，导致严重的磨损。一般对自磨损的解释是粘着 磨损，上面这种解释从另外一个角度解释了发生严重磨损的原因。 临界硬度比可能是o 8 而不是1 0 。结果应该与b o w d e n 和t a b o r 提出的 自然刮擦硬度值相一致。确定下滑动条件下这个临界硬度比还需要更多的实验 工作。 1 3 2 电接触的基本概念 “电接触”是研究固态导体与固态导体，固态导体与液态导体，固态或液 态导体与等离子体接触过渡区中的机械现象、电现象、热现象以及化学现象的 一个专门学科1 4 “。 工程应用中的电接触，其具体结构型式是各式各样的，但从接触工作的 原理上讲只有三类，即：固定接触，滑动接触和可分合的接触。固定接触在强 电中有母线的连接或铆接、输电线连接器、电缆头等。在弱电中有电子设备和 仪器中的插接件、连接器、塞子和插头等。滑动接触有开关中的滑动触头、变 阻器的滑动头、电机的电刷与滑环、电车的馈电弓与馈电线等。可分合接触有 各种开关电器和继电器的触头。 固定接触在工作中出现的主要现象和问题是：接触电阻、接触温升和接 触熔焊。滑动接触除上述问题外，还有接触元件之间的摩擦、润滑和磨损。可 分合接触在工作期间常出现电弧，电弧的热等离子体与接触元件相互作用，会 带来比固定接触和滑动接触严重得多的问题。因此，在三类型式的电接触中， 接触电阻、温升和熔焊是电接触普遍存在的共同问题，电弧是可分合接触中的 问题，除了这些问题外，滑动电接触还包括摩擦、润滑与磨损等特殊问题，所 以滑动电接触的过程研究起来很复杂。 塑坚盔兰堡主堂焦丝苎型! 壁垄兰q ! ! 生! ! 旦 曼! ：兰垒全垒墨丝塑堕皇堡丝塑垫璧塑堡墼塑至! 里 当电流通过两接触元件的接触内表面时，电流将集中流过那些极小的导 电斑点，因此在导电斑点附近，电流线必然发生收缩。如图1 - 1 所示。由于电 流线在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的路径增长，有效导电面积减小， 因此出现局部的附加电阻，称为“收缩电阻”。如果电流通过的导电斑点不是 纯金属接触，而是准金属接触，则电子因通过极薄的膜时还会遇到另一附加电 阻，称为“膜电阻”。这两部分附加电阻在电路上是串联相加的，这个附加的 总电阻称为接触电阻。 图1 - 1导电斑点附近电流线发生收缩效应 r c ：旦：旦 2 ad 式中r c 为收缩电阻，a ，d 为导电斑点的半径和直径，p 为接触元件材料的电 阻率。当电流通过导体与导体的接触处时，由于接触电阻的存在，在电流收缩 区两端必然出现一定的电压降，这个电压降称之为“接触压降”。同时，由于 接触电阻产生焦耳热，使收缩区的温度升高，常超过收缩区外导体的温度。导 电斑点上的温度超过收缩区外导体的温度的数值称之为斑点的“超温”。根据 电位温度理论，斑点的“超温”与“接触压降”成简单的函数关系 o ：堡 8 肋 式中0 为导电斑点的超温，u 为接触压降，助为接触导体材料的热导率与电 阻率乘积的平均值。 如果通过导体接触处的电流增大，或者接触电阻增高，则接触压降必然 相应增大，按上式所示的关系，导电斑点和收缩区内的温度也会相应增高，当 温度达到接触导体材料的软化点和熔化点时，导电斑点及其附近的金属就会发 生软化和熔化。一定的导体材料，有一定的软化和熔化温度，其对应的接触压 堑婆盔堂堡圭兰垡堡塞型! 丝垄! 旦! 旦笙! ! 旦 曼! ：生垒鱼垒墨丝塑塑皇鳖丝塑塾堕塑堡堂盟盟壅 降称为材料的“软化电压”和“熔化电压”。 根据h o l m t 一，1 多方面的实验研究，电流传输是通过绝缘氧化物膜发生熔化 而形成的金属桥完成的。s c h r o t e r l 4 8 1 的观点与此相反，他认为温度较高时，由 于电阻剧烈下降，而使电流通过半导体的氧化物膜不发生击穿。f r e u n d t 4 9 3 认为， 在滑动接触时这两种机理对电流的通过都起作用，但如滑动速度较高时氧化物 熔化不再起重要作用。v o l k m a n 【5 0 l 的实验，也证实了存在氧化物膜熔化和半导 体氧化物膜的电流传输机理。滑动触头的总电压降是铜绿引起的收缩电阻压降 和铜及电刷材料的传散电阻压降的总和。铜的传散电阻很小可以忽略不记，而 收缩电阻的压降不能超过氧化物膜熔化电压，因此总电压降主要决定于电刷材 料的传散电阻。通常这些压降值在0 2 v ( 金属石墨电刷) 至2 5 v ( 合成树脂 电刷及碳石墨电刷) 之间。这些值是在换向器或增环( 经辅助电刷) 与电刷头 之间测量的。直流电流传输时，电压降分为在阳极电刷压降与阴极电刷压降， 通常阴极电刷压降较高。其原因是阴极电刷具有较强的氧化作用。同时可以观 察到在阳极电刷的导轨上由较厚的石墨沉积物1 。 传输电流与电压降的关系通常是用长时间实验值表示( 静态曲线) 。当由 这些数据计算电阻值时发现，电阻随触头负载增大而下降。相反，当负载很快 变化时，则得到一条具有电阻特性的动态特性曲线。这种负载迅速变化的过程 可在运行中，例如在轧制冲击时或在电动机启动时出现。 1 3 3 电接触滑动磨损机理 电接触滑动在实际应用中的典型例子有：电机电刷与滑环或整流子之间 的接触，电车电弓与电线之间的接触，变阻器滑动头、开关中的滑动触头等等。 在滑动的过程中，两延缓件表面微观凸丘可能产生两种形式的接触状态：第一 种接触形式参见图1 2 a 。两元件凸丘顶端相遇，形成接触斑点。第二种接形式 如图1 2 b 所示。在图中a 处，上元件的凸丘与下元件的凹谷相接触，b 处为 类似a 处的另一点接触，这种接触形成一种“交错咬合”的状态。 1 0 小b ) 图1 - 2 名义平面接触内两种典型的微观凸丘接触 a ) 凸丘与凸丘相遇接触b ) 凸丘与凹谷交错接触 电接触滑动磨损由机械磨损与电磨损组成。在没有电负载运行时，磨损 最小，当施加上电负载时，由于触点变换使铜绿表面粗糙，从而增大了机械磨 损。此外，由于接触点氧化作用引起的电磨损也与电流传输有关。只要铜绿平 衡不受大的干扰，则可保持低的总磨损。然而，过载以及断开造成的火化或电 弧，可使材料表面发生很大变化，致使电接触滑动磨损增加到正常值的几倍。 机械参数与接触有关，因此也直接或间接地影响电接触磨损。法向压力存在一 个临界值。压力太低时可能产生触头松动或分离，结果造成电磨损过大。相反， 压力太大时机械磨损增大。滑动速度对电刷磨损的影响大约是平方关系。这适 用于工业电机及牵引电机。对于小电机，转速的影响比滑动速度的影响更大。 超过临界转速，磨损迅速增加。 对于电气铁道的受电弓，除了材料本身对磨损的影响外，架空线的敷设 与基础结构对磨损也有重要影响。应该考虑到，高速度行驶时受电弓与滑接线 之间要有可靠的接触，或在必要的分离后能迅速恢复接触。对于“之”字形布 线的滑接线要注意到受电弓接点可迅速变换。因此，要有均匀的机械、电应力， 防止接触导线嵌入受电弓里。 气候状况明显影响磨损程度。雨天与旱天相比，磨损可增加几倍。这是 由于赃物、磨损产生的粉尘与水在滑接线下面及受电弓滑动面上积聚并形成膏 状物所致。对于直流电车的阳极极化架空线，下雨时阴极碳的铜电解沉积增加。 由此，架空线变得粗糙，使机械磨损增加。对于阴极极化的架空线，从水中电 解析出的氢还原铜绿，也会使导线粗糙，增加磨损。如果在秋天和冬天架空线 上积有冰雪，电流传输时出现电弧，因此磨损特别厉害。实际上寿命变化很大。 电力机车的平均寿命在8 0 0 0 0 k m 数量级，有轨电车约2 0 0 0 0 5 0 0 0 0 k m 。 塑婆盔堂堕主兰垡笙奎 坠丝垄! ! ! ! 生! ! 旦! ! ：! 丝：鱼垒墨丝塑盟皇堇丝塑型壁塑丝堕堕! ! ! l 在文献m 删中，综述、分析和发展了电弧烧损和材料转移的现有各种理论 和计算方法。计算材料转移的重要前提是要用蒸发模型和熔滴模型来了解接触 处转换的能量。蒸发模型是从气体放电中能量的非对称性出发的a 熔滴模型用 来解释短弧和开断电弧引起的材料转移。 为了计算这种电弧能量w 。人们曾提出了各种实验电路和等效电路。结 果都是一个改进的r l 电路。这种等效电路可以归纳为一般的r c l 电路。根据 燃弧时间和电弧电流来计算电弧能量。 1 4 铜合金的电接触滑动磨损的研究进展 1 4 1 铜合金电滑动磨损的机理 近些年来，众多学者对铜合金及其他金属材料之间，金属材料与碳基复合 材料之间的电接触滑动磨损进行了广泛深入的研究，提出了很多磨损模型，探 讨了不同的磨损机理，取得了很大的成就，有的还具有非常大的实际应用价值。 o k - t a y v a l i g n 等f 5 5 ) 认为当表面是软性或柔性的时候，滑动摩擦过程中产生 的颗粒会逐渐团聚起来，这样，就会增加材料的耐磨性。但是，在这种情况下， 虽然耐磨性增加了，但接触电阻会增大，影响电流的传导。d k u h l m a r m w i l s d o r f 【”1 和z r f r m m a 5 1 认为磨损过程中的热能决定了磨损机理，在柔性金属 的表面，存在非常大的切应力和位错能，这会导致表面的熔化，因为摩擦产生 的热能储存在了材料和磨屑内部。 x i e 等哪! 研究了软性表面与硬表面滑动磨损的磨损机理，发现硬的表面会 切入或犁入软表面，形成表面磨损。z o n 等牌1 观察到接触表面被润滑后，磨粒 磨损就成了主要的磨损形式，特别是两种材料的硬度差别比较大时。c h e n 等1 6 0 6 1 l 对c u 一1 5 c r 和c u 2 0 n b 与a 1 s 1 5 2 1 0 0 钢的对磨进行了研究，发现在表面和 亚表面存在塑性变形，材料的转移起了很大作用。在磨损的初期，由于铁屑的 切削，造成铜转移到钢上，而在磨损的后期，则发生了材料的反转移，即发生 了粘着。下图表明了c u - 2 0 n b 复合材料的变形模型： 1 2 塑坚盔兰堡主兰焦堡奎型壁垄! ! ! ! 兰! ! 旦 ! ! ：! ! ；! 鱼垒丝丝塑堂皇堇堂堂塑堕塑堕壁堕! ! ! l 图1 3c u 2 0 v 0 1 n b 复合材料的晶格形变 图1 4 滑动磨损过程中n b 纤维的变形模型 e l m a n s o f i 6 2 ) 等人对钢石墨摩擦副进行了研究，认为电流的存在在磨损 过程中起到了润滑作用，与干磨损相比，电流的通过降低了摩擦系数，加大了 从高磨损状态到低磨损状态的转变梯度，从而起到了润滑作用。而这种润滑作 用要归功于钢的氧化和碳的转移，它们导致了实际接触面积的减少。 b o u c h o u c h a t 6 3 1 等讨论了电流对铜钢摩擦副的磨损情况进行了研究，得出 了重要结论。电场的存在及其方向在磨损过程中起了很大的作用。无电流的滑 动磨损以氧化的模式进行。电流的存在强化了氧化，而且表面温度的升高改变 浙江大学硕士学位论文孙继龙2 0 0 0 年“胃 c u c r - z r 台金及纯铜的电接触滑动磨损性能的研究 了氧化层和亚表面的机械性能。当电线是阳极时，随电流的增加，电线磨损表 面氧化层的生长速率不断地增加；而当电线是阴极时，会产生很多的氧化铁和 坚硬的氧化铬磨粒，摩擦系数会变的很大，导致严重的磨损。电流对磨损的影 响主要是通过表面氧化作用。若没有氧化的存在，即在惰性气体的气氛下，电 流对于摩擦系数和磨损没有太大的影响。 为了降低电力机车上电流采集系统的磨损率，科研工作者们不遗余力地 研究其磨损机理。n a g a s a w a 等m 对铁基滑块与铜合金导线的磨损进行了研究， 认为通过降低滑动表面的发热量和接触压力，可以降低磨损率。建立了弓线模 型( 如图所示) ，并提出了热量和压力的计算公式如下： 图1 5 铁基滑块与铜合金导线磨损示意图 q = q f + q r + q i ( j m ) 这里的q f 是摩擦热，q r 是接触电阻引起的焦耳热，q l 是接触断开时电弧产生的 热量。 q f ；f v v