第五章电触点的摩擦与磨损教学文案课件

1、第五章 电触点的摩擦与磨损周怡琳2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损1第五章 电触点的摩擦与磨损周怡琳2022/10/3第五章电触第一节绪论第二节 滑动摩擦第三节 滑动磨损第四节 微动2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损2第五章 电触点的摩擦与磨损第一节绪论2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损2第五一、摩擦、磨损是滑动电接触中的重要现象。滑动指的是和连接器的接通和断开有关的较大相对运动。滑动接触典型例子：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。摩擦将使滑动过程中能量受到损失；磨损则使表面金属特别是贵金属迅速丧失，露出基底金属，

2、因而造成腐蚀和接触不良。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损3第一节绪论一、摩擦、磨损是滑动电接触中的重要现象。2022/10/3第不仅为了减小摩擦和磨损，而且要保证良好的电气接触。接触界面的温升不仅由表面摩擦引起，在大电流密度情况下，主要是由于电流通过接触电阻后而造成。温升可能使金属软化，熔焊使磨损现象变得十分严重。温升还会加速表面氧化过程而使电气连接失效。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损4二、电接触过程中滑动摩擦和磨损的特点不仅为了减小摩擦和磨损，而且要保证良好的电气接触。2022/一、滑动过程中表面的接触状态两种形式两元件表面凸丘凸丘，形成接触斑点，几率小；两元件表面凸丘

3、凹谷，交错咬合，形成接触斑点，几率多。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损5第二节 滑动摩擦(a) 峰峰接触；(b)峰谷接触一、滑动过程中表面的接触状态2022/10/3第五章电触点的两元件在接触力P作用下相对滑动时产生的机械摩擦力有4个分量接触面粘结产生的剪切力Fs粘结（冷焊 ）现象：两个金属表面相互接触时，接触点压力接近或超过金属原子之间的结合力时，接触面间便相互粘结在一起。剪切力金属的剪切强度， 相对滑动面在金属内部接触面凸丘咬合产生的剪切力Fa接触面塑性变形产生的剪切力Fp接触面弹性变形产生的剪切力Fe2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损6一、滑动过程中表面的接触状态两元件

4、在接触力P作用下相对滑动时产生的机械摩擦力有4个分量2一、滑动过程中表面的接触状态摩擦系数2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损7一、滑动过程中表面的接触状态摩擦系数2022/10/3第五章若两个接触界面间有相对滑移时，粘结处受剪力和压力联合作用，摩擦力的大小主要取决于金属实际的粘结面积。金属粘结面积的影响因素：变形系数0滑移系数1减压系数2膜层系数32022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损8二、粘结情况下的滑动摩擦若两个接触界面间有相对滑移时，粘结处受剪力和压力联合作用，摩变形系数0 ：微观峰顶高度不同，当较高的峰顶呈现塑性变形时，较低的峰顶可能呈现弹性变形。而粘结面积不应当包括弹性接

5、触面积在内。由第二章的收缩电阻理论可知，除弹性变形以外的塑性接触面积A0为：A0= 0A=P/H。A为全部变形接触面积；0为变形系数，值在0.21.2之间；H为材料表面硬度；P为正向接触压力。 2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损9二、粘结情况下的滑动摩擦变形系数0 ：2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损9二、粘结情况下的滑动摩擦滑移系数1：粘结后，由于在滑移过程中剪切力的影响，其粘结面积比在静止状态下只有单纯压力时的粘结面积大。由图所示，单个峰顶接触面积由XY扩大到XY，引入滑移系数1，则有：平均半径为a0，平均增加的滑移距离为S， n为接触点数，A1为滑移后的接触面积，一般地，

6、 1=1.01.5。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损10二、粘结情况下的滑动摩擦滑移系数1：2022/10/3第五减压系数2：在粘结区域内尚有一部分弹性力参与作用，故减压后实际粘结面积将减少，减压系数2为： 2= A2/A1 。A2为减压后的面积。 2 其值一般在0.61.0之间。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损11二、粘结情况下的滑动摩擦减压系数2：2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损11膜层系数3：表面膜层对粘结影响极大，若膜层介于金属微观峰顶之间，则金属粘结作用消失。故膜层的存在便减少了实际金属接触面积。膜层系数3为：3= A3 /A2 。A3为不包括膜层在内的

7、实际金属接触面积。3其值一般在01.0之间，若3=0，表明在接触界面上均覆盖着膜层；若3=1，表明在接触界面上不存在膜层。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损12二、粘结情况下的滑动摩擦膜层系数3：2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损12摩擦力F：在粘结情况下，摩擦力F主要应是切断金属间的粘结所需的剪切力。 F=3 A2m+(1-3) A2 fm为金属剪切强度；f为克服膜层之间摩擦所需的剪应力，其值非常小，通常远小于0.1，m f；F 3 A2m 321 (P/H) m 2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损13二、粘结情况下的滑动摩擦摩擦力F：2022/10/3第五章电触点的

8、摩擦与磨损13二、二、粘结情况下的滑动摩擦摩擦系数 及其影响因素：为得到较小的摩擦系数，应使321m尽可能小，而使材料硬度H尽可能大。有矛盾！比如硬度H大的材料，滑移系数1必然会小，这是一致的，但其剪切强度m必然很大，如用基底硬的材料在上面镀以较软材料，则结果是H值大而m将比较小。但m太小时又加大了滑移系数1。所以应使用具有一定硬度而延展性小的表面镀层为宜。人为覆盖膜层，在滑动电接触表面涂一层很薄的润滑剂，但3不可为零，因为需要有一定的金属直接接触，以保持良好的电气性能。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损14二、粘结情况下的滑动摩擦摩擦系数 及其影响因素：2022/基本金属（如铜、铝）

9、在空气中放置容易生成膜层，因此很少粘结，但在真空中如经多次摩擦，表面膜层被磨去而易粘结。贵金属如金、铂、钯等很少受到空气腐蚀，故容易粘结；接插件、开关等密封抽真空后，粘结趋势更大；严格清洁处理表面后也容易发生粘结。常用触点材料在空气中膜层生长及粘结程度2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损15三、电触点材料表面的粘结基本金属（如铜、铝）在空气中放置容易生成膜层，因此很少粘结，金属硬度108N/m2在空气中生长的膜厚粘接程度Au2.5最小大Ag2.5随时间生长有些Pt4.1较小有些Pd4.5较小有些Cu3.9大低Al1.8较大较小2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损16常用触点材料在空

10、气中膜层生长及粘结程度金属硬度108N/m2在空气中生长的膜厚粘接程度Au2.5最直流镀金的粘结：粘结顺序作了排列，序号愈大，愈不易粘结为减少粘结，应当提高镀层硬度，同时还应减小其延展性。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损17三、电触点材料表面的粘结镀金状态合金成分含碳(%)努氏硬度(25克)延展性(%)粘结顺序纯金(氧化物)无0.015010124K硬金(氰化物)无0.01200102合金(碱性)0.7%镉无1355-103合金(氰化物)10银0.071400.754合金(氰化物)0.15%钴0.15180代表平面运动方向单向滑动过程中滑针和平面重量变化2022/10/3第五章电触点

11、的摩擦与磨损32粒块形成机理单2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损33代表平面运动方向，金触点，500克负载2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损33代表平面运2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损342022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损34说明：若滑针与平面所用材料不同，但两者的硬度相差并不悬殊（3倍以内），则它们的滑动磨损情况与用相同的材料作为滑针材料的结果相类似。 Au平面Pd滑针Au-AuPd平面 Au 滑针Pd-Pd材料、尺寸和形状都相同的两接触体进行滑动时，粒块可能来自接触体的任一方。一旦发生金属转移后，接受金属转移的一方就变成了滑针，相反的表面就被磨损。 金属

12、不能被冷作硬化，则不能形成粒块及擦伤平面。这是因为为了能磨损平面，粒块的硬度必须通过冷作硬化而大于平面的硬度。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损35二、金镀层的磨损 说明：2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损35二、金镀滑针磨损金滑针在镀金平面上的往复滑动过程现象：若滑行方向改变，原粘在滑针上的粒块被剪切下来或成为磨粒或镶入平面。如果往复滑动在同一轨迹上，则经过多次滑行，平面上受到加工硬化，因而表面变硬，当平面硬度增大到足以擦伤滑针表面时，滑针开始被磨损，自此以后滑针迅速被磨损而平面则增加重量。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损36二、金镀层的磨损滑针磨损金滑针在镀金平面

13、上的往复滑动过程2022/10/3转折点滑针开始被磨损的滑动次数称为转折点，如图。了解转折点非常重要。因为滑针与平面不同，滑针接触面积很小，一旦被磨损，其接触点处的镀层很快被磨损殆尽而暴露出基底金属。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损37二、金镀层的磨损转折点2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损37二、金镀二、金镀层的磨损转折点的滑行次数t ：d为滑道长度(cm)；P为接触压力(gf)；k为常数，对金滑针与金平面，k=17103；t为往返的单程滑行次数。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损38二、金镀层的磨损转折点的滑行次数t ：2022/10/3第五对粒块形成的影响因素滑

14、动方向：单向、往返结果相似负载：增加负载促使由粒块形成到滑针磨损的转化，使转折点的滑行次数减少；滑道长度：越短，由平面磨损向滑针磨损的转化越快，转折点的滑行次数也可减少。 一般地，对纯金触点，当接触压力为100gf，滑道长度为1cm时，转折点次数大约为150-200次。 2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损39二、金镀层的磨损对粒块形成的影响因素2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨二、金镀层的磨损粘结磨损2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损40二、金镀层的磨损粘结磨损2022/10/3第五章电触点的摩擦二、金镀层的磨损擦伤磨损2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损41二、金

15、镀层的磨损擦伤磨损2022/10/3第五章电触点的摩擦二、金镀层的磨损磨损估算镀金层的磨损实际上包括了粘结磨损和粒块的擦伤磨损。磨损体积V和磨损距离X和真实接触面积成正比：V，总磨损体积K，是一个无量纲数，称作磨损系数。和接触压力有关， P，正压力H，材料表面硬度X，滑移长度2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损42二、金镀层的磨损磨损估算2022/10/3第五章电触点的摩擦金镀层的K和P的关系 ：当压力小于4gf时，磨损系数K几乎为零，即不产生磨粒；当压力超过50gf后，磨损系数K基本为一常数，其值大约为3.110-4。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损43二、金镀层的磨损金镀层

16、的K和P的关系 ：2022/10/3第五章电触点的摩擦影响镀金层磨损的因素硬度：硬材料的耐磨性高于软材料的耐磨损性。原因是随着硬度的增加，将减少真实的接触面积，真实的接触面积对所有的磨损过程起着重要的作用。因此，当触点是由多层金属通过电镀或包覆而形成时，表面用硬金合金硬度高的中间层提高基底材料的硬度2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损44二、金镀层的磨损影响镀金层磨损的因素2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨(1)AuCo合金的抗粘结磨损性比纯金的好，而纯金的抗擦伤磨损性优于AuCo合金(2)硬的中间层金属Ni对防粘结磨损和擦伤磨损的作用。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损4

17、5(1)AuCo合金的抗粘结磨损性比纯金的好，而纯金的抗擦伤2umAuCo/Cu；(b) 3.3umAuCo/Cu；2umAuCo/CuBe；(d) 3.3umAu/Cu 2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损46(1)AuCo合金(2)镀金层厚度(3)基底金属Cu，CuBe合金对防粘结磨损和擦伤磨损的作用。2umAuCo/Cu；(b) 3.3umAuCo/Cu；20表面粗糙度：表面粗糙度与磨损有关，在一定压力下，最高峰顶处易于粘结，也易于受到擦伤磨损；压力越大，磨损增加。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损47二、金镀层的磨损表面粗糙度：2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损4

18、7二2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损48(1)粗糙度越低，磨损越小；(2)中间层镀镍后，不论粘结或擦伤磨损都会降低。2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损48(1)粗糙度越电镀工艺与磨损的关系（Relationship of Wear to Plating Process）脉冲电镀(Pulse Plating)直流镀金比脉冲镀金硬度大，延展性小，不易粘结工艺窗(Process Windows)只有在很窄的镀金工艺窗内，镀层才具有满意的摩擦学性能(摩擦系数u0.26)2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损49二、金镀层的磨损电镀工艺与磨损的关系（Relationship of

19、Wea图 电镀液中Co的含量、阴极电流密度、钾的含量表面数字是摩擦系数。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损50图 电镀液中Co的含量、阴极电流密度、钾的含量2022/磨损测试方法镀金层经过磨损后，作加速腐蚀实验，实验装置如图所示。将纸浸以1克分子浓度的硫化钠溶液后，置于磨损后的镀金层上，在阴极和阳极间通以电流（约10毫安左右）即在被磨穿的金镀层上出现黑色硫化铜腐蚀物CuCu+2e；Cu+S-CuS黑色。其长度大体为被磨穿的长度，在显微镜下测量黑色腐蚀物的长度（bi）之和 bi，它与总滑动长度之比即为磨损因数（= bi /B）。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损51二、金镀层的磨

20、损磨损测试方法2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损51二2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损522022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损52一、微动的概念定义：由于外部振动、温度改变、电磁振荡在触点上产生一个作用力，引入小幅度运动。作用力必须大于两配合面之间的摩擦。微动摩擦系数和粘结滑动过程中金属的摩擦系数大致相同，一般在0.15-1之间，其大小取决于磨损的严重性和表面是否存在润滑剂。很大的接触压力能使微动的可能性最小化。微动对接触表面的损坏取决于微动的幅度。微动的幅度从几个微米到200微米之间。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损53第四节 微动 FRETTING一、微动

21、的概念2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损53微动对电接触造成的危害金属转移、磨损产生绝缘氧化物(表面镀Sn-Pb合金) 微动腐蚀Pd系和Pt系金属具有催化作用，产生摩擦聚合物接触电阻增加（电子噪音），即使在微动停止后，仍保留非常高的接触电阻。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损54一、微动的概念微动对电接触造成的危害2022/10/3第五章电触点的摩擦与研究微动的目的(Objective)研究微动降级机理触点材料特性分析操作参数对接触电阻的影响 在连接器设计中对微动控制的指导使用润滑剂防止微动问题和恢复失效连接器2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损55一、微动的概念研究微动

22、的目的(Objective)2022/10/3第五章粘结 (Stick)粘着区域大约为1m相对运动，取决于材料、触点形状及其它因素。接触表面之间的运动是由于近表面区域中接触体的弹性变形所提供的。表面的微观粗糙度发生粘结，直到两接触体被分开时才会造成接触表面损坏。粘结滑动混合 (Mixed stick-slip)中间的粘着区被环状的滑动区所包围，幅度5 m相对运动，四周滑动区(可能有裂纹形成，微动疲劳，磨损碎屑)完全滑动 (Gross slip)在每个滑动周期内，所有粘结的a-斑点都断开，并滑过相对接触体的几个微观峰顶。滑动幅度为10100 m，其造成的损坏是最厉害的，会发生剥离磨损。往复滑动

23、(Reciprocating sliding)滑动幅度100200 m虽然在微动时，接触表面更易出现磨屑、腐蚀物、摩擦聚合物，但是，微动和滑动在磨损、摩擦、接触电阻和为了减少故障而使用润滑剂等方面都是相同的。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损56二、微动阶段 Fretting Regimes粘结 (Stick)2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨图 微动磨损痕迹，粘结触点的特征(a)粘结微动磨损的痕迹， Niobium, 2um, 1.09kg,100Hz, 106 cycles；(b) (a)的局部放大2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损57图 微动磨损痕迹，2022/10

24、/3第五章电触点的摩擦与磨损图18 粘结滑动混合ALSI 304不锈钢的微动区域, 4um wipe, 1.15Kg, 100Hz, 106 cycles;2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损58图18 粘结滑动混合2022/10/3第五章电触点的摩擦与2)粘滞滑动的混合（蠕动）Mixed stick-slip：(a) 磨损区域的横截面，表明了浅表面的塑性变形和粘结区和滑动区边界上表面裂缝的产生；(b) 滑动区内磨损痕迹的放大，表明了由于表面剪切作用形成的凸缘以及凸缘的初始碎裂。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损592)粘滞滑动的混合（蠕动）Mixed stick-slip：3)

25、大滑动Gross slip：A1S1不锈钢的大滑动区域（图b是图a的放大）2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损603)大滑动Gross slip：2022/10/3第五章电触微动腐蚀：当触点材料是非贵金属或催化材料（如Pt系金属），在接触界面中将出现绝缘产物，如果绝缘产物是如氧化物等无机腐蚀产物，则这种微动过程称为“微动腐蚀”。 模型2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损61四、微动失效机理 微动腐蚀：2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损61四、2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损62图 颗粒界面模型Granular Interface Models微动腐蚀的形成2022

26、/10/3第五章电触点的摩擦与磨损62图 颗粒界面模微动过程中的接触电阻：系统在静止状态中的“静态”接触电阻( the system at rest) 。动态接触电阻（接触电阻的变化） (during fretting) ；在微动过程中，其值将达到很高值，有时会达到几纳秒甚至更长时间的开路状态，这取决于微动速度、周期、触点材料、绝缘层的物理状态和厚度。在数字电路中，接触电阻的变化的实际结果是将在信号传输中产生误码。在电力连接器中静态接触电阻的升高将导致由焦耳热产生的连接故障。 2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损63四、微动失效机理微动过程中的接触电阻：2022/10/3第五章电触点的摩

27、擦与微动腐蚀造成接触电阻变化的机理:颗粒界面模型：微动碎屑是由金属颗粒、表面是氧化物的磨屑及完全被氧化的材料所组成。当存在金属接触或氧化物非常薄而发生电子隧道效应时，颗粒之间就会发生导电，但是这种导电是由金属和绝缘颗粒形成的“颗粒金属”的导电。若临界金属体积浓度为65，金属含量的细微变化会使这种混合物的电阻率差几个数量级。相当小的位移将会改变通过触点的电流路径，而引起了短时间的接触电阻的变化。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损64四、微动失效机理微动腐蚀造成接触电阻变化的机理:2022/10/3第五章电触2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损65镀镍表面的微动接触电阻接触压力为10

28、0gm，微动频率为每周期约300秒微动磨损区域2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损65镀镍表面的微动现场和实验室实验方法 Field and Laboratory Testing Methodologies运动产生 (Generation of Movement)驱动力的来源：热、机械、电磁力接触电阻测量 (Determination of Contact Resistance)微动过程中间歇测量静态接触电阻微动过程中测量瞬时接触电阻2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损66四、微动失效机理现场和实验室实验方法 Field and Lab2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损67

29、微动实验设备2022/10/3第五章电触点的摩擦与磨损67微动实验设备相同接触材料，不形成或少量形成表面膜的金属(Identical contact metals; non film-forming)Au-Au；Ag-Ag接触界面很稳定，不氧化，不生成摩擦聚合物，微动电阻低 相同基础接触材料，微动腐蚀 Ni-Ni；Cu-Cu；Sn-Sn；60Sn40Pb-SnPb；Al-Al室温下自然生成的氧化膜被机械破坏，在初始的几个周期内电阻略有降低随着微动周期的增长，微动磨损颗粒的氧化和堆积使接触电阻迅速升高 2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损68五、 材料研究 Materials Studie

30、s相同接触材料，不形成或少量形成表面膜的金属(Identica相同的接触材料，表面形成摩擦聚合物 Pd-Pd微动促进了聚合物的形成，导致接触电阻升高用含有不发生催化反应的元素的合金来降低反应点密度从而减少聚合物生成，如钯银合金(60Pd40Ag，70Pd30Ag, 30Pd70Ag) 不同接触材料，其中一种形成膜层材料硬度较低的一方向硬度较高的一方转移，致使接触特性发生转变。表现出较低硬度材料本身配合的接触性能。(金镍, 焊锡金钴合金 )两种材料的硬度相似，差异小于10%，则材料转移是双向的。(铜金 )2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损69五、 材料研究 Materials Studi

31、es相同的接触材料，表面形成摩擦聚合物 2022/10/3第五章图22 不同材料组合的微动接触电阻特性2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损70图22 不同材料组合的微动接触电阻特性2022/10/3第五影响微动磨损的机械参数微动频率：微动频率越低，氧化物的厚度越大，电阻升高的越快，失效所用的周期就越小。微动距离/滑移幅度：增加摩擦距离或滑动幅度导致接触电阻快速增加，减少连接器寿命。正压力：接触压力越大，接触电阻越小且趋于稳定，能减少微动降级率。但对滑动连接器来说，接触压力不能设计得过大，否则，会产生过大的插拔力，造成接触界面严重的磨损和变形。2022/10/4第五章电触点的摩擦与磨损71六、影响微动接触电阻的因素 影响微动磨损的机械参数2022/10/3第五章电触点的摩擦与环境（Environmental Effects） ：围绕触点的局部环境和微观环境对微动腐蚀影响很大。腐蚀气体污染接触界面产生膜层、微动产生的磨损碎屑腐蚀都会加速微动失效。空气中的有机气氛或电子元器件的封装结构中的塑料部件在一定条件下释放出有机气体，在微动中生成摩擦聚合物，使接触失效。温度升高(60C