陳名祥，莊 輝，季德慧，熊光耀

(1.江西省科技事務(wù)中心，330029，南昌；2. 華東交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，330013，南昌)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，都市圈和城市群正在成為其發(fā)展的主要空間形式[1]。加快高鐵鐵路的發(fā)展將推動(dòng)區(qū)域間“同城化”和資源合理布局，助力區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。高速鐵路發(fā)展的三大基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)之一為弓網(wǎng)關(guān)系[2]，其載流摩擦副的穩(wěn)定性直接影響高鐵的行車安全[3-5]。

純銅因其高導(dǎo)電性和高電導(dǎo)率，常用作為接觸網(wǎng)材料，但因純銅強(qiáng)度較低、耐磨性較差，影響載流摩擦副的穩(wěn)定。為加強(qiáng)弓網(wǎng)的載流穩(wěn)定性，LIU等[6]通過(guò)對(duì)比Cu、Cu-Cr-Zr、Cu-Mg和Cu-Ag 4種合金接觸線載流摩擦試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加合金元素可以提高磨痕表面質(zhì)量和耐磨性，其中Cu-Cr-Zr合金接觸線具有最優(yōu)異綜合的載流摩擦性。然而，通過(guò)添加合金元素，其本質(zhì)是在材料中引入缺陷，這些缺陷顯著增大對(duì)電子的散射，從而降低合金材料的導(dǎo)電性能[7]。尤其在高速鐵路，接觸網(wǎng)具有長(zhǎng)距離、大載流等特點(diǎn)，造成能源浪費(fèi)和導(dǎo)線發(fā)熱等安全隱患。1999年盧柯等[8]提出表面納米化概念，加強(qiáng)材料表面性能的同時(shí)，表面影響層非常薄，且能保持材料內(nèi)部本身性能[9]。并通過(guò)表面機(jī)械磨削處理在純銅表面制備出厚度約為200 μm梯度結(jié)構(gòu)層，與普通粗晶銅樣相比，處理后銅樣在干摩擦滑動(dòng)條件下顯示出優(yōu)異的耐磨性[10]。但梯度結(jié)構(gòu)層上具有不穩(wěn)定性，在摩擦過(guò)程中會(huì)因應(yīng)力、摩擦熱等因素引起晶粒再結(jié)晶，一定程度減弱材料的耐磨性能[11]。

目前，通過(guò)引入嚴(yán)重塑性變形制備的梯度晶粒結(jié)構(gòu)層應(yīng)用于載流摩擦和載流摩擦副中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究相對(duì)較少。本文通過(guò)表面機(jī)械滾壓處理(SMRT)在T2紫銅接觸線表面制備梯度結(jié)構(gòu)層，著重研究載流強(qiáng)度對(duì)有無(wú)SMRT處理接觸線摩擦學(xué)行為，以及載流強(qiáng)度對(duì)梯度結(jié)構(gòu)層載流摩擦副受流性能影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料與制備

本試驗(yàn)所選用直徑12 mm的T2紫銅棒(GB/T 2059—2008)作為SMRT處理試樣，SMRT加工設(shè)備如圖1。采用加工參數(shù)主要為主軸轉(zhuǎn)速V1=560 r/min、WC/Co球軸向進(jìn)給速度V2=0.988 mm/s、電動(dòng)缸的起始?xì)鈮?.25 MPa、最大氣壓1.0 MPa，每次加壓0.15 MPa，往復(fù)加工6次，制備過(guò)程中全程通過(guò)5W-40SN級(jí)機(jī)油對(duì)滾壓表面進(jìn)行油液冷卻，加工結(jié)束后通過(guò)丙酮將試樣表面清洗干凈。其加工前銅棒和加工后銅棒分別記為：CG-Cu和SMRT-Cu。

圖1 SMRT加工設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在搭載載流模塊下往復(fù)試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行載流摩擦磨損試驗(yàn)[12]，載流模塊主要由5個(gè)部分組成。在室溫26 ℃，濕度40%RH的環(huán)境下，銅接觸線為直徑12 mm的T2紫銅棒，采用碳銷作為對(duì)摩材料，碳銷取自高速列車弓網(wǎng)碳滑板，通過(guò)控制電流強(qiáng)度進(jìn)行載流往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)，其試驗(yàn)主要參數(shù)為接觸載荷4 N，位移幅值6 mm，循環(huán)次數(shù)8 000次，電流大小0 A、5 A、10 A和15 A。試驗(yàn)結(jié)束后將樣品使用丙酮超洗3 min，然后60 ℃下真空烘干30 min。

采用光學(xué)顯微鏡觀察SMRT處理后橫截面微觀組織變化。通過(guò)納米壓痕儀測(cè)量SMRT處理后銅接觸線截面硬度，測(cè)試載荷為10 mN，保載時(shí)間為10 s。采用光學(xué)輪廓儀測(cè)量磨痕的二維形貌以及磨痕深度。采用掃描電鏡(SEM)觀察磨痕表面微觀結(jié)構(gòu)與損傷形貌，并配有能譜儀(EDS)以分析磨痕中元素的分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 SMRT處理后表面微觀結(jié)構(gòu)及硬度的影響

圖2(a)為SMRT處理后的T2紫銅接觸線橫截面的顯微金相圖。SMRT處理后的接觸線截面的晶粒尺寸在一定范圍內(nèi)隨著深度的增加而逐漸增大，約320 μm深度處晶粒尺寸達(dá)到最大值。在滾壓刀頭施加的接觸應(yīng)力作用下，銅接觸線的表層材料沿著刀頭滾壓方向，發(fā)生了明顯的塑性流動(dòng)，近表層組織被拉長(zhǎng)并發(fā)生細(xì)化現(xiàn)象，晶界被擠壓變形。SMRT處理后由于晶界密度較高，導(dǎo)致晶粒在光學(xué)顯微鏡下難以清晰分辨。為清楚觀察表面晶粒結(jié)構(gòu)和尺寸，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行TEM表征(圖2(b))。發(fā)現(xiàn)此處晶粒結(jié)構(gòu)主要存在微形變孿晶和微等軸晶，平均晶粒尺寸約200～300 nm。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)微孿晶形態(tài)主要有三角形和菱形，其內(nèi)部含有大量位錯(cuò)、位錯(cuò)墻和位錯(cuò)胞，這與LU等[13]通過(guò)激光沖擊強(qiáng)化處理工業(yè)純鈦，晶粒形態(tài)表面分布結(jié)果相似。表面細(xì)化途徑主要存在2種：一是沖擊產(chǎn)生平行孿晶片層，多次沖擊后平行孿晶被分割成微孿晶片層；二是晶粒內(nèi)部位錯(cuò)增生、運(yùn)動(dòng)和平面化，進(jìn)一步形成位錯(cuò)胞，轉(zhuǎn)化成微等軸晶。圖2(c)為SMRT處理后銅接觸線截面硬度分布，通過(guò)比較其截面晶粒尺寸分布，發(fā)現(xiàn)硬度大小主要受晶粒尺寸的影響，符合經(jīng)典的Hall-Petch關(guān)系。處理后銅接觸線表面硬度最高，約1.94 GPa，比基體硬度提高約20%。隨著深度的增加，硬度持續(xù)下降，距表面約300 μm處達(dá)到最低，與SMRT處理后銅接觸線截面晶粒影響層厚度基本相似。

(a)SMRT處理后銅接觸線的截面金相

(b) 截面表層TEM圖 (c) 截面納米硬度圖2 SMRT處理后銅接觸線的截面微觀結(jié)構(gòu)及硬度

2.2 載流強(qiáng)度對(duì)有無(wú)SMRT處理銅接觸線的摩擦學(xué)性能影響

2.2.1 摩擦系數(shù) 圖3為不同電流下有無(wú)SMRT處理的銅接觸線試樣的摩擦系數(shù)。SMRT銅接觸線的摩擦系數(shù)從0 A下0.19到15 A下0.14，整體呈下降趨勢(shì)，未處理銅接觸線的摩擦系數(shù)整體呈線性上升趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比相同條件下2種銅棒，發(fā)現(xiàn)未載流條件下，SMRT銅接觸線的平均摩擦系數(shù)略高于粗晶銅接觸線的摩擦系數(shù)，相比增幅約6%；然而，載流條件下，SMRT銅接觸線摩擦系數(shù)明顯低于粗晶接觸線，隨電流增加降低幅度越明顯，相比同條件下粗晶銅棒降幅分別為10%、32%和41%，表明載流條件下SMRT銅接觸線摩擦性能明顯優(yōu)于粗晶銅接觸線，電流作用下更能發(fā)揮其獨(dú)特梯度結(jié)構(gòu)的減摩效果，且在10 A和15 A條件下最明顯。為更明顯體現(xiàn)SMRT加工手段對(duì)摩擦系數(shù)變化的影響，取0 A和10 A下SMRT與粗晶銅接觸線摩擦系數(shù)隨循環(huán)系數(shù)變化曲線對(duì)比(圖3(b))。0 A下SMRT銅接觸線的摩擦系數(shù)整體大于粗晶銅接觸線，在初始循環(huán)次數(shù)達(dá)到最大值后緩慢降低，且在約5 000次循環(huán)達(dá)到平穩(wěn)，到達(dá)平穩(wěn)循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于粗晶銅接觸線；對(duì)比10 A電流下，SMRT銅接觸線的摩擦系數(shù)約2 000次循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定，且摩擦系數(shù)遠(yuǎn)低于粗晶銅接觸線，這說(shuō)明電流條件SMRT處理后的梯度結(jié)構(gòu)層具有優(yōu)異減摩效果。

(a)平均摩擦系數(shù)

(b)0 A和10 A下實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)圖3 不同電流強(qiáng)度下有無(wú)SMRT處理的銅接觸線試樣的摩擦系數(shù)

2.2.2 接觸電阻及接觸能量 圖4為不同電流強(qiáng)度下有無(wú)SMRT處理的銅接觸線試樣的的平均接觸電阻和接觸能量。SMRT與粗晶銅棒接觸電阻與電流強(qiáng)度增加呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，與此相反，接觸點(diǎn)能量隨電流強(qiáng)度的增加呈正相關(guān)趨勢(shì)。并且SMRT銅棒的接觸電阻變化趨勢(shì)與其摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)一致，在10 A時(shí)下降幅度最大，約28%。值得注意的是，10 A時(shí)同樣接觸電阻相差最大。對(duì)比有無(wú)SMRT處理銅接觸線摩擦副接觸點(diǎn)能量，SMRT銅棒具有較低的接觸能量，即摩擦副之間產(chǎn)生的熱量小于粗晶銅棒，減緩摩擦表面熱軟化效應(yīng)。

圖4 為不同電流強(qiáng)度下有無(wú)SMRT處理的銅接觸線試樣的平均接觸電阻和接觸能量

2.2.3 SMRT接觸線磨痕損傷形貌及機(jī)理 圖5為0 A和10 A下有無(wú)SMRT處理的銅接觸線試樣磨痕損傷形貌。0 A條件下，未處理接觸線磨痕表面較平整，磨痕表面存在輕微犁溝，且垂直于磨痕方向存在黑色紋理。黑色紋理處富集碳元素(圖5(a))，這說(shuō)明未處理銅接觸線磨損機(jī)理主要為輕微黏著磨損和磨粒磨損。粗晶接觸線粗晶銅棒試驗(yàn)前具有大量表面缺陷，試驗(yàn)后摩擦副之間發(fā)生材料轉(zhuǎn)移，碳集聚與缺陷處，隨著試驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行，在表面壓實(shí)。石墨因具有良好的潤(rùn)滑性[14]，在表面形成完整轉(zhuǎn)移膜過(guò)程中，摩擦系數(shù)緩慢降低，約在4 000次循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定(圖3(b))。對(duì)比SMRT接觸線，處理后表面存在大量加工微紋理，其硬度比粗晶硬度提高約20%，表面抗剪切能力較強(qiáng)[15]，造成大量碳集聚于紋理處，但由于無(wú)法在其表面形成緊密結(jié)合層，造成表面黏著層剝落，無(wú)法形成有效的潤(rùn)滑膜，從另一角度看，碳銷磨痕表面出現(xiàn)大量嚴(yán)重剝落坑，連續(xù)性完整磨痕接觸區(qū)域損傷嚴(yán)重，接觸不穩(wěn)定性加劇黏著層剝落，導(dǎo)致SMRT處理后的銅接觸線摩擦系數(shù)比未處理的銅接觸線較高(圖3(a))。10 A條件下，接觸點(diǎn)能量增加，摩擦熱和焦耳熱共同作用導(dǎo)致磨痕表面軟化，但由于接觸點(diǎn)瞬間能量過(guò)高，表面材料發(fā)生熔融、濺射，形成點(diǎn)滴狀凸起，由于大量濺射顆粒其硬度較高，造成未處理銅接觸線犁溝道次和損傷程度相比0 A條件下顯著增加，導(dǎo)致摩擦系數(shù)系數(shù)升高。對(duì)比SMRT處理后，接觸區(qū)能量明顯低于未處理銅接觸線(圖4)，其熱軟化效應(yīng)導(dǎo)致初始高硬度降低，其表面犁溝明顯減輕；磨痕接觸區(qū)域平整從而接觸電阻較低，磨痕表面電氣磨損現(xiàn)象較輕，導(dǎo)致其摩擦系數(shù)明顯降低。與未載流銅棒和載流條件下粗晶銅棒相比，SMRT銅棒具有較好的載流摩擦性能。

(a)0 A CG-Cu (b) 0 A SMRT-Cu

(b)10 A CG-Cu (d) 10 A SMRT-Cu圖5 0 A和10 A下有無(wú)SMRT處理的銅接觸線試樣磨痕損傷形貌

2.3 載流強(qiáng)度對(duì)SMRT處理摩擦副受流性能影響

圖6為經(jīng)SMRT處理后銅接觸線對(duì)磨副碳銷不同載流強(qiáng)度下磨痕損傷形貌。5～10 A過(guò)程中，表面磨痕平整有效接觸區(qū)域明顯增加，10 A和15 A條件下該接觸區(qū)域變化并不明顯。對(duì)比圖4中接觸電阻與接觸能量的變化規(guī)律，說(shuō)明接觸電阻變化主要受有效接觸區(qū)域的影響，呈正相關(guān)趨勢(shì)。不同載流強(qiáng)度下，碳銷磨痕表面均出現(xiàn)白色薄霧狀黏著物，通過(guò)圖6(b)中的EDS分析發(fā)現(xiàn)，白色黏著物主要以銅和銅的氧化物為主。從5～10 A銅的黏著和氧化物明顯增加，而10～15 A黏著和氧化物明顯減少。在15 A條件下，表面出現(xiàn)較大的剝落坑，并且摩擦副接觸能量達(dá)到最大，對(duì)摩擦副的軟化作用較強(qiáng)，黏著作用較強(qiáng)，最終導(dǎo)致黏著點(diǎn)的剝落，造成磨痕表面含銅白色黏著物減少，以及加劇接觸線的剝落(圖6(d))。

(a)5 A處理組碳棒 (b)10 A處理組碳棒

15 A處理組碳棒 (d)SMRT磨痕輪廓圖6 經(jīng)SMRT處理摩擦副不同載流強(qiáng)度下銅接觸線的磨痕損傷形貌及接觸線磨痕截面輪廓

因此，受流性能與電流強(qiáng)度關(guān)系并不是簡(jiǎn)單線性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)(5～10 A)，增大載流強(qiáng)度能有效減小摩擦副之間的磨損現(xiàn)象，改善接觸質(zhì)量，而降低摩擦副之間的接觸電阻，受流性能會(huì)得到一定程度上提高。隨著載流強(qiáng)度進(jìn)一步增大，當(dāng)達(dá)到15 A時(shí)，接觸電阻雖然降低，但接觸點(diǎn)能量會(huì)繼續(xù)升高，且升高幅度會(huì)大于5～10 A條件下，從而造成摩擦副表面熱軟化效應(yīng)增強(qiáng)，加劇磨痕表面剝落，加速載流摩擦副失效，導(dǎo)致受流性能降低。

3 結(jié)論

1)經(jīng)表面機(jī)械滾壓處理后銅接觸線表層晶粒明顯細(xì)化，晶粒尺寸沿深度方向梯度增加，最表面硬度約1.94 GPa，與基體粗晶組織相比，提高約20%。并且，硬度影響層與晶粒尺寸影響層厚度大致相似，約300 μm。

2)電流的加入會(huì)導(dǎo)致摩擦副雙方接觸界面發(fā)生明顯的變化。無(wú)電流條件下，SMRT處理接觸線發(fā)生嚴(yán)重黏著和黏著層大塊剝落，摩擦系數(shù)相比粗晶銅棒升高6%。載流條件下，由嚴(yán)重磨粒和黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微磨粒和黏著磨損，并且摩擦系數(shù)較粗晶接觸線分別降低約10%、32%和41%。SMRT處理后銅接觸線在載流條件具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

3)電流強(qiáng)度與SMRT接觸線受流性能并不是簡(jiǎn)單線性關(guān)系。低電流強(qiáng)度范圍，電流作用下能有效減少摩擦副之間疲勞剝落，改善接觸質(zhì)量，受流性能得到一定提高。但在大電流強(qiáng)度下，摩擦副之間黏著磨損增強(qiáng)，表面剝落坑增加，導(dǎo)致受流性能降低。