劉新龍，蔡振兵，劉善邦，彭金方，朱旻昊

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溫度對鎳和銅電接觸微動性能的影響

劉新龍，蔡振兵，劉善邦，彭金方，朱旻昊

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

選用兩種典型的電接觸材料(鎳、紫銅)進(jìn)行從室溫到高溫下(室溫~300℃)以及10 N載荷的電接觸微動試驗(yàn)，采用3D形貌儀和SEM對磨痕形貌進(jìn)行分析。結(jié)果表明：溫度對接觸電阻的影響顯著。在室溫環(huán)境下，兩種材料的接觸電阻均處在一個穩(wěn)定的值；隨著溫度的上升(室溫~100 ℃)，鎳的接觸電阻急劇上升，而銅的接觸電阻相對穩(wěn)定，隨著溫度上升至300 ℃，兩種材料的接觸電阻均發(fā)生劇烈變化。接觸區(qū)域的氧化磨屑生成和堆積是導(dǎo)致接觸電阻急劇上升的主要原因。

微動；接觸電阻；接觸斑點(diǎn)；溫度；電接觸

電接觸是指2個導(dǎo)電材料因帶電接觸而產(chǎn)生的一種狀態(tài)[1]。電接觸是所有電力電子線路中不可或缺的重要組成部分，其可靠性極為重要。由于載荷類型[2?3]、接觸方式[4]、接觸面積[5]、環(huán)境狀態(tài)[6]的差異，材料種類繁多，因而電接觸存在極為復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。電接觸材料的基本要求是：1) 良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性 能[7]；2) 低的接觸電阻和溫升；3) 抗熔焊和抗環(huán)境介質(zhì)污染[8]。而環(huán)境是主要的影響因素之一[9]。電接觸的質(zhì)量與水平對設(shè)備與系統(tǒng)的可靠性有著重要的影響。電接觸學(xué)屬于交叉學(xué)科。它將物理、力學(xué)、電學(xué)、材料、化學(xué)、環(huán)境等多個學(xué)科的概念和理論應(yīng)用于電連接可靠性問題，形成電接觸理論。電接觸是電子、通信、控制、電力系統(tǒng)中存在著普遍現(xiàn)象。如果接觸點(diǎn)發(fā)生故障，則可能影響到整個系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。由此引出了電接觸的穩(wěn)定性、壽命等與可靠性相關(guān)的研究內(nèi)容[10?11]。而接觸電阻是電連接的一個基本、主要的參數(shù)。電接觸的材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝、工作環(huán)境都有密切關(guān)系[9]。

電接觸的定義如圖1所示：理論上接觸的兩個導(dǎo)體，由于接觸表面存在初始粗糙度，實(shí)際接觸的區(qū)域是如圖1放大圖所示的微小觸點(diǎn)，這些實(shí)際接觸的區(qū)域稱為“接觸斑點(diǎn)”(Contact spot，a-spot)[12]。電流通過這些所謂的接觸斑點(diǎn)時必然發(fā)生收縮，這樣就引起了接觸電阻的變化[13]。

圖1 電接觸的定義

1 實(shí)驗(yàn)

鎳[14]和銅[15]都是常用的電接觸材料，目前對上述兩種材料研究較多，但是針對溫度變化(室溫~300℃)對其接觸電阻影響的研究較少，為了深入對2種材料電接觸性能的研究，確定溫度變化導(dǎo)致接觸電阻變化的機(jī)理與影響因素，改良與優(yōu)選電接觸材料，故選取鎳和銅作為試驗(yàn)研究對象，所選材料具體性能參數(shù)如表1所列。

本實(shí)驗(yàn)研究借助由西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所研制的1臺電接觸微動試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)主要包括驅(qū)動裝置、加載裝置以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具體如圖2所示。驅(qū)動裝置(見圖2(a))由壓電陶瓷驅(qū)動，加載系統(tǒng)采用砝碼加載，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：二維載荷傳感器、位移傳感器、NI數(shù)據(jù)采集卡。而接觸電阻的測量則采用經(jīng)典的四線法接線方式測量[16](見圖2(b)~(c))。試驗(yàn)中選用銅球(Cu：60.5%~63.5%；Fe：0.01%；Pb：0.08%；P：0.15%；So：0.005%；Bi：0.002%和Zn：Bal)/平面接觸作為研究對象，接觸副的具體尺寸如圖2(d)所示。為了消除材料接觸表面的初始粗糙度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾，所選材料的接觸面都預(yù)先經(jīng)過拋光處理。其中：觸點(diǎn)壓力設(shè)置為定載荷10 N，觸點(diǎn)電流為20 mA，溫度變化范圍為室溫、100℃、200 ℃、300 ℃。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過NI采集卡儲存至PC機(jī)中顯示及后處理。

表1 材料性能參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種接觸副的摩擦因數(shù)

兩種材料的摩擦因數(shù)(COF)和平均摩擦因數(shù)如圖3所示，可見兩種材料的摩擦因數(shù)受溫度的影響明顯：(a) 鎳的摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而降低，當(dāng)溫度從室溫上升至300 ℃時，摩擦所因數(shù)從0.83降至0.5；(b) 銅的摩擦因數(shù)并未隨著溫度的上升而降低，而是隨著溫度的上升而升高，當(dāng)溫度從室溫上升至300℃時，摩擦因數(shù)從0.33上升至0.75，其中100 ℃和200 ℃時摩擦因數(shù)值相似。

2.2 兩種接觸副的接觸電阻

圖4所示為兩種材料的接觸電阻，圖5所示為每2000個循環(huán)取一次平均值的平均電阻。從圖4可以看出：(a) 在室溫環(huán)境下，鎳的接觸電阻從3~31 mΩ之間變化，隨著溫度從100℃上升300 ℃，鎳的接觸電阻從530 mΩ 急劇上升至1450 mΩ。鎳的平均電阻在室溫環(huán)境下相對穩(wěn)定，而隨著溫度上升至300 ℃，平均接觸電阻從4000次循環(huán)開始上升，在8000次循環(huán)時達(dá)到峰值1002.24 mΩ；(b) 銅的接觸電阻在室溫和100 ℃環(huán)境下都相對較為穩(wěn)定，變化范圍從1.65~129 mΩ之間變化，當(dāng)溫度上升至200 ℃時，銅的最大接觸電阻增至501 mΩ，而3種溫度下(RT、100 ℃、200 ℃)平均接觸電阻較為相似，只在試驗(yàn)?zāi)┢陂_始發(fā)生明顯差異，其中200 ℃達(dá)到245.41 mΩ；當(dāng)溫度上升至300 ℃時，接觸電阻達(dá)到峰值(為1476 mΩ)，平均接觸電阻也急劇上升。

為研究兩種材料接觸電阻穩(wěn)定性與使用壽命，選取1 Ω、2 Ω作為接觸電阻兩個臨界閾值[17]。并根據(jù)材料的接觸電阻是否超出臨界閾值作為材料電接觸性能的評估依據(jù)。圖6所示為兩種材料在試驗(yàn)中，接觸電阻瞬時值達(dá)到兩個峰值(1000 mΩ，2000 mΩ)所需的循環(huán)次數(shù)，其中銅在室溫(RT)以及100℃下接觸電阻瞬時值最大值不足300 mΩ，故在室溫和100 ℃只選取100 mΩ和200 mΩ作為考察銅材料的兩個瞬時電阻峰值。從圖6(a)中可知，在4種環(huán)境下，鎳達(dá)到1000 mΩ的循環(huán)次數(shù)是8040、5419、5552、4432。達(dá)到2000 mΩ的循環(huán)次數(shù)是8050、6068、5787、2638；由圖6(b)可知，銅在200 ℃和300 ℃環(huán)境下達(dá)到1000 mΩ的循環(huán)次數(shù)是7642、7813，達(dá)到2000 mΩ的循環(huán)次數(shù)是7798、7874。由此可以得到以下分析：1) 鎳的接觸電阻達(dá)到瞬時峰值的循環(huán)次數(shù)相比銅要小得多，這說明鎳作為電接觸材料，其使用壽命比銅短，其接觸電阻相比銅要更大。2) 在200 ℃、300 ℃環(huán)境下，銅的瞬時接觸電阻在試驗(yàn)?zāi)┢诓趴蛇_(dá)到1000 mΩ、2000 mΩ峰值。這說明銅作為電接觸材料，在一定溫度下具有相對較長的使用壽命。

圖3 兩個摩擦副的摩擦因數(shù)和平均摩擦因數(shù)

圖4 兩個摩擦副的接觸電阻

圖5 兩個摩擦副的平均接觸電阻

圖6 兩個摩擦副的導(dǎo)電性能

2.3 微動運(yùn)行工況分析

兩種材料的運(yùn)行工況微動圖(摩擦力(t)?位移幅值())曲線[18]如圖7所示，由圖7可知：1) 在室溫環(huán)境下，兩種材料的微動區(qū)域都處在完全滑移區(qū)；2) 隨著溫度上升至100℃，鎳的微動工況處在混合區(qū)，與此同時銅的微動工況時處在部分滑移區(qū)；3) 300℃環(huán)境下，鎳的微動運(yùn)行工況仍然處在混合區(qū)；而銅的微動運(yùn)行工況處在部分滑移區(qū)?？偠灾菏覝丨h(huán)境下，兩種材料的微動運(yùn)行工況都在滑移區(qū)，而在高溫環(huán)境下，兩種材料的接觸表面發(fā)生劇烈的變化，微動運(yùn)行工況也在部分滑移和混合區(qū)之間轉(zhuǎn)變。

圖7 微動運(yùn)行工況圖與平均接觸電阻

2.4 磨損機(jī)制與接觸電阻的關(guān)系

圖8所示為高溫環(huán)境下接觸電阻達(dá)到峰值時的磨損機(jī)制原理圖以及對應(yīng)的等效電路圖。圖8(a)所示為磨損機(jī)制示意圖。在圖8(b)中，b代表球試樣的接觸電阻，d代表氧化磨屑(見圖8(c))的電阻，p代表平面試樣的接觸電阻，“a”和“b”代表微動區(qū)域不同的接觸點(diǎn)。球試樣的往復(fù)運(yùn)動等效于電路圖(見圖8(b))開關(guān)“S”交替接通觸點(diǎn)“a”和“b”，此時的瞬時接觸電阻阻值正好對應(yīng)圖8(d)中的“a”和“b”兩個峰值點(diǎn)。

材料在高溫下產(chǎn)生的氧化磨屑粘附在接觸表面將會引起兩個導(dǎo)體接觸電阻的劇變甚至直接導(dǎo)致電路開路[19]，因?yàn)榻饘傺趸镆话憔哂袠O大的電阻甚至直接氧化成絕緣體[20?21]，如氧化鎳就是典型的絕緣體[22]。氧化鎳的物理性質(zhì)也隨溫度的變化而變化。溫度的升高，其密度和電阻增加[23?24]。圖9所示為微動區(qū)域的SEM形貌圖和EDX結(jié)果：在室溫環(huán)境下：鎳的磨損區(qū)域周圍有少量磨屑堆積，黃色區(qū)域內(nèi)有明顯犁溝磨痕，此區(qū)域的主要成分為鎳和從球試樣轉(zhuǎn)移到平面試樣的銅。而銅平面試樣的微動區(qū)域未見明顯磨屑，磨痕邊界也未見磨屑堆積；在300℃下，鎳的磨損區(qū)域有大量磨屑堆積并形成“第三體”(見圖9(e)黃色區(qū)域)，“第三體”的主要成分應(yīng)是鎳的氧化物以及銅的氧化物。此時銅的磨痕寬度較室溫下要更長，在微動區(qū)域仍未見明顯磨屑，微動區(qū)域主要是銅及其的氧化物。

綜上所述：接觸電阻與磨損機(jī)制的關(guān)系可以總結(jié)為3個階段：1) 穩(wěn)定階段—微動區(qū)域開始發(fā)生輕微磨損，但是不足以改變接觸電阻；2) 上升階段—微動區(qū)域發(fā)生明顯犁溝、剝層、磨損等現(xiàn)象，直接導(dǎo)致接觸面積變小，接觸斑點(diǎn)增加；3) 波動階段—微動區(qū)域磨屑堆積形成“第三體”[25]，并且萌生裂紋、開始發(fā)生的嚴(yán)重材料缺失。

兩種材料的微動區(qū)形貌與接觸電阻的關(guān)系如圖10 (室溫)和圖11 (300℃)所示，由圖中可知：

圖8 高溫環(huán)境下的磨損機(jī)制和等效電路圖

圖9 磨痕形貌以及成分分析

1) 室溫下，鎳的接觸副表面都有深度為10 μm左右的磨痕凹坑，其中球試樣表面有若干類似于圖10(b)中的觸點(diǎn)“b”，接觸點(diǎn)“b”和平面試樣接觸導(dǎo)致接觸電阻上升如圖10(c)所示；銅接觸副的微動區(qū)也檢測到凹坑，球表面凸起的“b”點(diǎn)由若干個微小觸點(diǎn)聚集而成，“b”點(diǎn)與銅平面試樣接觸而形成圖10(f)中兩個接觸電阻峰值(6.34 mΩ和1.7 mΩ)。

2) 300℃下，鎳表面檢測到由氧化磨屑堆積成的觸點(diǎn)“a”(見圖11(b))，如上述的接觸電阻與磨損機(jī)制的關(guān)系：觸點(diǎn)“a”與球接觸并形成接觸斑點(diǎn)，導(dǎo)致接觸電阻急劇上升至峰值1361.4 mΩ(見圖11(c))。同理，銅的接觸區(qū)域存在大量如“a”和“d”以及“b”和“c”的觸點(diǎn)。在單次循環(huán)試驗(yàn)中，這類凸起的觸點(diǎn)交替接觸形成接觸斑點(diǎn)，導(dǎo)致出現(xiàn)如圖10(f)所示的兩個接觸電阻峰值(420.58 mΩ和345.77 mΩ)。

圖10 室溫下兩種材料的3維/2維輪廓與接觸電阻的關(guān)系

圖11 300℃下兩種材料的3維/2維輪廓與接觸電阻的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 室溫環(huán)境下，金屬材料的接觸電阻較為穩(wěn)定，微動磨損導(dǎo)致接觸表面狀況發(fā)生改變并增加金屬的接觸電阻。

2) 高溫環(huán)境下，金屬材料接觸表面損傷更加劇烈。金屬氧化物堆積在接觸區(qū)域形成阻值極大的接觸斑點(diǎn)，是導(dǎo)致接觸電阻急劇上升的根本原因。

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Effect of elevated temperature on fretting wear of nickel andcopper under electric contact

LIU Xin-long, CAI Zhen-bing, LIU Shan-bang, PENG Jin-fang, ZHU Min-hao

(Tribology Research Institute, Traction Powder State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The fretting wear behavior of two typical materials (nickel and red copper) and contacts at elevated temperatures (from RT to 300 ℃) and normal loads (10 N) is addressed. The morphology and wear surface was analyzed by 3D profile and SEM. The results show that elevated temperature significantly affected the contact resistance. At room temperature (RT), electrical contact resistance (ECR) remains stable of two materials for several thousand fretting cycles. With the increase of temperature (from RT to 100℃), the ECR of red copper seems stable under elevated temperature, while the ECR of nickel is easily affected by elevated temperature. The ECR of two contacts rises sharply under 300℃. Oxide debris accumulation at the contact areas is the key of rising and fluctuating ECR under electrical contact fretting wear.

fretting; contact resistance; contact spot; temperature; electric contact

Projects(51375407, 51575459, U1530136, 51627806) supported by the National Natural Science Foundation of China

2017-03-10;

2017-07-01

ZHU Min-hao; Tel: +86-13808007296; E-mail: zhuminhao@swjtu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375407，51575459，U1530136，51627806)

2017-03-10；

2017-07-01

朱旻昊，教授，博士；電話：13808007296；E-mail：zhuminhao@swjtu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.05.11

1004-0609(2018)-05-0944-11

TG146.4

A

(編輯 王 超)