王新平，肖金坤，張 雷，周科朝

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

金合金具有優(yōu)異的導電、導熱和接觸電阻低而穩(wěn)定等性能，以及抗氧化、抗硫化，在有機氣氛中不易生成聚合物的特點，常被用作高端電接觸材料，如衛(wèi)星導電滑環(huán)中的電接觸材料，為太陽帆板與衛(wèi)星主體間傳輸電功率和電信號。由于金合金導電滑環(huán)具有體積小、密度低、傳輸電功率大和磨屑產(chǎn)生量少等特點，因此在衛(wèi)星等宇航機構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用[1-5]。隨著衛(wèi)星負載的儀器越來越多，電源系統(tǒng)提供的功率也要求越來越大，對導電滑環(huán)的性能提出了更高的要求：1) 電噪聲低，以減小電信號在傳輸過程中的失真；2) 電刷與滑環(huán)間摩擦力小，保證電刷與滑環(huán)自由轉(zhuǎn)動；3) 耐磨損，以提高導電滑環(huán)的使用壽命[1,6]。

一些研究表明，金合金和金鍍層的主要磨損機理為粘著磨損和磨粒磨損，同時也出現(xiàn)脆斷、微動和剝層磨損的現(xiàn)象。軟的金鍍層容易發(fā)生粘著磨損，通過添加一些合金元素，如Ni、Ag、Cu、Pd等，進行合金化，可以提高鍍層的硬度，降低粘著磨損，但鍍層硬度的提高會導致其脆性斷裂的發(fā)生，只有在低載荷條件下應(yīng)用才不需考慮其脆性的影響[7]。研究發(fā)現(xiàn)，鎳鍍層作為銅基體與金鍍層的中間鍍層，能使金鍍層的磨損降低到最低。CONTEJR等[1]研究金合金滑環(huán)時發(fā)現(xiàn)，金鍍層滑環(huán)表面存在許多犁溝，金絲電刷對金鍍層滑環(huán)產(chǎn)生犁削，并認為提高金鍍層的硬度可以降低其磨損，合理的刷/環(huán)硬度配比關(guān)系如下：金絲電刷硬度為(180±15)HV，金鍍層滑環(huán)硬度為(130±15)HV。ANTLER和DROZDOWICZ[8]對金鍍層的微動磨損進行了研究，發(fā)現(xiàn)金鍍層容易發(fā)生轉(zhuǎn)移，并且由于轉(zhuǎn)移金屬的加工硬化和細小硬質(zhì)顆粒的生成，出現(xiàn)磨粒磨損現(xiàn)象。BANERJEE等[9]在分析銀作電刷銅作滑環(huán)的摩擦副摩擦磨損過程中產(chǎn)生的磨屑時，發(fā)現(xiàn)磨損過程存在粘著、犁溝、拋光和熔化等效應(yīng)。BROWN等[4]對無潤滑狀態(tài)的銀絲電刷的磨損機制進行了探討，電刷摩擦測試條件：電流密度為15 A/cm2、滑動速度為0.1～90 m/s、載荷為0.05 N，對偶為鍍金銅環(huán)；本文作者認為電刷的磨損機制主要有摩擦接觸面的粘著磨損、疲勞磨損及斷裂等方式，并指出對于所用絲刷，粘著磨損是其主要的磨損機制。為保證電刷與滑環(huán)始終處于良好的接觸狀態(tài)，在電刷上施加合適的載荷是非常重要的，低載荷雖能夠提高導電滑環(huán)的使用壽命，但會損害電接觸的穩(wěn)定性；高載荷能夠降低電刷與滑環(huán)的接觸電阻，改善電接觸性能，但同時也提高了磨損率和增加了摩擦力[10-13]。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，需要開發(fā)更高性能的導電滑環(huán)，因而有必要對金合金導電滑環(huán)的摩擦磨損機理進行更深入的研究。本文作者以我國民用航天器主流環(huán)/刷材料為基本研究對象，采用不同載荷對AuNi9和金鍍層對偶盤的摩擦磨損進行研究，并對其摩擦磨損機理進行探討。

1 實驗

基體材料為錫青銅，其尺寸為d60 mm×10 mm，硬度為30HRc。電鍍前，需將基體表面拋光至粗糙度Ra=0.08 μm，然后用無水乙醇超聲清洗干凈，采用電鍍方法制備了厚度約為 3 μm 金鍍層。實驗中采用AuNi9合金絲的直徑為 480 μm，硬度為 250HV。在SFT-2M型銷盤式摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損實驗，將AuNi9合金絲彎曲成半徑為5 mm的半圓形，其圓弧頂端與金鍍層表面垂直接觸，AuNi9合金絲圓弧在金鍍層表面滑動。根據(jù)導電滑環(huán)工況使用條件，試驗載荷選用0.2和0.4 N兩個條件，摩擦盤轉(zhuǎn)速為100 r/min(滑動線速度為0.25 m/s)，滑動總距離為20和40 km。試驗環(huán)境為大氣環(huán)境，溫度為20 ℃，相對濕度為30%～60%。由精度為0.005 N的壓力傳感器采集摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)，采用FEI Quanta-200型掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣磨損表面形貌和磨屑形貌進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷對摩擦因數(shù)的影響

圖1 載荷對金鍍層摩擦因數(shù)的影響Fig.1 Effect of load on friction coefficient of Au coating:(a) 0.4 N; (b) 0.2 N

金鍍層不僅具有抗氧化、抗硫化和抗表面污染等性能，還能保證電連接的長期可靠穩(wěn)定，以及在滑動摩擦過程中起潤滑的作用。當較軟的金鍍層與對偶材料產(chǎn)生摩擦時，金便向?qū)ε急砻孓D(zhuǎn)移形成轉(zhuǎn)移膜，使摩擦發(fā)生在軟金屬與轉(zhuǎn)移膜之間，從而降低滑動摩擦阻力。圖1所示為金鍍層在載荷分別為0.2 N和0.4 N條件下的摩擦因數(shù)曲線。由圖1可知，在低載荷(0.2 N)條件下，摩擦因數(shù)維持在較高的狀態(tài)，穩(wěn)定摩擦因數(shù)為 0.8，但摩擦因數(shù)的變化比較平穩(wěn)；高載荷(0.4 N)條件下，摩擦因數(shù)在前12 km滑動距離內(nèi)波動幅度較大，此后摩擦因數(shù)變得非常平穩(wěn)，穩(wěn)定摩擦因數(shù)為0.3。高載荷初始階段摩擦因數(shù)波動較大，這是由于金鍍層在此階段發(fā)生了較劇烈的磨損，大塊的磨屑從金鍍層中剝落引起摩擦因數(shù)的波動。當金鍍層因磨損減薄至一定厚度時，高硬度的銅合金基體起到主要的承載作用，而摩擦面之間較薄軟質(zhì)的金鍍層又具有良好的潤滑效果，因此，該階段摩擦因數(shù)低且平穩(wěn)，同時鍍層的磨損也因此減小。低載荷條件獲得高而平穩(wěn)的摩擦因數(shù)，其原因是金鍍層在低載荷條件主要發(fā)生粘著而產(chǎn)生高的摩擦因數(shù)，但鍍層未出現(xiàn)嚴重的破壞，故摩擦因數(shù)比較平穩(wěn)。

2.2 載荷對金鍍層磨損的影響

金鍍層磨損表面的形貌如圖2所示。圖2(a)所示為在載荷為0.4 N、滑動距離為60 km條件下金鍍層的磨損表面，可以觀察到金鍍層已被磨損，沿著滑動方向形成了較深的犁溝，金鍍層發(fā)生了嚴重的塑性變形，塑性變形的鍍層被擠向犁溝的兩側(cè)，犁溝中心仍有一層較薄且光滑的金鍍層，對AuNi9合金絲的滑動提供潤滑作用；而在相同載荷條件下，滑動距離為 20 km 金鍍層的磨損表面(如圖2(b)所示)也形成了幾條較淺的犁溝，磨損形貌呈現(xiàn)與圖2(a)類似的特點，但磨損較輕。比較圖2(a)和(b)可知，金鍍層的磨損主要發(fā)生在前20 km，此后磨損減輕。圖1(a)中的摩擦因數(shù)曲線同樣表明鍍層的磨損隨著滑動距離的增加而逐漸降低。因此，當接觸載荷較高時，應(yīng)通過合金化提高鍍層的硬度，增強其抵抗塑性變形的能力，才能夠有效降低其因塑性變形而引起的磨損，改善其耐磨損性能。圖2(c)所示為金鍍層在載荷為0.2 N、滑動距離為20 km條件下磨損表面的形貌，金鍍層磨損表面中間呈現(xiàn)一條淺而窄的犁溝，磨損表面兩側(cè)沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形材料的堆積，僅發(fā)生了輕微的塑性變形。低載荷條件下的磨損表面存在許多細小的凹坑，沒有高載荷條件下光滑，表明低載荷條件下金鍍層主要發(fā)生粘著磨損，而高載荷條件下金鍍層因塑性變形引起的磨粒磨損更為顯著[14-16]。

2.3 載荷對AuNi9合金磨損的影響

圖2 金鍍層磨損表面形貌Fig.2 Surface morphologies of worn surfaces of Au coating:(a) Under 0.4 N load after sliding 60 km; (b) Under 0.4 N load after sliding 20 km; (c) Under 0.2 N after sliding 20 km

合金絲的磨損對摩擦副的摩擦因數(shù)、接觸電阻和使用壽命都有重要影響。若選擇合適硬度的合金絲，經(jīng)過一定距離的跑合后，通過合金絲自身發(fā)生一定體積的磨損能夠增大其與鍍層的表觀接觸面積；如此不僅能降低高硬度合金絲對鍍層造成的磨損，還能降低接觸電阻和提高接觸電阻的穩(wěn)定性。圖3所示為AuNi9合金絲的磨損表面形貌。高載荷條件下的磨損表面(圖3(a)和(b))出現(xiàn)了不均勻的磨損，AuNi9合金絲摩擦表面在摩擦力的作用下發(fā)生了嚴重的塑性變形。磨損表面產(chǎn)生片狀剝層結(jié)構(gòu)，片狀結(jié)構(gòu)沿滑動方向延展，其末端翹曲(見圖3(a))，在磨損表面層狀結(jié)構(gòu)的邊緣可以看到裂紋已擴展到表面材料的內(nèi)部，這部分材料即將以片狀磨屑的形式從表面脫落下來，同時在圖3(b)中觀察到大塊的薄片狀材料也發(fā)生了嚴重的塑性變形，且一部分已與表面發(fā)生了分離。磨損表面的其他區(qū)域沒有出現(xiàn)嚴重塑性變形，表面存在細小的犁溝，呈典型的磨粒磨損特征，因此，AuNi9合金絲在高載荷條件下主要發(fā)生疲勞磨損并伴有輕微的磨粒磨損。由圖3(a)和(b)還可以明顯看出，隨著滑動距離的增加，AuNi9合金絲的磨損也隨著增加。圖3(c)所示為低載荷條件下AuNi9合金絲的磨損表面形貌。磨損表面平滑、整潔，磨損面上觀察到平行于滑動方向窄長的犁溝，沒有發(fā)生明顯的塑性變形，以上特征表明AuNi9合金絲在低載荷條件下主要發(fā)生磨粒磨損。比較高載荷和低載荷條件下AuNi9合金絲的磨損表面(見圖3(b)和(c))，發(fā)現(xiàn)在低載荷條件下，AuNi9合金絲的磨損更加嚴重，這是由于低載荷條件下AuNi9合金絲在摩擦過程中發(fā)生較高頻率的振動，甚至有輕微的共振，導致合金絲磨粒磨損加劇并形成平整的磨損面。

2.4 載荷對磨屑形貌的影響

圖3 AuNi9合金絲磨損表面形貌Fig.3 Surface morphologies of worn surfaces of AuNi9 alloy fibers: (a) Under 0.4 N load after sliding 60 km; (b) Under 0.4 N load after sliding 20 km; (c) Under 0.2 N after sliding 20 km

圖4 不同載荷下金鍍層磨屑的形貌Fig.4 Surface morphologies of wear debris of Au coating under different loads: (a) 0.4 N; (b) 0.2 N

圖4所示為AuNi9/金鍍層摩擦副在摩擦磨損過程中產(chǎn)生的典型的磨屑形貌。根據(jù)圖2和3可知，金鍍層比金絲磨損嚴重，因此大部分磨屑源自金鍍層的磨損。圖4(a)所示為高載荷條件下產(chǎn)生的大塊狀磨屑，沿著磨屑長度方向具有撕裂的痕跡，很明顯，這是由AuNi9合金絲對金鍍層切削作用產(chǎn)生的。低載荷條件下，磨屑的形貌主要為薄片狀和小顆粒狀(見圖4(b))，磨屑的尺寸比高載荷條件下的小，金鍍層在摩擦過程中向?qū)ε急砻孓D(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的材料經(jīng)多次摩擦發(fā)生加工硬化從對偶表面脫落下來，從而形成小顆粒狀的磨屑。同時，金鍍層經(jīng)金絲的循環(huán)滑動后，發(fā)生了加工硬化和疲勞，表層的裂紋沿著滑動方向擴展，最終導致表層材料的脫落，形成薄片狀磨屑。

3 結(jié)論

1) AuNi9/金鍍層摩擦副在高載荷條件下，初始摩擦因數(shù)較高、波動較大，主要由犁溝效應(yīng)引起的，隨著金鍍層的磨損鍍層的厚度逐漸減薄，摩擦因數(shù)開始降低且比較穩(wěn)定；低載荷條件下摩擦因數(shù)一直維持在較高的狀態(tài)，粘著效應(yīng)明顯。

2) 金鍍層硬度較低，AuNi9合金絲對其犁削作用顯著。在高載荷條件下，金鍍層表面發(fā)生嚴重的塑性變形并產(chǎn)生較深的犁溝，磨損嚴重；當載荷較低時，金鍍層受到的犁削作用減弱，以粘著磨損為主，表面破壞程度較輕。

3) 載荷對 AuNi9/金鍍層摩擦副的摩擦磨損性能有著重要的影響，根據(jù)使用載荷的大小適當調(diào)整鍍層的硬度，防止其因過度磨損而失效。

[1]CONTEJR A A, AGARWALA V S.An investigation of gold alloy slip ring capsule wear failures[J].Wear, 1989, 133:355-371.

[2]ANTLER M.Tribological properties of gold for electric contacts[J].IEEE Trans Parts, Hybrids, Packag, 1973, 9(1):4-14.

[3]張 雷, 周科朝, 劉文勝, 周榮興, 李世偉.梯度結(jié)構(gòu)Ag-Cu-MoS2電刷材料的制備及性能[J].中國有色金屬學報,2005, 15(11): 1766-1769.ZHANG Lei, ZHOU Ke-chao, LIU Wen-sheng, ZHOU Rong-xing, LI Shi-wei.Preparation and properties of Ag-Cu-MoS2brush materials[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 15(11): 1766-1769.

[4]BROWN L, WILSDORF D K, JESSER W.Testing and evaluation of metal fiber brush operation on slip rings and commutators[J].IEEE Trans Compon, Packag Techol, 2008,31(2): 485-494.

[5]馬興瑞, 于登云, 孫 京, 胡成威.空間飛行器展開與驅(qū)動機構(gòu)研究進展[J].宇航學報, 2006, 27(6): 1123-1131.MA Xing-rui, YU Deng-yun, SUN Jing, HU Cheng-wei.The researching evolvement of spacecraft deployment and driving mechanism[J].Journal of Astronautics, 2006, 27(6): 1123-1131.

[6]TIAN H, SAKA N, RABINOWICZ E.Friction and failure of electroplated sliding contacts[J].Wear, 1991, 142: 57-85.

[7]布朗洛維克, 康奇茲, 米西金.電接觸理論、應(yīng)用與技術(shù)[M].北京: 機械出版社, 2010: 78.BRAUNOVIC M, KONCHITS V, MYSHIN N.Electrical contacts fundamental, applications and technology[M].Beijing:China Machine Press, 2010: 78.

[8]ANTLER M, DROZDOWICZ M H.Fretting corrosion of gold-plated connector contacts[J].Wear, 1981-1982, 74: 27-50.

[9]BANERJEE A, ZHANG J G, GARSHASB M, ZHANG L R,VOOK R W.Wear debris analysis in rotating Ag-Cu electrical contacts[J].Wear, 1983, 84: 97-109.

[10]GARSHASB M, VOOK R W.Fundamental analysis of Cu brush-Ag slip ring sliding electrical contacts[J].IEEE Trans Compon, Hybrids, Manuf Technol, 1986, 9(1): 23-29.

[11]ANTLER M.Wear of electroplated gold[J].ASLE Trans, 1962,11: 240-260.

[12]ARGIBAY N, BARES J A, KEITH J H, BOURNE G R,SAWYER W G.Copper-beryllium metal fiber brushes in high current density sliding electrical contacts[J].Wear, 2010, 268:1230-1236.

[13]ARGIBAY N, BARES J A, SAWYER W G.Asymmetric wear behavior of self-mated copper fiber brush and slip-ring sliding electrical contacts in a humid carbon dioxide environment[J].Wear, 2010, 268: 455-463.

[14]STOYANOV P, CHROMIK R R, GUPTA S, LINCE J R.Micro-scale sliding contacts on Au and Au-MoS2coatings[J].Surface & Coatings Technology, 2010, 205: 1449-1454.

[15]CHIEN H H, MA K J, VATTIKUTI S P, KUO C H, HUO C B,CHAO C L.Tribological behaviour of MoS2/Au coatings[J].Thin Solid Films, 2010, 518: 7532-7534.

[16]STOYANOV P, CHROMIK R R, GOLDBAUM D, LINCE R J,ZHANG Xiao-ling.Microtribological performance of Au-MoS2and Ti-MoS2coatings with varying contact pressure[J].Tribol Lett, 2010, 40: 199-211.