石墨含量对铜／石墨材料高速载流摩擦性能的影响

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

载流摩擦副是指具有通过电流功能的摩擦副，广泛应用于交通、电力、通信、计算机、测量、控制等行业和领域。载流摩擦问题主要涉及电接触学、摩擦学、材料学、力学、传热、物理学、化学等多学科，问题复杂。载流摩擦副在工作中，正常以擦伤为主，兼有磨粒磨损、氧化磨损和腐蚀磨损，非正常失效包括胶合、电烧蚀、冲击断裂等 。因此，要求材料具有高的电导率和导热率、低的接触电阻、灭弧性、低的摩擦因数和良好的耐磨损性等性能 ，由于载流摩擦副使用条件日益苛刻化，摩擦学与电接触学的耦合作用愈加突出，传统材料已经不能完全满足现在的要求。

已有不少研究证实在金属基体中加入固体润滑剂，在传输电能的基础上，可以提高材料的摩擦磨损性能 ，其摩擦学特性主要撒于：金属基体的物理力学性能，固体润滑剂与基体之间界面的结合强度 ，摩擦过程中固体润滑剂在对偶面发生转移及在对偶面上形成润滑膜的结构性能 。铜/石墨材料不仅含有导电导热性 良好 、耐蚀性好和-定强度的铜 ，还含有 自润滑性 良好 、熔点高 、抗熔焊性高和耐 电弧烧蚀能力强的石墨。且铜相对于金和银具有很大经济优势，石墨具有导电能力。石墨含量合理，且均匀的分布在铜/石墨材料中，在摩擦磨损过程中能在摩擦表面上形成石墨膜，是铜/石墨材料在电接触材料、导电材料领域发挥重大作用的前提 。前人对铜/石墨材料的载流摩擦性能进行了大量的研究，但是，其使用条件主要集中在相对滑动速度较小的开关、电刷和触头等领域 ” 。本文用自制不同石墨含量的铜/石墨材料，研究了石墨含量对铜/石墨材料的高速载流摩擦磨损性能的影响。

1 试验试验装置为自制销盘式 HST-100高速载流摩擦磨损试验机 (原理图见图 1)，其摩擦副为销 -盘式结构 ，电机经过调速驱动盘试样旋转，销试样及其夹持部分可以水平移动，通过液压系统给销试样施加载荷，使其与盘试样对摩。电流从 电源流 出，先后经过销试样 、盘试样和另-个销试样流回电源 。

ll 三El --]F---3广--图1 载流摩擦磨损试验机原理图基金项目：国家自然科学基金项 目(U1034002)；河南势技厅省院科技合作基金项目(112106000034)；河南科技大学大学生研究 I练计划项 目(2012026)作者简介：徐晓峰(1960-)，女，陕西绥德人，教授，主要从事材料摩擦学方面的研究。

收稿 日期 ：2013-05-18· 2· 河 南 科 技 大 学 学 报 ：自然 科 学 版试验中采用 自制铜/石墨材料 (销试样材料)与市售铬青铜 QCr0.5(盘试样)进行 配副。铜/石墨材料制备工艺为 ：200目电解铜粉和 100目石墨粉 (纯度 99%)经 V形混料机 8 h混料 ，380 MPa预压成形，860℃烧结，保温4 h，炉冷至室温。试样中石墨质量分数分别为5%、10%、15%，最终试样的尺寸为西10 mm X25 mm。盘试样 的直径为 180 mm。

载流摩擦试验开始前 ，修平销试样和盘试样并预摩 10 rain。试验 的条件是 ：速度 分别为 5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s，载荷 30 N，电流采用50 A。用摩擦因数 磨损率 加、载流效率 和载流稳定性 s[1 来表征材料的载流摩擦磨损性能和载流质量，其中，磨损率由精度为0.1 mg的电子天平用失重法测量计算，载流效率的值越高，载流稳定性的值越小，其载流性能越好。用 JSM-5610LV型扫描电子显微镜和EDAX型能谱仪对销试样摩擦表面进行分析。

2 结果与讨论2.1 石墨含量对摩擦因数和磨损率的影响图 2给出了相对滑动速度为 5 m·s～、10 m·s～、20 m ·s 和 30 ITI·s～，电流为 50 A，载荷为 30N条件下，石墨含量对磨损率和摩擦因数的影响。从图2a中可以看出：随着速度的增加，每种材料摩擦因数均有增加的趋势，且石墨质量分数 15%的铜/石墨材料在不同速度条件下摩擦因数波动比较大；石墨质量分数为 10%的铜/石墨材料是 3种材料 中摩擦因数最小的。从 图 2b中可以看出：随着速度 的增加 ，石墨质量分数 5%的铜/石墨材料磨损率在增加 ，最大为 13.4 mg·m～；石墨质量分数为 15%的铜/石墨材料的磨损率有下降的趋势，在 5 m·s 时最高，达 6 mg·m～，在 20 m ·S 时最低，为 0.9mg·m～；石墨质量分数为10%的铜/石墨材料的磨损率在 1.2 mg·m 左右，是 3种材料中平均磨损率最小 的，且在不同速度下表现稳定。

函辎封阜、-，旃速度，(11 s ) 速度，(10-s- )(a) 摩擦因数 (b) 磨损率图2 石墨含量对磨损率和摩擦因数的影响铜/石墨材料的摩擦学性能，撒于铜基体的性能、石墨与铜的结合强度及石墨在磨损界面形成润滑膜的情况。石墨为层状结构 ，强度差 ，而且与铜完全不润湿。铜/石墨材料的力学性能主要撒于铜基体，随着石墨含量的提高，铜基体形成三维网状结构，并保持较高强度的难度逐步增大，同时，磨损界面的石墨含量越高，分布越均匀，润滑效果越好，在摩擦过程中发生黏着的可能性越低，摩擦磨损性能的变化是前述因素综合作用的结果。当石墨质量分数达到 15%时(石墨实际密度为 1 900～2 300kg·m～，体积分数达到43%左右)，铜基体的三维网状结构强度变差，材料容易脱落，从而导致其摩擦因数和磨损率波动比较大。

2.2 石墨含量对铜/石墨材料的载流磨损机制的影响图 3为 30 m。s～，50 A，30 N条件下不 同石墨含量铜/石墨材料的磨损表面。图 3a为石墨质量分数 5%的铜/石墨材料的磨损表面，其表面主要是黏着磨损的痕迹 ，出现了电弧侵蚀 的痕迹 (电弧烧蚀后在表面出现电弧熔损痕迹)。图3b为石墨质量分数 10%的铜/石墨材料的磨损表面，出现了大量的塑性变形痕迹，也可以看到电弧的侵蚀作用。图3c为石墨质量分数为 15%的铜/石墨材料的磨损表面，其表面分布了-层球状或近似球状的铜材料。

· · 河 南 科 技 大 学 学 报 ：自然 科 学 版 2013年为气态的过程吸收大量的热量 ，石墨含量越高，所吸收的能量越高。

通过上述不同石墨含量材料载流摩擦的比较发现：石墨质量分数在 10%左右的铜/石墨材料的磨损表面，在载流摩擦过程中形成氧化膜和石墨膜，较好地避免了铜的亲和力造成的黏着磨损，保持了较好的润滑性能，同时，基体材料中的铜保持了较好的电性能和机械性能。所以，其载流摩擦磨损性能较好。

2.3 石墨含量对载流效率和载流稳定性的影响图5给出了不 同石墨含量的铜/石墨材料在 30 N、50 A条件下的载流效率和载流稳定性。从 图 5a中可以看出：速度越高，载流效率越低；石墨质量分数 5%和 10%的铜/石墨材料的载流效率为75% ～85%，而石墨质量分数 15%的铜/石墨材料的载流效率为 77% ～47%，其载流效率明显较差。从图5b中可以看出：速度越高，载流稳定性越差；石墨质量分数 5%和 10%的铜/石墨材料的载流稳定性在20%左右，而石墨质量分数 15%的铜/石墨材料的载流稳定性为30% ～90%，其载流稳定性明显差。

高速载流滑动过程中，粗糙表面导电接触点的数量、单个接触点的状态、接触点的材质等因素会直接影响载流质量。随着速度的提高，摩擦副在接触过程中冲击越来越严重，导电接触状态变差，所以，同种材料随着相对滑动速度的增加载流质量变差。由于石墨的电阻率比铜高出两个数量级，同时，石墨与铜的结合为机械互锁 ，石墨膜在摩擦表面固定不牢 固，所以，石墨的含量越高 ，材料的电接触状态越差 ，载流质量越差。当石墨质量分数达到 15%时，材料中铜基体的网状结构强度不好，材料的电阻率较高，材料力学性能也较差，该材料的载流质量在不同的速度下不稳定，波动比较大。综上所述，从载流质量角度出发，石墨含量较低的铜/石墨材料较适用于高速载流摩擦。

3 结论速度，(m.s )(a) 载流效率速度/(m.s-1)(b) 载流稳定性图 5 不同石墨含量条件下的载流效率和载流稳定性(1)石墨质量分数 10%的铜/石墨复合材料的摩擦磨损性能好，石墨含量低的铜/石墨材料的载流质量好，石墨质量分数 10%的铜/石墨复合材料的综合载流和摩擦磨损性能最好。

(2)石墨质量分数 10%的铜/石墨复合材料的摩擦磨损机制主要是塑性变形，含有电弧侵蚀。