林雪楊，劉如鐵，熊 翔，陳 潔

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石墨粒度及瀝青粘結(jié)劑對銅?石墨電刷材料性能的影響

林雪楊，劉如鐵，熊 翔，陳 潔

(中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

分別采用不同粒度鱗片石墨(鱗片石墨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和瀝青石墨通過粉末冶金法對銅石墨電刷材料進行制備，采用XRD和SEM對其試驗前后的物相和組織形貌進行分析，并運用XPS分析對偶件的表面成分。結(jié)果表明：隨著石墨粒度的下降，銅石墨電刷材料的燒結(jié)密度、硬度和抵抗磨粒磨損的能力均有所下降，抵抗電弧燒蝕的能力則顯著提高。瀝青粘結(jié)劑能夠促進銅和石墨的均勻分布，從而改善材料的物理力學(xué)性能和摩擦磨損性能。此外，產(chǎn)生于摩擦界面的CuO降低材料的導(dǎo)熱導(dǎo)電能力并催化石墨氧化，從而加劇磨損。

石墨粒度；瀝青粘結(jié)劑；摩擦；磨損；氧化

銅?石墨材料兼顧了銅基體良好的強度、硬度、導(dǎo)電導(dǎo)熱性[1]以及石墨良好的高熔點、自潤滑性、抗熔焊性和耐電弧燒蝕性等特點，因而被廣泛地應(yīng)用于滑動電接觸部件中，如發(fā)動機的集電環(huán)、電樞和電刷等[2]。

在新型電機和發(fā)動機對電流密度和工作速度提出更高要求的條件下，銅石墨電刷材料現(xiàn)在面臨著綜合使用性能不足和壽命嚴重下降的嚴峻形勢[3?6]。因此，為了滿足日益苛刻的服役條件，基于載流摩擦磨損的新型銅?石墨材料的材料設(shè)計和磨損機理研究的開展變得異常迫切。目前，國內(nèi)外研究人員主要從新組元的選用和不同工作參數(shù)下的磨損機制方面入手進行了研究工作。QIAN等[7]對新組元WS2的研究表明，WS2能夠與石墨產(chǎn)生協(xié)同潤滑作用，提高材料的磨損抗力。LI等[8]則選用石墨烯作為復(fù)合材料的新組元，研究表明石墨烯的加入對材料力學(xué)性能和摩擦性能有較大的提升。而ГЕРШМАН等[9]則對石墨改性化與不同電流密度下材料的磨損行為進行了研究，其結(jié)果表明含鈮改性石墨的材料具有更優(yōu)異的物理機械性能，同時材料與對偶的磨耗在較寬范圍內(nèi)對電流密度敏感。符蓉等[10]對不同制動條件下材料的磨損機制進行了研究，結(jié)果表明材料的磨損機制主要取決于材料的工作條件。雖然這些工作對影響銅?石墨材料載流摩擦磨損性能的因素做出了較為系統(tǒng)的研究，但是在材料設(shè)計中關(guān)于石墨粒度的選擇上以及氧化磨損機制對性能的影響方面鮮有討論。

本文作者以粉末冶金法制備的銅?石墨電刷材料作為研究對象，從不同粒度和類型的石墨與銅的燒結(jié)機制入手，分析石墨粒度與瀝青粘結(jié)劑對燒結(jié)性能、顯微組織以及載流磨損機制的影響，并對磨損過程中材料的氧化行為進行了探討，以期為銅?石墨復(fù)合材料在滑動電接觸方面的應(yīng)用提供更多實驗依據(jù)與理論基礎(chǔ)。

1 實驗

本實驗使用的原料：電解銅粉，粒度25~38 μm，純度≥99.0%；錫粉，粒度38~48 μm，純度≥99.5%；二硫化鉬粉，粒度≤44 μm，純度≥98.5%；鱗片石墨粉，50號(石墨粒度(380±50) μm)、100號(石墨粒度(200±50) μm)和300號(石墨粒度(90±30) μm) 3種，按粒度由大到小依次記為鱗片石墨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，純 度≥99.85%；含瀝青鱗片石墨粉，瀝青含量12.5%，粒度為100號(石墨粒度(200±50) μm)。

按照表1配方成分進行配制，試樣A、B、C和D中石墨的實際含量均為28%，其中試樣D中的瀝青石墨以32%含量加入。將各組粉末分別置于V型混料機中干混2 h，并在200~300 MPa下模壓成型，最后將壓坯在氫氣保護氣氛下燒結(jié)。燒結(jié)溫度880~910 ℃，保溫時間90 min，水套冷卻，試樣尺寸6.75 mm×10 mm×4.5 mm。

表1 試驗成分配比

載流摩擦磨損試驗是在自制的電摩擦磨損試驗機上進行，載流摩擦磨損機構(gòu)和對偶件換向器如圖1所示。其中換向片為紫銅，對偶件的直徑為29.52 mm。試驗在30 A的恒流條件下進行，電流密度為98.8 A/cm2，換向器轉(zhuǎn)動速度為1000 r/min(線速度為1.55 m/s)，負荷為10 N，每隔30 min換向器的旋轉(zhuǎn)方向更迭一次，共進行32 h試驗，試驗完成后測算記錄試樣的質(zhì)量損失并計算磨損率。磨損率(W)根據(jù)公式(1)進行計算：

W=/() (1)

式中：?/為磨損體積；?為試樣的質(zhì)量損失；為試樣的密度；為摩擦作用力；為滑動距離；磨損率W的單位為m3/(N·m)。

圖1 電摩擦磨損試驗機簡圖與換向器

采用NavoNanoSEM230型附帶能譜儀的掃描電子顯微鏡觀察試樣試驗前后的表面組織形貌；采用SIMENS型X射線衍射儀對試驗前后的試樣進行物相分析；采用ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜儀對試驗后換向器的摩擦表面膜進行分析；采用排水法對試樣的密度和開孔率進行測算；采用210HR?150型碳刷硬度計對試樣硬度進行測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料性能

表2所列為4種試樣的壓坯密度、燒結(jié)密度、體積收縮率、開孔率及硬度。由表2可見，含粘結(jié)劑的試樣A、B和C在燒結(jié)后的體積發(fā)生了膨脹，且膨脹程度隨石墨粒度減小而增大；同時，隨著石墨粒度的降低，試樣的燒結(jié)密度和硬度逐漸下降，開孔率呈上升的趨勢。而含粘結(jié)劑的試樣D在燒結(jié)后則發(fā)生收縮，而其燒結(jié)密度和硬度均有明顯的提高，開孔率則明顯下降。

表2 不同試樣的性能

圖2所示為由4種不同石墨組成試樣的組織形貌。由圖2可見，在試樣A(見圖2(a))的局部區(qū)域存在著集中的孔洞，石墨與銅各自存在偏聚區(qū)。而試樣B(見圖2(b))中的孔洞則相對分散，石墨與銅各自偏聚區(qū)減少。當(dāng)粒度降為300號時(見圖2(c))，銅基體被石墨嚴重割裂，孔洞數(shù)量急劇增加。顯而易見，隨著石墨粒度的降低，銅和石墨的接觸界面增加。同時，在界面處存在著較大的孔洞，并且孔洞數(shù)量隨著石墨粒度的減小而增加。而在含粘結(jié)劑的試樣D(見圖2(d))中，銅與石墨分布更加均勻，且其孔洞數(shù)量明顯減少、孔洞尺寸明顯變小。

圖2 不同石墨組成試樣的表面形貌

圖3所示為銅與石墨簡單堆積的截面圖。其中，將石墨與銅顆粒以球形近似，并忽略接觸過程中的彈性和塑性變形。對于不同粒度石墨組成的試樣而言，銅與石墨的堆積情況是不同的[11]。由圖3可知，當(dāng)石墨總量一定時，隨著石墨粒度的減小，每個石墨顆粒與銅之間的孔洞數(shù)目減小，但是由于總的石墨顆粒數(shù)量會增加，銅與石墨相鄰的幾率會大大的提高，從而體系總孔洞數(shù)也將大大的提高。而銅與石墨為不互溶體系，在910 ℃下，燒結(jié)只發(fā)生在銅與銅之間，因此，除了靠近這個區(qū)域的孔洞會產(chǎn)生收縮外，其他地方不會形成燒結(jié)頸。因此，隨著石墨粒度的減小，石墨因彌散分布而阻礙銅原子間擴散的作用越發(fā)明顯，從而削弱了材料的物理力學(xué)性能。并且由于石墨與銅的比重相差大，在混料的過程中，銅與石墨往往無法實現(xiàn)均勻的混合，因此，在圖2(a)、(b)和(c)中可以明顯觀察到局部的石墨聚集區(qū)。而對于添加瀝青石墨的試樣D(見圖2(d))而言，粘結(jié)劑能給銅和石墨提供足夠的粘結(jié)力，在混料過程中改善了石墨與銅的均勻分布。

圖3 石墨?銅堆積截面

在燒結(jié)初期，溫度上升引起的壓坯內(nèi)部應(yīng)變能的釋放，將導(dǎo)致壓坯體積膨脹[12]。由于不含粘結(jié)劑的試樣A、B和C的壓坯密度較高，且在燒結(jié)過程中因銅顆粒之間形成燒結(jié)頸所產(chǎn)生的收縮效應(yīng)無法完全抵消膨脹效應(yīng)，所以最終造成體積發(fā)生膨脹，這是其密度、硬度較低以及開孔率較高的主要原因。而對于含有粘結(jié)劑的試樣D而言，由于其本身的壓坯密度較低，且在燒結(jié)初期，粘結(jié)劑的焦化以及揮發(fā)分的排出在材料內(nèi)部留下了大量的空隙，從而銅與銅形成燒結(jié)頸并且能進一步收縮的體積將大大地增加，這導(dǎo)致燒結(jié)產(chǎn)生的收縮效應(yīng)將大于膨脹效應(yīng)。另外，試樣D中石墨與銅的均勻分布減小了銅原子擴散所需的總路程，燒結(jié)致密化的過程能更快地完成，因此，試樣D表現(xiàn)出相對更高的密度、硬度和較低的開孔率。

2.2 載流摩擦磨損性能

圖4所示為不同試樣的磨損率。由圖4可知，隨著石墨粒度的降低，試樣的磨損率上升，當(dāng)石墨粒度降為300號時，試樣C的磨損明顯加劇。而在相同石墨粒度下，含瀝青粘結(jié)劑試樣D的磨損比不含瀝青粘結(jié)劑試樣B的低22.7%。

圖5所示為不同試樣的摩擦表面。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著石墨粒度的降低，試樣摩擦表面的犁溝變得稀疏，而其寬度逐漸變寬，同時，銅基體的形貌特征由粗糙向平滑轉(zhuǎn)變。而添加瀝青石墨的試樣表面的犁溝較細，且其中大部分銅基體是以平滑狀態(tài)分布于材料中。

對比各試樣試驗前后的表面形貌，試樣A在試驗前后的主要變化是銅基體形貌更加粗糙。圖6(a)所示為是試樣A(見圖5(a))中的粗糙區(qū)域(Coarse area)，可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域存在著大小不一的液滴狀顆粒，并且許多顆粒已附著在石墨表面上。圖6(b)所示為該區(qū)域的能譜，可以發(fā)現(xiàn)氧的明顯存在。因此，推斷這些區(qū)域是在電弧的高溫作用下，局部區(qū)域瞬間形成熔池后，銅液凝固所形成，而這些區(qū)域即為電弧燒蝕區(qū)；試樣B除了在摩擦表面出現(xiàn)電弧燒蝕區(qū)外，其變化還體現(xiàn)在摩擦面上銅相的擴大和石墨相的縮小；而試樣C在摩擦前后的主要變化則是以銅相擴大和石墨相縮小為主，且伴隨著摩擦面上大量的孔洞消失。摩擦面上銅相和石墨相的變化，是因為在摩擦過程中表層的材料剝落形成磨屑，構(gòu)成磨粒磨損。其中，材料內(nèi)部石墨被擠出，并以潤滑層的形式存在[13?14]；由于銅基體較軟，在剪切應(yīng)力的作用下，銅凸點能鋪展摩擦面而形成銅相擴大的形貌。對于含有粘結(jié)劑的試樣D而言，其試驗前后的變化與試樣B相似，也是以出現(xiàn)電弧燒蝕區(qū)及銅相和石墨相的變化為主。

圖4 不同石墨組成試樣的磨損率

圖5 不同石墨組成試樣的摩擦表面

圖6 電弧燒蝕區(qū)域的形貌與能譜分析

比較試樣A、B和C的摩擦面形貌，并結(jié)合上述分析可以知道，隨著石墨粒度的減小，摩擦面上電弧燒蝕特性逐漸減輕而磨粒磨損特性則逐漸明顯。同時，結(jié)合相應(yīng)的磨損結(jié)果(見圖4)可以推斷，磨粒磨損對材料磨損率的直接影響要高于電弧燒蝕對磨損率的直接影響。

此外，電流對磨損率的間接影響也是不可忽略的。在載流摩擦過程中，摩擦表面電流傳遞的縮流效應(yīng)、隧道效應(yīng)更強，從而部分接觸點的溫度會達到赤熱程度。此時，被離化的正離子束將由換向器表面流向試樣。當(dāng)換向器表面與試樣間的電壓越高，離子的速度則越快,對試樣的沖擊作用將越大,從而試樣接觸表層材質(zhì)更疏松。電流傳遞時,電子從試樣逸出，加速了碳微粒從試樣上脫落的速度,使磨損增大[15?17]。

就銅與石墨組元而言，由于石墨熔點遠高于銅的熔點，所以石墨本身的抗電弧燒蝕能力要遠優(yōu)于銅的。對于低碳電刷材料而言，細粒度石墨在材料中分布相對更加彌散，從而提升材料的抗電弧燒蝕的能力。但是，由于其材料本身較低的物理力學(xué)性能，加之電弧燒蝕對銅的影響，使整體材料的力學(xué)性能弱化更加明顯，材料抗磨粒磨損性能會大大的降低，從而加劇了材料的磨損；相反，粗石墨在抗電弧燒蝕性能上相對較差，但是整體材料的力學(xué)性能受電弧燒蝕帶來的弱化作用相對較小，因而其磨損也較低；而粘結(jié)劑的引入改善了材料中銅與石墨的均勻性，提高材料物理力學(xué)性能，較未添加粘結(jié)劑的同粒度石墨而言，相對改善了其抵抗磨損的能力。

2.3 載流條件下的氧化行為

一般而言，固相化學(xué)反應(yīng)所需的高活化能是以熱能和機械能的形式供給，即晶格畸變和摩擦熱能夠提高材料與周圍氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)的反應(yīng)幾率。所以，摩擦化學(xué)反應(yīng)能改變表面范圍內(nèi)的強度，從而改變滑動特性，并有助于生成氧化層[18]。不同石墨粒度下的材料開孔率不同，這不僅影響了材料的密度和硬度等性能，而且也為氣體擴散提供了通道。此外，摩擦表面及亞表面在周期性摩擦應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了許多裂紋等缺陷。因此，氧分子會借助這些缺陷或通道滲入材料基體內(nèi)部，在摩擦過程中對材料產(chǎn)生深層氧化。

圖7 試樣C試驗前后的XRD譜

由圖7中試樣C在試驗前后的XRD結(jié)果可知，試驗后，試樣中的Cu含量減少，并且有明顯的Cu2O產(chǎn)生。這是由于在大氣中，Cu存在如下氧化反應(yīng)：185~200 ℃時，2Cu+1/2O2=2Cu2O；350 ℃以上時，Cu2O+1/2O2=2CuO。圖8所示為試樣C試驗后的剖面SEM像以及能譜分析。如圖8(a)所示，在白色區(qū)域部分存在兩種襯度，其中襯度較亮的區(qū)域被低襯度相所包圍。對比圖8(b)、(c)可以知道，暗襯相中的氧含量明顯高于亮襯相。結(jié)合XRD分析，能夠推斷出亮襯區(qū)域為Cu，暗襯區(qū)域為Cu2O。同時，在圖8(a)中可以發(fā)現(xiàn)，Cu2O分布在Cu基體周圍的現(xiàn)象，尤其在孔洞以及銅與石墨交界處更加明顯，這表明在摩擦過程中，不僅在試樣表面會形成氧化膜，而且氧分子還可以通過材料的孔隙或銅與石墨之間的孔隙通道滲入材料的基體，對材料內(nèi)部產(chǎn)生深層氧化[19]。

圖8 試樣C在試驗后剖面的SEM像與能譜分析

圖9所示為換向器摩擦表面膜的Cu2p譜。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，在圖中具有明顯的震激伴峰(結(jié)合能位于943.414 eV附近)，判定Cu2p結(jié)合能在934.2 eV的為Cu2+。結(jié)合XRD分析，可以推測Cu2p結(jié)合能位于932.5eV和933.1 eV的峰為Cu+和Cu。因此，可以判斷在摩擦過程中除了產(chǎn)生Cu2O還生成了CuO?；w中大量的Cu2O為CuO的生成提供了條件，摩擦過程中的局部“閃點”高溫，可以促進CuO的生成。而Cu2O和CuO的存在使電阻率提高，導(dǎo)致在工作過程中大量熱量產(chǎn)生，降低了試樣在服役條件下的穩(wěn)定性和使用壽命。同時，在電弧的局部高溫作用下，CuO作為催化劑能促進石墨的氧化，從而加快試樣的磨損速度[20?22]。同時，隨著石墨粒度的降低，相界面和孔洞的數(shù)目的提高將造成更多的散射面積，減弱自由電子與聲子的傳熱能力，降低材料的熱導(dǎo)率[23?24]。在這種情況下，由于散熱不均造成的石墨氧化現(xiàn)象將更加嚴重，從而使由細粒度石墨組成的試樣C的磨損加劇。

圖9 換向器摩擦表面膜的Cu2p譜

3 結(jié)論

1) 隨著石墨粒度的下降，銅石墨復(fù)合材料的開孔率上升，燒結(jié)密度、收縮率及硬度下降，載流摩擦過程中的磨損增加、電弧燒蝕逐漸減輕而磨粒磨損更加明顯。

2) 瀝青粘結(jié)劑能給石墨與銅提供粘結(jié)力，改善石墨與銅的均勻分布，促進燒結(jié)的致密化，提高材料物理力學(xué)性能，進而改善載流摩擦磨損性能。

3) 在摩擦過程中，氧分子可以通過材料孔隙或銅與石墨之間的孔隙通道滲入材料的基體，對材料內(nèi)部產(chǎn)生深層氧化；摩擦過程中生成的Cu2O和CuO使電阻率提高，降低了試樣在服役條件下的穩(wěn)定性和使用壽命。

REFERENCES

[1] 王常川, 王日初, 彭超群, 馮 艷, 韋小鳳. 金屬基固體自潤滑復(fù)合材料的研究進展[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2012, 22(7): 1945?1955.WANG Chang-chuan, WANG Ri-chu, PENG Chao-qun, FENG Yan, WEI Xiao-feng. Research progress of metallic solid self-lubricating composites[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012, 22(7): 1945?1955.

[2] 汪禮敏. 銅及銅合金粉末與制品[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2010: 112?113. WANG Li-ming. Copper and powders and products of copper alloy[M]. Changsha: Central South University Press, 2010: 112?113.

[3] ZHENG R G, ZHANG X X. Wear behavior of Cu-based composite under different electrical currents[J]. Advanced Materials Research, 2013, 750/752: 701?704.

[4] 董 霖. 載流摩擦磨損機理研究[D]. 重慶: 西南交通大學(xué), 2008: 3?4. DONG Lin. Study on the mechanism of friction and wear with electric current[D]. Chongqing: Southwest Jiaotong University, 2008: 3?4.

[5] 黎凱強, 向雄志, 白曉軍, 梁寶盈, 龔文亞. 不同粒度和石墨含量對銅?鍍銅石墨復(fù)合材料性能的影響[J]. 金屬功能材料, 2016, 23(1): 47?50.LI Kai-qiang, XIANG Xiong-zhi, BAI Xiao-jun, LIANG Bao-ying, GONG Wen-ya. Effects of particle size and copper-coated graphite content on properties of the Cu/copper-coated graphite composite[J].Metallic Functional Materials, 2016, 23(1): 47?50.

[6] 王觀民, 張永振, 杜三明, 劉維民. 不同氣氛環(huán)境中鋼/銅摩擦副的高速干滑動摩擦磨損特性研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 2007, 27(4): 346?351.WANG Guan-min, ZHANG Yong-zhen, DU San-ming, LIU Wei-min. Study on tribological behavior of steel brass couples in different atmosphere under high speed and dry sliding[J]. Tribology, 2007, 27(4): 346?351.

[7] QIAN Gang, FENG Yi, CHEN Yang-ming, MO Fei, WANG Yu-qing, LIU Wen-hong. Effect of WS2 addition on electrical sliding wear behaviors of Cu-graphite-WS2 composites[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(6): 1986?1994.

[8] LI Jing-fu, ZHANG Lei, XIAO Jin-kun, ZHOU Ke-chao. Sliding wear behavior of copper-based composites reinforced with graphene nanosheets and graphite[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(10): 3354?3362.

[9] ГЕРШМАН И С, 胥金榮. 改性石墨?銅復(fù)合材料的特性研究[J]. 國外機車車輛工藝, 2015(1): 20?23. ГЕРШМАН И С, XU Jin-rong. The study on characteristics of modified graphite and copper composite[J]. Foreign Locomotive & Rolling Stock Technology, 2015(1): 20?23.

[10] 符 蓉, 王嘉陽, 高 飛, 韓曉明. 慣性制動條件對銅?石墨材料摩擦性能及第三體的影響[J]. 潤滑與密封, 2014, 39(11): 31?35. FU Rong, WANG Jia-yang, GAO Fei, HAN Xiao-ming. Effects of inertia brake conditions on friction properties and the third bodies of copper-graphite materials[J]. Lubrication Engineering, 2014, 39(11): 31?35.

[11] COBLE R L. Initial sintering of alumina and hematite[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1958, 41: 55?62.

[12] 阮建明, 黃培云. 粉末冶金原理[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012: 304?307. RUAN Jian-ming, HUANG Pei-yun. Powder metallury principle[M]. Beijing: China Machine Press, 2012: 304?307.

[13] 浩宏奇, 丁華東, 李雅文, 金志浩. 石墨含量對銅基材料摩擦磨損性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 1997, 17(3): 120?123.HAO Hong-qi, DING Hua-dong, LI Ya-wen, JIN Zhi-hao. Effect of graphite content on friction and wear properties of copper base material[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1997, 17(3): 120?123.

[14] 高 強, 吳渝英, 張國定,洪 鋟, 肖學(xué)明. 碳纖維對銅?石墨復(fù)合材料性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2000, 20(S1): 97?101.GAO Qiang, WU Yu-ying, ZHANG Guo-ding, HONG Qin, XIAO Xue-ming. Effect of carbon fiber on property of copper-graphite composite materials[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2000, 20(S1): 97?101.

[15] 李雪飛, 上官寶, 張永振. 石墨粒度對C/Cu復(fù)合材料載流摩擦磨損性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2011, 40(24): 115?117.LI Xue-fei, SHANGGUAN Bao, ZHANG Yong-zhen. Effects of graphite particle size on friction and wear properties of C/Cu composite[J]. Hot Working Technology, 2011, 40(24):115?117.

[16] 彭秀英. 對電刷磨損機制的探討[J]. 潤滑與密封, 1990(5): 48?51. PENG Xiu-ying. Inquiring into the wear mechanisms of brush[J]. Lubrication Engineering, 1990(5): 48?51.

[17] 萬 成, 李繼文, 王 展, 馬竇琴, 張會杰, 魏世忠, 張國賞, 徐流杰. W-30Cu電接觸材料直流電接觸行為[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2016, 26(1): 126?136.WAN Cheng, LI Ji-wen, WANG Zhan, MA Dou-qin, ZHANG Hui-jie, WEI Shi-zhong, ZHANG Guo-shang, XU Liu-jie. Electrical contact behavior of W-30Cu contact material under direct current condition[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(1): 126?136.

[18] 凱爾 A, 默爾 W A, 維納里庫 E. 電接觸和電接觸材料[M]. 趙華人, 陳昌圖, 陶國森, 譯. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1993: 153?155. KEIL A, MERL W A, VINARICKY E. Electrical contact and electrical contact materials[M]. ZHAO Hua-ren, CHEN Chang-tu, TAO Guo-sen, transl. Beijing: China Machine Press, 1993: 153?155.

[19] 郭忠全. 高性能銅基電接觸復(fù)合材料的研制及強化機理研究[D]. 濟南: 山東大學(xué), 2011: 114?115. GUO Zhong-quan. The production and reinforcement of high-performace copper-based electrical contact composite[D]. Jinan: Shandong University, 2011: 114?115.

[20] MCCARROLL B, MCKEE D W. Reactivity of graphite surfaces with atoms and molecules of hydrogen, oxygen and nitrogen[J]. Carbon, 1971, 10(3): 301?311.

[21] SAVAGE D E, LAGALLY M G, SCHRADER M E. Electron spectroscopy analysis of contact surfaces in the wear of carbon brushes against copper commutators[J]. Applications of Surface Science, 1981, 7(1/2): 142?155.

[22] SAKAI Y, NINOMIYA S, HIRAOKA K. XPS depth analysis of CuO by electrospray droplet impact[J]. Surface & Interface Analysis, 2012, 44(8): 938?941.

[23] 堵永國, 龍雁, 張家春. 電接觸材料的熱導(dǎo)率[J]. 電工合金, 1996, 2(1): 15?21. DU Yong-guo, LONG Yan, ZHANG Jia-chun. Thermal conductivity of electric contact material[J]. Electric Engineering Alloy, 1996, 2(1): 15?21.

[24] DENG C H, CHEN G Z, QI-LU G E. Effect of graphite content and granularity on mechanical and tribological properties of bronze alloyed powder composite[J]. Journal of Iron & Steel Research International, 2005, 12(1): 54?57.

(編輯 李艷紅)

Effects of graphite granularity and pitch binder on properties of copper-graphite brush

LIN Xue-yang, LIU Ru-tie, XIONG Xiang, CHEN Jie

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Copper-graphite brushes were fabricated through powder metallurgy method by flake graphite with different sizes (graphiteⅠ, Ⅱ, Ⅲ) and pitch binder. The original phase components and structure morphologies were compared with the worn sample by using X-ray diffraction and scanning electron microscopy, respectively. The surface components of counterparts were studied by X-ray photoelectron spectroscopy. The results indicate that physical properties and the ability to resist the abrasive wear will be worse with the graphite granularity decreasing. However, the arc ablation will be enhanced. Uniform distribution of copper and graphite can be achieved by adding pitch binder, which improves the physical and mechanical properties and friction and wear properties. Furthermore, copper oxide generated from friction interface will reduce the thermal and electrical conductivity and catalyze graphite oxidation, which exacerbates the wear performance.

graphite granularity; pitch binder; friction; wear; oxidation

Project supported by State Key Laboratory of Powder Metallurgy, China; Project(2015DFR50580) supported by International S&T Cooperation Program of China; Project(51505503) supported by the National Natural Science Foundation of China

2016-06-28; Accepted date:2016-11-18

LIU Ru-tie; Tel: +86-731-88876566; E-mail: llrrtt@csu.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.07.12

1004-0609(2017)-07-1411-08

TF125；TH117.1

A

粉末冶金國家重點實驗室自主課題資助；科技部國家國際合作項目(2015DFR50580)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51505503)

2016-06-28；

2016-11-18

劉如鐵，副教授，博士；電話：0731-88876566；E-mail：llrrtt@csu.edu.cn