李克敏，上官寶，杜三明，張永振

（河南科技大學(xué)，河南省材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽(yáng)471023）

0 引 言

電氣化鐵路中的機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓滑板從接觸網(wǎng)獲得電力以驅(qū)動(dòng)機(jī)車(chē)電動(dòng)機(jī)獲得牽引動(dòng)力，牽引電流經(jīng)車(chē)輪、軌道和大地流回牽引變電所。接地裝置用于牽引電流回流，以保護(hù)軸承、軸套、車(chē)軸，同時(shí)還可以起到確保列車(chē)所有設(shè)備接地安全可靠的作用［1］。

銅基石墨粉末冶金材料具有較高的強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、減摩耐磨性，是一種較為理想的摩擦集電材料［2-3］。隨著電力機(jī)車(chē)和軌道交通的高速發(fā)展，單純的C/Cu復(fù)合材料已不能完全滿足需要，對(duì)其進(jìn)行改性已顯得尤為必要。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)C/Cu復(fù)合材料的研究工作主要集中在用碳纖維或碳納米管增強(qiáng)［4-6］、加入二硫化鉬或者納米石墨［7-8］、對(duì)石墨粉體的表面處理和界面結(jié)構(gòu)改善［9］、復(fù)合材料的制備工藝［10-11］等方面。此外還有硬質(zhì)顆粒和石墨混雜增強(qiáng)銅基復(fù)合材料摩擦磨損性能的研究報(bào)道［12-13］，但SiC顆粒加入到C/Cu復(fù)合材料并應(yīng)用于載流摩擦領(lǐng)域的研究卻鮮有報(bào)道。在載流滑動(dòng)過(guò)程中，電弧侵蝕對(duì)摩擦集電材料破壞嚴(yán)重，是高速列車(chē)安全穩(wěn)定運(yùn)行的潛在威脅［14-16］，所以研究滑動(dòng)過(guò)程中電弧的發(fā)生也是載流摩擦磨損性能研究中的一個(gè)重要方面。

為此，作者采用粉末冶金技術(shù)，制備了含/不含SiC的兩種銅基復(fù)合材料，并進(jìn)行載流摩擦磨損試驗(yàn)，分別研究了摩擦速度、電流密度對(duì)復(fù)合材料燃弧率、載流效率以及摩擦因數(shù)、磨損率的影響，并對(duì)磨損后的表面形貌進(jìn)行了觀察，以期為新型摩擦集電材料的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)，并為載流摩擦磨損的理論研究提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

以電解銅粉（粒徑75μm）、鱗片狀石墨（粒徑45μm）以及粒徑為15μm的SiC顆粒為原料，采用粉末冶金法制備出3%SiC-10%C-87%Cu（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）和10%C-90%Cu復(fù)合材料。制備工藝：將粉體在三維混料機(jī)中混料24h后，采用MY-100型萬(wàn)能油壓機(jī)在380MPa下壓制成φ26mm×25mm的試樣，保壓3min；然后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程是在通入由氨分解產(chǎn)生的氮?dú)?、氫氣混合氣氛的鐘罩爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為860℃，保溫時(shí)間為1h；燒結(jié)完成后采用360MPa的壓力對(duì)制備的復(fù)合材料進(jìn)行復(fù)壓并保壓3min，最后采用線切割加工成尺寸為φ9mm×25mm的銷(xiāo)試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，集電材料在彈簧壓力（0.2～0.25MPa）的作用下始終與套在車(chē)軸上的鋼制集流環(huán)保持徑向貼緊，集電環(huán)的線速度為18～28m·s-1，回流電流密度為0.5～1.2A·mm-2。參照實(shí)際工況，摩擦副選擇25CrMo合金鋼盤(pán)，在HST-100型銷(xiāo)盤(pán)式高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行載流摩擦磨損試驗(yàn)，載荷為60N（接觸壓力為0.236MPa），摩擦速度選擇10，15，20，25，30m·s-1，電流 密度選擇 0.564 6，0.846 9，1.129 2，1.411 5，1.693 8A·mm-2，摩擦試驗(yàn)時(shí)間為10s。試驗(yàn)前，用800＃砂紙對(duì)摩擦盤(pán)和銷(xiāo)試樣進(jìn)行表面處理，使銷(xiāo)/盤(pán)處于良好的接觸狀態(tài)。

試驗(yàn)中運(yùn)用光電傳感器（光敏三極管）跟蹤測(cè)量載流摩擦磨損過(guò)程中的光強(qiáng)度，用光強(qiáng)度的大小來(lái)衡量電弧的強(qiáng)弱。試驗(yàn)前先對(duì)兩種銷(xiāo)試樣進(jìn)行不同摩擦速度下無(wú)電流時(shí)的摩擦磨損測(cè)試，以試驗(yàn)中所產(chǎn)生的最大光強(qiáng)度作為該材料在這一速度下載流摩擦磨損過(guò)程中的起弧基值。電弧的燃弧率是載流摩擦過(guò)程中電弧發(fā)生的總時(shí)間與摩擦試驗(yàn)總時(shí)間的比值。載流效率是摩擦副滑動(dòng)摩擦過(guò)程中表征載流質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，其大小為載流摩擦過(guò)程中實(shí)際傳輸電流的平均值與額定電流之比。摩擦力經(jīng)扭矩傳感器輸至計(jì)算機(jī)中，通過(guò)計(jì)算得到摩擦因數(shù)。用精度為0.1mg的BS210S型電子分析天平測(cè)量摩擦前后銷(xiāo)試樣的質(zhì)量；采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損后的表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦速度的影響

由圖1可見(jiàn)，隨摩擦速度增大，總體來(lái)說(shuō)，兩種復(fù)合材料的燃弧率均增大，載流效率均減??；摩擦速度為10～25m·s-1時(shí)，兩種復(fù)合材料的燃弧率均低于10%，且SiC/C/Cu復(fù)合材料的燃弧率低于C/Cu復(fù)合材料的；當(dāng)摩擦速度達(dá)到30m·s-1時(shí)，燃弧率均急劇增大，并且SiC/C/Cu復(fù)合材料的燃弧率高于C/Cu復(fù)合材料的；在10～25m·s-1的摩擦速度范圍內(nèi)，兩種復(fù)合材料的載流效率均維持在85%以上，摩擦速度達(dá)到30m·s-1時(shí)均急劇降低。

在電流密度相同的條件下，燃弧率主要與摩擦過(guò)程中摩擦接觸面的狀況有關(guān)。隨著摩擦速度增大，材料磨損嚴(yán)重，磨損后的表面粗糙度增大，摩擦副間的接觸惡化，非直接接觸的微小區(qū)域增多，燃弧率增大。由圖2（a～c）可以看出，Si/C/Cu復(fù)合材料在10，20m·s-1的摩擦速度下，摩擦表面整體較為平整，摩擦副間仍能保持良好的接觸狀態(tài)，燃弧率較小，此時(shí)產(chǎn)生的電弧強(qiáng)度較小，且維持時(shí)間短，材料的磨損主要以磨粒磨損和粘著磨損為主；當(dāng)摩擦速度達(dá)到30m·s-1時(shí)，由于高的摩擦速度引起的摩擦熱使材料表面的溫度急劇升高，基體軟化嚴(yán)重，復(fù)合材料中SiC顆粒的脫落量增加，脫落后的SiC顆粒作為磨粒存在于摩擦副間，材料表面質(zhì)量急劇惡化，摩擦副間的振動(dòng)和沖擊作用加劇，使銷(xiāo)盤(pán)間處于不平穩(wěn)的接觸狀態(tài)，甚至出現(xiàn)短暫的脫離，使燃弧率增大；而電弧引起的瞬間高溫又會(huì)對(duì)材料表面造成嚴(yán)重?zé)g，使得燃弧率急劇上升。對(duì)比圖2（b）和（d）可以看出，在20m·s-1的低速摩擦條件下，由于SiC顆粒對(duì)銅基體的增強(qiáng)作用，SiC/C/Cu復(fù)合材料較C/Cu復(fù)合材料的表面粗糙度小，燃弧率低；而在30m·s-1的高速摩擦條件下，SiC硬質(zhì)顆粒對(duì)表面造成的粗大犁溝使SiC/C/Cu復(fù)合材料較C/Cu復(fù)合材料的表面更加粗糙，如圖2（c）和（e）所示，燃弧率也更高。

圖1 電流密度為0.846 9A·mm-2時(shí)摩擦速度對(duì)兩種復(fù)合材料燃弧率及載流效率的影響Fig.1 Effects of friction velocity on arcing rate（a）and current-carrying efficient of the two kinds of composites（b）at current density of 0.846 9A·mm-2

材料的載流效率與接觸面狀態(tài)有關(guān)，但受燃弧率的影響較大。這主要是因?yàn)樵陔娀‘a(chǎn)生過(guò)程中，大量的電子從陰極表面進(jìn)入電極間隙中，在電場(chǎng)的作用下電子與氣體分子和金屬蒸氣發(fā)生相互碰撞導(dǎo)致中性粒子大量電離，產(chǎn)生更多的電子和大量的正離子；這些電子和正離子在電場(chǎng)作用下分別向陽(yáng)極和陰極移動(dòng)，一部分電子進(jìn)入陽(yáng)極與正電荷復(fù)合放出能量加熱陽(yáng)極，一部分正離子從陰極取得電子復(fù)合并釋放能量加熱陰極以維持電子的熱發(fā)射，還有一部分正離子和電子在弧隙空間復(fù)合，放出的能量以光和熱的形式輻射出［17-18］；在整個(gè)過(guò)程中，一些電能轉(zhuǎn)化成光能和熱能，從而使材料的載流效率降低。所以燃弧率越高，載流效率越低。

圖2 電流密度為0.846 9A·mm-2時(shí)兩種復(fù)合材料在不同摩擦速度下磨損后的表面SEM形貌Fig.2 SEM morphology of worn surface of the two kinds of composites at current density of 0.846 9A·mm-2 and different friction velocities：（a-c）SiC/C/Cu composite and（d-e）C/Cu composite

從圖3中可以看出，隨著摩擦速度增大，兩種復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率均逐漸增大；與C/Cu復(fù)合材料相比，SiC/C/Cu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)偏大，但磨損率卻顯著降低。

圖3 電流密度為0.846 9A·mm-2時(shí)摩擦速度對(duì)兩種復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響Fig.3 Effects of friction velocity on friction coefficient（a）and wear rate（b）of the two kinds of composite at current density of 0.846 9A·mm-2

隨著摩擦速度增大，摩擦磨損和電弧燒蝕引起材料表面質(zhì)量惡化，使接觸面的粗糙度增大，摩擦因數(shù)增加；摩擦速度越大，切向沖擊力越大，加之摩擦熱和電弧熱導(dǎo)致材料基體嚴(yán)重軟化，故磨損率逐漸增大［19］。添加SiC顆粒的SiC/C/Cu復(fù)合材料磨損后露出表層的SiC硬質(zhì)顆粒，在摩擦?xí)r易切入對(duì)偶表面，增加摩擦阻力，所以SiC/C/Cu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)較C/Cu復(fù)合材料的大；但SiC顆粒作為銅基體中的增強(qiáng)相卻能顯著提高材料基體的強(qiáng)度，從而使磨損率降低。

SiC/C/Cu和C/Cu復(fù)合材料磨損率的差異較大，但在相同摩擦速度下的燃弧率和載流效率卻差別不大。這說(shuō)明燃弧率和載流效率受磨損率的影響較小，主要由摩擦表面的接觸狀況決定。特別是當(dāng)摩擦速度為30m·s-1時(shí)，SiC/C/Cu復(fù)合材料的磨損率相對(duì)C/Cu復(fù)合材料的小得多，但其燃弧率卻比C/Cu復(fù)合材料的高，載流效率比C/Cu復(fù)合材料的低。

2.2 電流密度的影響

由圖4（a）可以看出，隨著電流密度增大，兩種復(fù)合材料的燃弧率均逐漸增大；其中，基本上SiC/C/Cu復(fù)合材料的燃弧率要低于C/Cu復(fù)合材料的，但在電流密度增大到1.693 8A·mm-2時(shí)，SiC/C/Cu復(fù)合材料的燃弧率稍高于C/Cu復(fù)合材料的。由圖4（b）可見(jiàn)，隨著電流密度增大，兩種復(fù)合材料的載流效率均逐漸減小，當(dāng)電流密度為0.846 9～1.411 5A·mm-2時(shí)，SiC/C/Cu復(fù)合材料的載流效率高于C/Cu復(fù)合材料的，但在電流密度為1.693 8A·mm-2時(shí)，SiC/C/Cu復(fù)合材料的載流效率急劇降低，且明顯低于C/Cu復(fù)合材料的。

摩擦副間的微觀接觸斑點(diǎn)在導(dǎo)電過(guò)程中存在電流收縮現(xiàn)象，而未直接接觸處因?yàn)殡娮泳奂嬖谝欢ǖ碾妷海?0］。電流密度越大，在摩擦微觀界面未直接接觸區(qū)域，電子聚集的量越大，越容易達(dá)到起弧電壓，起弧越容易，并且隨著電流密度增大，直接接觸斑點(diǎn)處電流密度急劇增大，電阻熱、摩擦熱和電弧熱使導(dǎo)電斑點(diǎn)嚴(yán)重軟化，材料磨損嚴(yán)重，摩擦表面惡化，粗糙度增加，從而提供了更多的非接觸區(qū)域使電子聚集，所以隨著電流密度增大，復(fù)合材料的燃弧率逐漸增大，載流效率不斷減小。

與C/Cu復(fù)合材料相比，SiC/C/Cu復(fù)合材料中因SiC顆粒對(duì)銅基體的增強(qiáng)作用，在低電流密度下摩擦接觸面更加平整，所以燃弧率較低，而載流效率較高。當(dāng)電流密度為1.693 8A·mm-2時(shí)，SiC/C/Cu復(fù)合材料因?yàn)镾iC顆粒脫落使材料表面產(chǎn)生了大量的粗大犁溝，使摩擦表面狀況嚴(yán)重惡化，從而導(dǎo)致燃弧率高于C/Cu復(fù)合材料的；同時(shí)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的大電弧使材料磨損嚴(yán)重，摩擦副間的接觸狀況急劇惡化，甚至出現(xiàn)了短暫的脫離，故而SiC/C/Cu復(fù)合材料的載流效率急劇下降，并明顯低于C/Cu復(fù)合材料的。

圖4 摩擦速度為20m·s-1時(shí)電流密度對(duì)兩種復(fù)合材料燃弧率及載流效率的影響Fig.4 Effects of current density on arcing rate（a）and current-carrying efficient（b）of the two kinds of composite at friction velocity of 20m·s-1

由圖5（a）可以看出，隨著電流密度增大，C/Cu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)逐漸降低，而SiC/C/Cu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)則先降低后稍有上升。由圖5（b）可以看出，隨著電流密度增大，兩種復(fù)合材料的磨損率均不斷增大，但SiC/C/Cu復(fù)合材料的磨損率明顯低于C/Cu復(fù)合材料的，且增速也較緩。

在摩擦過(guò)程中，SiC/C/Cu復(fù)合材料因?yàn)镾iC顆粒脫落并存在于摩擦副間，增大了摩擦因數(shù)，所以SiC/C/Cu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)高于C/Cu復(fù)合材料的。隨著電流密度增大，由于摩擦熱、電阻熱和電弧熱使材料表面的軟化熔融加重，從而導(dǎo)致兩種復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均不斷降低；而在1.693 8A·mm-2的高電流密度情況下，因?yàn)閲?yán)重的電弧燒蝕使材料表面完全熔融，表層SiC顆粒全部作為硬質(zhì)磨粒存在于摩擦副間，并在摩擦過(guò)程中不斷嵌入軟化的內(nèi)層基體中，從而使摩擦阻力增大，故而摩擦因數(shù)出現(xiàn)了一定的升高。

由圖6（a）可見(jiàn)，電流密度為1.129 2A·mm-2時(shí)，電弧燒蝕較弱，但當(dāng)電流密度為1.411 5A·mm-2時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)了很寬的電弧燒蝕帶，如圖6（b）所示，而在1.693 8A·mm-2的電流密度下，Si/C/Cu復(fù)合材料發(fā)生嚴(yán)重的軟化熔融，磨損后的表面上布滿了SiC顆粒作為磨粒造成的粗大犁溝和嚴(yán)重的電弧燒蝕，如圖6（c）所示，但因?yàn)镾iC顆粒對(duì)銅基體的增強(qiáng)作用，使得SiC/C/Cu復(fù)合材料的磨損率隨電流密度增大而增加緩慢，故而在高電流密度下，其磨損率明顯低于C/Cu復(fù)合材料的。

圖5 摩擦速度為20m·s-1時(shí)電流密度對(duì)兩種復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響Fig.5 Effects of current density on friction coefficient（a）and wear rate（b）of the two kinds of composites at friction velocity of 20m·s-1

由圖7可以看出，在摩擦速度為20m·s-1、電流密度為1.693 8A·mm-2條件下，SiC/C/Cu復(fù)合材料中的石墨燒蝕氣化嚴(yán)重，銅基體發(fā)生了明顯的熔融重凝，且氧化嚴(yán)重，SiC顆粒大量脫落，但仍有少量SiC硬質(zhì)顆粒存在于銅基體中，保持對(duì)基體的強(qiáng)化作用。

3 結(jié) 論

（1）在相同的試驗(yàn)條件下，與C/Cu復(fù)合材料相比，SiC/C/Cu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)較大，但磨損率較小。

圖6 摩擦速度為20m·s-1時(shí)SiC/C/Cu復(fù)合材料在不同電流密度下磨損后的表面SEM形貌Fig.6 SEM morphology of worn surface of SiC/C/Cu composite at friction velocity of 20m·s-1 and different current densities

圖7 SiC/C/Cu復(fù)合材料在摩擦速度為20m·s-1、電流密度為1.693 8A·mm-2條件下磨損后表面的SEM形貌和EDS譜Fig.7 SEM morphology（a）and EDS pattern of the worn surface of SiC/C/Cu composte at friction velocity of 20m·s-1 and current density of 1.693 8A·mm-2

（2）隨著摩擦速度增大，兩種復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率均不斷增大；隨著電流密度增大，SiC/C/Cu復(fù)合材料的摩擦因數(shù)先降低后稍有上升，C/Cu復(fù)合材料的則不斷降低，但其磨損率均逐漸增加。

（3）燃弧率主要由材料的表面接觸狀態(tài)和電流密度決定，載流效率受燃弧率影響較大；在摩擦速度為10～25m·s-1時(shí)，兩種復(fù)合材料的燃弧率均低于10%，載流效率均維持在85%以上；隨著摩擦速度增大至30m·s-1，兩種復(fù)合材料的燃弧率急劇增大，載流效率均急劇降低；隨著電流密度增大，兩種復(fù)合材料的燃弧率均逐漸升高，載流效率均不斷減小。

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