曲強(qiáng),周雄,羅博,張雷
刷絲硬度對(duì)Au9Ni/Au35Ag5Cu對(duì)偶電接觸及摩擦磨損行為的影響
曲強(qiáng)1,周雄2,羅博2,張雷2
(1. 北京控制工程研究所,北京 100000;2. 中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083)
選用硬度分別為230.51,251.93和270.30 HV的三種Au9Ni合金絲材為研究對(duì)象,探究絲材硬度對(duì)大氣環(huán)境下Au9Ni/Au35Ag5Cu對(duì)偶電接觸穩(wěn)定性及摩擦磨損行為的影響規(guī)律,并揭示Au9Ni絲的磨損機(jī)理。結(jié)果表明:隨Au9Ni絲材硬度由230.51 HV增加至270.30 HV,材料的摩擦因數(shù)和接觸壓降分別從0.82,46.42 mV提高至1.02,98.72 mV,同時(shí),其硬度上升減弱了滑動(dòng)過(guò)程中的躍動(dòng)現(xiàn)象,使其電噪聲RMS從6.15 mΩ降至3.37 mΩ,從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)曲線平穩(wěn)性和接觸的穩(wěn)定性上升;電刷硬度越大,磨損表面粗糙度從1.10 μm降至0.57 μm,對(duì)偶盤的材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象加劇,進(jìn)而導(dǎo)致其磨損形式由硬度230.51 HV時(shí)的粘著磨損向粘著?犁削復(fù)合磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變,且犁削磨損對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)的影響隨Au9Ni硬度的增加而增大。
金合金;硬度;載流摩擦;摩擦因數(shù);電壓降;磨損形式
金及其合金材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電及抗氧化、抗硫化特性,所構(gòu)建的滑動(dòng)電接觸材料擁有磨屑少、結(jié)構(gòu)緊密、傳輸功率高等特點(diǎn),是星用旋轉(zhuǎn)電傳輸機(jī)構(gòu)中的核心材料之一,廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天線指向機(jī)構(gòu)及其他對(duì)地觀測(cè)機(jī)構(gòu)[1?2]。隨著我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展,衛(wèi)星精密化、大型化、高速化和復(fù)雜化的進(jìn)程不斷加速,對(duì)宇航電刷材料的電接觸穩(wěn)定性和耐磨性提出了更高的要求。在金及其合金的滑動(dòng)載流摩擦過(guò)程中,其磨損行為由電磨損和機(jī)械磨損構(gòu)成,而機(jī)械磨損為其摩擦損傷的主要原因。一般而言,該類軟質(zhì)金屬材料的機(jī)械磨損行為主要受粘著磨損和磨粒磨損機(jī)制控制,然而,在材料自身的力學(xué)性能(硬度、抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性等)及應(yīng)用條件(速度、載荷、接觸方式及環(huán)境因素)等諸多因素作用下,金及其合金的摩擦磨損行為變得異常復(fù)雜,且各因素的影響規(guī)律和作用機(jī)理尚有待揭示。已有的研究結(jié)果表明,材料的硬度對(duì)其磨損機(jī)理、耐磨性及穩(wěn)定性等具有較大影響,因此提高材料硬度成為改善材料耐磨性的重要手段。AMBRISH等[3]對(duì)多種材料熱處理前后耐磨性的差異進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)熱處理后隨材料硬度增大,其試驗(yàn)過(guò)程中的磨損率降低。RICHARDSON[4]通過(guò)不同硬度的鋼鐵進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試同樣發(fā)現(xiàn),滑動(dòng)過(guò)程中的磨粒磨損會(huì)隨鋼鐵硬度的升高而減輕,進(jìn)而能有效延長(zhǎng)其服役壽命。CONTE等[5]研究發(fā)現(xiàn)添加Sn、Pb等合金組元對(duì)AuCu刷絲硬度的提高能有效減輕摩擦過(guò)程中刷絲的粘著磨損現(xiàn)象。LEECH等[6]研究N2+注入對(duì)摩擦磨損性能的影響,同樣發(fā)現(xiàn)AuAgCu合金硬度隨N2+注入而上升,從而大幅減輕粘著磨損和材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的產(chǎn)生。MODI等[7]對(duì)不同硬度高碳鋼的磨損行為分析,指出鋼材硬度會(huì)隨碳含量的上升而降低,加劇滑動(dòng)過(guò)程中的磨粒磨損。MADAKSON等[8]對(duì)比注入不同含量的Sb+對(duì)Al摩擦磨損行為的影響,發(fā)現(xiàn)離子注入量能有效提高材料硬度,進(jìn)而有效穩(wěn)定摩擦曲線的波動(dòng),使之運(yùn)行更加穩(wěn)定。上述研究表明,硬度是材料的重要參數(shù),對(duì)滑動(dòng)摩擦磨損行為影響顯著。作為典型的滑動(dòng)電接觸材料,金及其合金的硬度對(duì)服役壽命和電接觸穩(wěn)定性亦有較大影響,而相關(guān)研究的缺失導(dǎo)致在配副的選材、材料熱處理參數(shù)選擇及應(yīng)用參數(shù)確認(rèn)等方面缺少可靠的依據(jù)。
本文采用Au9Ni/Au35Ag5Cu摩擦副為研究對(duì)象,探討Au9Ni合金絲硬度對(duì)其大氣載流摩擦學(xué)性能的影響,重點(diǎn)關(guān)注絲材硬度對(duì)提升摩擦副抗磨損性能及電接觸穩(wěn)定性方面的作用規(guī)律,結(jié)合對(duì)偶材料表面磨損形貌、磨屑形貌及組分分析,揭示絲材硬度對(duì)Au9Ni/ Au35Ag5Cu摩擦副摩擦磨損行為的影響規(guī)律,以期為航天電接觸材料的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考和理論基礎(chǔ)支撐。
本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為北京控制工程研究所提供的三種硬度分別為230.51,251.92和270.34 HV的Au9Ni合金絲,根據(jù)硬度不同分別簡(jiǎn)稱為A刷、B刷和C刷。合金絲的直徑為0.28 mm,將其彎曲成半徑為2.50 mm的半圓形,圓弧頂端與Au35Ag5Cu合金盤保持表面垂直滑動(dòng),如圖1所示。對(duì)偶盤的硬度為202.32 HV,實(shí)驗(yàn)前采用2000目的SiC砂紙對(duì)其進(jìn)行打磨處理和超聲波清洗,以確保對(duì)偶盤表面清潔度。
采用載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(VET-1)對(duì)Au9Ni合金單絲電刷的載流摩擦學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,其測(cè)試參數(shù)為:載荷0.30 N,轉(zhuǎn)速60.0 r/min(滑動(dòng)線速度為64.68 mm/s),電流2.0 A,滑動(dòng)距離14.0 km。利用數(shù)字萬(wàn)用表(Fluke 8864A)和示波器(Yokogawa DL 850)對(duì)電刷的電壓降和電噪聲分別進(jìn)行測(cè)量并記錄。采用Nova NanoSEM 230型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察電刷磨損表面、對(duì)偶盤磨損形貌和磨屑,并使用EDS能譜儀對(duì)磨損表面進(jìn)行微區(qū)元素分析。同時(shí),采用美國(guó)Veeco Metrology公司生產(chǎn)的WYKO NT9100型光學(xué)輪廓儀掃描對(duì)偶盤磨損面的表面3D輪廓。
圖1 Au9Ni刷絲測(cè)試裝置和盤刷接觸示意圖
文中磨損率采用體積磨損率,其具體公式如下:
式中:vol為體積磨損率,m3/(N?m);Δ為實(shí)驗(yàn)前后的磨損體積,m3;為載荷,N;為滑動(dòng)距離,m。
表1 大氣下載流摩擦磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)
圖2為三種不同硬度的Au9Ni合金單絲電刷經(jīng)載流摩擦磨損試驗(yàn)所獲得的摩擦因數(shù)曲線和接觸壓降變化,三種不同硬度的單絲電刷擁有相似的摩擦因數(shù)變化規(guī)律:在摩擦初期,電刷材料的摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)距離增加迅速上升;滑動(dòng)1 h 后進(jìn)入穩(wěn)定期,電刷材料的摩擦因數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)且其平均摩擦因數(shù)分別為0.82,0.91和1.02。圖3顯示三種電刷的接觸壓降曲線整體較為平穩(wěn),說(shuō)明均獲得了較為穩(wěn)定的電接觸狀態(tài),不同之處在于平均接觸壓降隨電刷硬度的增加而升高。上述現(xiàn)象源于實(shí)際接觸面積隨硬度上升而減少,導(dǎo)致接觸電阻的增大,進(jìn)而造成壓降升高[9]。
此外,金屬材料表面粘著和接觸界面的不斷變化,導(dǎo)致Au9Ni電刷在對(duì)偶盤表面會(huì)產(chǎn)生間斷的微小跳動(dòng),該現(xiàn)象被稱為躍動(dòng)現(xiàn)象[9]。Au9Ni電刷硬度的降低會(huì)加劇粘著磨損和增大接觸面粗糙程度,削減刷絲的接觸面積,最終摩擦因數(shù)和接觸壓降的波動(dòng)均隨刷絲硬度的降低而加劇[9]。躍動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致接觸界面微小區(qū)域的物理性分離,易引發(fā)金合金電刷的電蝕,造成接觸壓降波動(dòng)增加,F(xiàn)URRY等[10]對(duì)多種金屬的滑動(dòng)電接觸性能進(jìn)行研究也得到了相似的結(jié)果;電刷硬度的提高會(huì)減少實(shí)際接觸面積并抑制滑動(dòng)過(guò)程中的躍動(dòng)現(xiàn)象,降低其摩擦因數(shù)和接觸壓降的波動(dòng) 幅度。
滑動(dòng)電接觸噪聲值用于表征材料的電接觸平穩(wěn)性[11],主要受摩擦副實(shí)際接觸面積動(dòng)態(tài)變化影響。圖4為Au9Ni刷絲硬度對(duì)電噪聲的影響規(guī)律。隨電刷硬度增加,滑動(dòng)電噪聲RMS值由6.15 mΩ降至3.37 mΩ,與接觸壓降平穩(wěn)性具有相似的規(guī)律,說(shuō)明電刷硬度對(duì)電接觸穩(wěn)定性亦有較大影響。此外,為進(jìn)一步表征材料的磨損情況,對(duì)摩擦后的刷絲和對(duì)偶盤滑道進(jìn)行了三維輪廓測(cè)定,并依據(jù)公式(1)進(jìn)行磨損率計(jì)算,結(jié)果如表2所列,Au9Ni硬度由230.51 HV增加至270.34 HV,刷絲的磨損率降低了70.7%,對(duì)偶盤的磨損率反而上升了213.0%,配副硬度差異過(guò)大會(huì)顯著減少導(dǎo)電滑環(huán)的服役壽命。
圖2 Au9Ni與Au35Ag5Cu的摩擦因數(shù)曲線
A刷和C刷接觸前端的微觀形貌如圖5所示。圖5(a)和(b)為A刷在載荷為0.30 N、轉(zhuǎn)速為60 r/min下的磨損表面,可觀察到刷絲沿滑動(dòng)方向發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形,形變后的金合金被擠向兩側(cè);在磨損表面中心區(qū)域出現(xiàn)大量的鱗片狀形貌,表明金合金電刷存在明顯的粘著磨損。當(dāng)電刷硬度增加至270.34 HV時(shí),C刷磨損表面較為光滑、表面塑性流動(dòng)減弱且表面無(wú)明顯電蝕現(xiàn)象,同時(shí)其磨損表面發(fā)現(xiàn)了大量的犁溝。加工硬化生成的硬質(zhì)化合物在摩擦力的作用下不斷刮擦磨損表面,使材料由粘著磨損轉(zhuǎn)變成由犁削和粘著組成的復(fù)合磨損形式[12]。
圖4 Au9Ni與Au35Ag5Cu的電噪聲曲線
在BROWN等[13?14]的研究中也出現(xiàn)了與圖5(d)類似的形貌,XIAO等[15]認(rèn)為表面電蝕的產(chǎn)生會(huì)改變纖維電刷滑動(dòng)電接觸行為,使電噪聲數(shù)值升高;這與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本保持一致。由以上分析可知,Au9Ni絲刷的硬度是通過(guò)改變電刷磨損表面微觀形貌從而影響其載流摩擦行為,提高刷絲硬度可有效改善其耐磨性。
表2 三種電刷跑合后的平均摩擦因數(shù)、平均電壓降和磨損率
圖5 Au9Ni電刷前端的SEM形貌
A刷和C刷磨損表面的接觸后端微觀形貌如圖6所示,電刷后端與前端的磨損形貌相似,但塑性流動(dòng)和鋪展更為顯著。同時(shí)從圖6(a)和(b)可觀察到A刷后端磨損表面的邊緣區(qū)存在明顯的材料剝落,與圖5(b)對(duì)比可知A刷后端表面更加粗糙,放電現(xiàn)象反而有所減輕,呈現(xiàn)典型的船頭效應(yīng)現(xiàn)象[16]。說(shuō)明兩接觸材料脫離時(shí),表面材料受粘滯力作用而發(fā)生了拖拽形變,進(jìn)而加劇了材料的塑性變形。高硬度的C刷阻礙其塑性變形,故當(dāng)兩滑動(dòng)接觸材料脫離時(shí)發(fā)生了顯著的物理性分離并加劇放電的形成,因此在微觀形貌上表現(xiàn)為表面較為光滑,而表面電蝕現(xiàn)象加劇;EDS能譜結(jié)果也印證了A刷和C刷磨損表面Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在較大差異。SEM結(jié)果表明由對(duì)偶盤向絲刷表面的材料轉(zhuǎn)移是減輕電刷磨損的重要因素,隨Au9Ni合金硬度增加,電刷材料抵抗塑性變形能力提高,其磨損面更為光滑。
圖7所示為刷絲磨損表面的3D輪廓圖。其中圖7(a)、(b)分別為A刷和C刷的磨損表面輪廓,從圖7中可以看出,刷絲硬度的增加導(dǎo)致表面粗糙度從1.1 μm降至0.57 μm,表面粗糙高度分布更為均勻。從圖7(a)可觀察到,中心區(qū)向邊緣區(qū)域的高度由2.99降至?1.0 μm。圖7(b)中表面更加光滑,磨損面高度主要在0.50 μm。表明硬度增加使刷絲磨損表面高度更趨于一致,接觸面粗糙度的降低有利于提高接觸穩(wěn)定性。
圖6 Au9Ni電刷后端磨損形貌及對(duì)應(yīng)區(qū)間的EDS能譜
圖8為Au35Ag5Cu對(duì)偶盤與A刷和C刷經(jīng)載流摩擦后滑道磨損表面形貌及其微區(qū)EDS元素分析。由圖8(a)和(b)可知,與A刷配合的對(duì)偶盤磨損表面較為粗糙,存在顯著的電弧燒蝕坑且面積較大。此外,與高硬度C刷配合的對(duì)偶盤磨損表面較為光滑,并在磨損表面發(fā)現(xiàn)顯著犁溝(圖8(c)和(d)),其與C刷磨損表面形貌相似。同時(shí),采用EDS能譜儀對(duì)所指磨損表面進(jìn)行元素分析,結(jié)果表明:磨損區(qū)域均主要以Au為主,然而Ag、Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在兩磨損表面差異較大。e區(qū)Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為21.09%,其值遠(yuǎn)低于基體材料的35.0%,Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.27%;而f區(qū)Ag元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(28.59%),與基體材料的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為接近,且Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.9%。其原因在于低硬度Au9Ni合金電刷在滑動(dòng)過(guò)程中易發(fā)生塑性變形,在粘著力的作用下更容易向?qū)ε急P表面轉(zhuǎn)移,因此對(duì)偶盤表面具有更高的Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
圖7 Au9Ni刷絲磨損面3D輪廓形貌
(a) A brush; (b) C brush
圖8 Au35Ag5Cu對(duì)偶盤滑道磨損形貌及對(duì)應(yīng)區(qū)間的EDS能譜
(a), (b), (e) A brush; (c), (d), (f) C brush
圖9(a)、(b)分別為與A刷、C刷配合后的對(duì)偶盤磨損表面3D表面輪廓。由圖9(a)可知,磨損表面邊緣區(qū)存在較多的毛刺凸點(diǎn),中心區(qū)域存在較大的塑性粘著凸起,該磨損表面凸起的塑性變形區(qū)可能是由A刷表面轉(zhuǎn)移而來(lái);而隨Au9Ni合金硬度增加,硬度較小的對(duì)偶盤表面材料轉(zhuǎn)移至C刷表面并在對(duì)偶盤表面留下了一些“凹坑”(見(jiàn)圖9(b))。對(duì)偶盤的表面粗糙度Ra也同樣存在顯著的差異,較低的表面高度起伏有利于減輕刷絲的躍動(dòng)現(xiàn)象,因而能降低電噪聲和接觸壓降波動(dòng)幅度(見(jiàn)圖4和3),這與TSUCHIYA等[16]的研究結(jié)果基本一致。
圖9 Au35Ag5Cu對(duì)偶盤磨損面3D輪廓形貌
(a) A brush; (b) C brush
1) 隨電刷硬度從230.51 HV增加到270.30 HV,材料的平均摩擦因數(shù)和接觸壓降分別由0.82,46.42 mV提高至1.03,98.72 mV,電刷的滑動(dòng)電接觸噪聲從6.15 mΩ降至3.37 mΩ,同時(shí)電刷和對(duì)偶盤表面粗糙度分別從1.10 μm和18.00 μm降至0.57 μm和8.82 μm。
2) Au9Ni刷絲硬度的增加會(huì)加劇對(duì)偶盤表面的材料轉(zhuǎn)移,滑動(dòng)過(guò)程中的加工硬化所產(chǎn)生的高硬度化合物導(dǎo)致摩擦行為由粘著磨損向犁削?粘著復(fù)合磨損轉(zhuǎn)變。
3) 電刷硬度的增加能有效降低磨損表面粗糙度,從而顯著改善其摩擦因數(shù)、接觸壓降、電噪聲的穩(wěn) 定性。
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Effect of brush hardness on electrical contact and tribological behavior of Au9Ni against Au35Ag5Cu disc
QU Qiang1, ZHOU Xiong2, LUO Bo2, ZHANG Lei2
(1., Beijing 100000, China; 2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)
The Au9Ni alloy wires with hardness of 230.51, 251.93 and 270.30 HV were used as the research objects. The current-carrying wear mechanism of the Au9Ni alloy wire was studied, and the relationship between hardness and its current-carrying friction and wear behavior has also been explored in atmospheric. The results show that the brush hardness has an important influence on their tribological properties of the atmospheric current. As the brush hardness increased from 230.51 HV to 270.30 HV, the average friction coefficient and contact voltage drop of the material increased from 0.82, 46.42 mV to 1.02, 98.72 mV, respectively, and during the friction period, bouncing is weakend by increased hardness the electrical noise (RMS) decrease from 6.15 mΩ to 3.37 mΩ that means the curve of friction and contact stability were improved. With the increase of hardness, the roughness of worn surface () decrease from 1.10 μm to 0.57 μm the wear mechanism of brush with hardness of 230.51 HV is mainly adhesive wear. As the brush hardness increases, the wear mechanism gradually evolves into a composite wear mechanism with adhesive wear and abrasive wear.
gold alloy; hardness; electrical sliding; friction coefficient; contact voltage drop; wear mechanism
TG146.3
A
1673-0224(2019)04-321-08
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51627805)
2019?03?01;
2019?04?21
張雷,研究員,博士。電話:13975801816;E-mail: zhanglei@csu.edu.cn
(編輯 高海燕)