賈淑果 ，蘇娟華，宋克興，任鳳章，劉 平

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，洛陽 471003；2.河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，洛陽 471039)

電滑動磨損是指處于電場中的摩擦副在電流作用下的摩擦磨損，屬于特殊工況下的摩擦磨損行為。其研究涉及很多領域，如高速電氣化鐵路系統(tǒng)(包括地鐵)及城市公共交通中電車的電力傳輸系統(tǒng)[1-6]、工業(yè)中廣泛應用的發(fā)電機、電動機的碳刷[7]與電極以及航空航天領域運載火箭升空過程中的整流裝置[8]等在運行過程中所產生的摩擦磨損行為。相對于純銅材料，Cu-0.1Ag合金作為一種集結構與功能于一體的銅合金材料，除了具有優(yōu)良的導電導熱性能外，還具有優(yōu)良的高溫性能，可廣泛用作電接觸材料以及滑動導電材料[9-10]。該類合金在用作滑動導電材料時其載流摩擦磨損性能直接影響電力機車運行的安全性和可靠性。因此，研究該類合金材料的受電滑動摩擦磨損行為具有重要意義，國內外的研究工作者對其進行了大量的研究[1-8]。常用Cu-0.1Ag合金借助于固溶強化和形變強化來改善純銅材料的性能，但仍存在強度低、高溫性能不足等缺陷，不能滿足當今電滑動材料的綜合性能要求。

為了克服Cu-0.1Ag合金在使用性能上的不足，滿足新一代電滑動材料對強度、導電性、耐高溫性能及耐磨損性能的要求，利用微量Zr元素對銅合金的時效強化以及對高溫性能的改善[11-13]，同時考慮稀土元素具有獨特的凈化和除雜等作用[14]，在銀銅合金接觸線的基礎上設計了Cu-Ag-Zr-Ce合金[15-16]，該合金具有相對優(yōu)良的導電、力學及高溫性能，有望作為高速電氣化鐵路用接觸線材料。本文作者采用自制且能模擬接觸線實際運行工況的實驗室用電滑動磨損試驗機，摩擦副材料采用電氣化鐵路使用的銅基粉末冶金滑板材料，討論Cu-Ag-Zr-Ce合金材料的受電磨損行為及電流作用下的磨損機理，并比較同種實驗條件下 Cu-Ag-Zr-Ce、Cu-Ag和Cu-Ag-Zr合金線材的磨損性能，探索Cu-Ag-Zr-Ce合金作為新一代接觸線材料的可行性。

1 實驗

試驗用合金在ZG-0.01型10 kg真空中頻感應熔煉爐中熔煉而成，原材料采用高純陰極銅、海綿鋯、高純銀和高純鈰，鐵模鑄造。合金最終成分為(均為質量分數，下同)Cu-0.1Ag-0.18Zr-0.06Ce、Cu-0.1Ag-0.18Zr和Cu-0.1Ag。鑄錠經850 ℃、2 h的均勻化退火，然后進行鍛造。鍛后的合金棒材經 950 ℃、1 h固溶處理和水淬后進行40 %的冷變形和450 ℃、2 h的時效處理，再經冷變形后，得到截面尺寸為d7 mm的磨損試驗用線材。

電滑動磨損試驗中所用接觸滑板材料是我國鐵路上實際使用的銅基粉末冶金滑板，滑板成分(質量分數)為 Fe 16.77%、C 0.7%、Sn 4.62%、Ni 2.01%、Pb 1.58%、Zn 5.96%、Cu余量。受電磨損試驗機如圖1所示。在一個直徑為300 mm的圓盤上，沿其外緣安裝合金接觸導線，圓盤兩端各有一塊滑板分別由彈簧提供的彈力壓靠在接觸導線上；曲柄連桿機構帶動接觸滑板以1 Hz的頻率在30 mm的擺幅內作橫向往復移動，直流電由滑板流向導線再流向另一塊滑板。所有試驗都在實驗室完成，電流分別為0、15、30和50 A，轉盤以300 r/min的速度轉動，加載壓力為45 N。線材的磨損量用其磨損一定時間后線材截面尺寸的變化來衡量，合金接觸線的磨損率用滑板滑過接觸線時單位長度的體積磨損量表示。試樣磨損后的表面形貌在配備有能譜分析(EDS)的JEOL JSM-5610LV型掃描電鏡上進行，工作電壓為25 kV。

圖1 磨損試驗裝置Fig.1 Schematic diagram of apparatus of wear test

2 結果與討論

2.1 加載電流和滑行距離對 Cu-Ag-Zr-Ce合金磨損性能的影響

圖2 接觸壓力為45 N、滑動速度為18 km/h時Cu-Ag-Zr-Ce線材的磨損率隨受電電流的變化Fig.2 Variation of wear rate of Cu-Ag-Zr-Ce wire with electrical current at contact pressure of 45 N and sliding velocity of 18 km/h

圖2所示為Cu-Ag-Zr-Ce合金在接觸壓力45 N、滑動速度為 18 km/h時磨損率隨加載電流變化的關系。由圖2可以看出，Cu-Ag-Zr-Ce合金線材的磨損率隨著加載電流的增大而增大。在較低的加載電流下(＜15 A)，磨損率增加相對較慢；而在較高的加載電流下(15～30 A)，磨損率增加較快。如在滑行距離為36 km、加載電流為50 A時，磨損率為3.46×10-3mm3/m；而在滑行距離為 36 km無加載電流時，磨損率為1.90×10-3mm3/m。

圖3所示為Cu-Ag-Zr-Ce合金在接觸壓力為45 N、滑動速度為18 km/h下的磨損率隨滑行距離的關系。由圖3可以看出，Cu-Ag-Zr-Ce合金線材的磨損率隨著滑行距離的增大而增大。在磨損開始的最初階段，磨損率隨滑行距離的增大而急劇增大；隨后隨滑行距離的增加，磨損率變化漸緩。這主要是由于在磨損的開始階段，圓形合金線材與滑板之間接觸面積的急劇變化而導致較大的正壓力，磨損率發(fā)生急劇變化；而后隨著滑行距離的增加，滑板與圓形合金線材之間接觸面積的變化逐漸減小，因而使磨損率的變化相對比較平緩。

圖3 接觸壓為45 N、滑動速度為18 km/h時Cu-Ag-Zr-Ce線材的磨損率隨滑行距離的變化Fig.3 Variation of wear rate of Cu-Ag-Zr-Ce wire with sliding distance at contact pressure of 45 N and sliding velocity of 18 km/h

由圖3可以看出，沒有加載電流時Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨損率相對于加載電流(30、50 A)合金線材的磨損率增加相對緩慢，且在同種條件下沒有加載電流時磨損率最小。相對于較低電流，在較高電流下磨損率的變化較大。當電流升高時，由實驗參數而引起的誤差相對減小。也即在較低的加載電流下，正壓力和滑行速度對合金線材磨損率的影響相對較大；而在較高的加載電流下，電流對磨損率的影響大于正壓力和滑行速度的影響。在加載電流作用下產生的熱量以及由于接觸線材與滑板脫離接觸而產生的電弧，對合金線材的磨損都有較大影響。放電電弧的溫度一般能夠達到3 300～4 000 ℃，因此，在離線而產生的放電電弧線材的附近區(qū)域，線材的表層和亞表層溫度會急劇升高，導致Cu-Ag-Zr-Ce合金接觸線發(fā)生軟化甚至熔化，使材料的硬度(強度)急劇下降[16]，從而導致放電區(qū)域發(fā)生嚴重的電弧侵蝕。電弧熱能的增加幾乎與電流的平方成正比，所以磨損率隨著加載電流的增加而急劇增大。

2.2 合金受電磨損機理

為了探討Cu-Ag-Zr-Ce合金的電滑動磨損機理，采用掃描電鏡對該合金在不同加載電流下滑動磨損 4 h后的表面形貌進行觀察。圖4所示為Cu-Ag-Zr-Ce合金在正壓力45 N、滑行速度18 km/h及不同加載電流條件下磨損4 h后接觸線材磨損表面的SEM像。

由圖4(a)～(c)可以看出，磨損表面存在大量剝落坑，這主要是由于較高的滑動磨損使線材受到較大的剪切應力和較小的正應力，因此，磨損碎片從線材的表面剝落，發(fā)生材料的轉移和剝落，說明粘著磨損是線材受電磨損的主要機制之一。為了進一步說明粘著磨損的作用，對Cu-Ag-Zr-Ce合金在不同加載電流下的磨損表面進行能譜分析，結果如表1所列。由表1可以看出，線材表面有其他元素存在，說明由電滑動磨損引起的機械和電的作用使材料在滑板和合金線材之間發(fā)生了轉移，從而更進一步證明了粘著磨損是其磨損的主要機制之一。

從圖4(a)～(c)還可以看出，在磨損線材表面存在明顯與滑動方向相平行和連續(xù)的犁溝，線材表面的這種形貌特征表明發(fā)生了磨粒磨損。由于 Cu-Ag-Zr-Ce合金接觸線材的硬度(147HB)遠高于銅基粉末冶金滑板的硬度(90HB)，由粘著磨損所產生的磨損碎屑會粘著在Cu-Ag-Zr-Ce合金和滑板之間，作為磨粒使材料發(fā)生磨粒磨損。此外，加載電流的存在導致銅合金線材表面溫度升高，線材表面易于形成氧化膜(由表1中磨損表面的能譜分析數據可以證實氧化膜存在)，而溫度的變化導致線材表層和氧化膜的力學性能的改變(當出現電弧時其力學性能變化更加明顯)；氧化膜的力學性能(包括塑性)對溫度十分敏感，在溫度高于500℃時性能急劇降低，塑性急劇降低。BOUCHOUCHA等[17-18]對電流作用下的銅/鋼鐵的磨損研究認為，電流的作用不僅加劇氧化物的形成，同時使銅合金線材表層的溫度升至600 ℃以上。由表1中不同加載電流作用下合金磨損表面的能譜分析數據可以看出，隨著加載電流的增大，磨損表面的含氧量增加，從而也證實了電流的作用加劇氧化物形成的結論。而在電流作用下氧化物塑性的急劇降低使在反復的滑動摩擦下表層形成的氧化物極易破裂形成碎屑，堅硬的氧化物粒子作為磨粒也可導致磨粒磨損。

圖4 不同電流下Cu-Ag-Zr-Ce合金受電磨損后的表面SEM像Fig.4 SEM images of Cu-Ag-Zr-Ce alloy after wear under different electrical currents: (a)0 A; (b)30 A; (c), (d)50 A

表1 磨損表面的EDS能譜分析結果Table 1 EDS analysis results of worn surface

由圖4(b)和(c)可以看出，電滑動磨損條件下，在Cu-Ag-Zr-Ce合金線材的磨損表面可觀察到電侵蝕坑和氣孔(如圖4(b)中箭頭所指)，且隨著加載電流的增大，電侵蝕坑和氣孔增多(見圖4(c))。另外，對經過磨損的線材進行宏觀觀察可以看出，隨著加載電流的增大，線材的磨損表面變得更加粗糙，且線材磨損表面顏色發(fā)暗的部分變多。在電滑動條件下，當電流通過時，滑板和Cu-Ag-Zr-Ce合金線材之間由于離線而產生電弧，從而引起電弧熔化和電弧侵蝕等不同的材料轉移方式。圖4(c)所示為磨損表面的電侵蝕坑以及有類似于蜂窩狀的氣孔形貌。圖4(d)所示為圖4(c)的局部放大形貌，顯示出明顯的蜂窩狀特征。當電滑動時的接觸斷開時，產生電弧，而在電弧產生處線材的周圍材料表層和亞表層的溫度瞬時急劇升高，導致Cu-Ag-Zr-Ce合金線材和滑板接觸處的材料發(fā)生熔化和蒸發(fā)，這些熔化的材料在接觸表面的凝固過程中由于液態(tài)金屬的凝固收縮或金屬的熱脹冷縮而形成如圖4所示的氣孔。

綜上所述，在Cu-Ag-Zr-Ce合金的電滑動磨損過程中，粘著磨損、磨粒磨損和電侵蝕磨損是其主要的磨損機制，且隨著加載電流的增加，電侵蝕磨損加劇。

2.3 合金元素對Cu-Ag合金磨損行為的影響

目前，質量分數為0.1%的銀銅接觸線材因其優(yōu)良的導電性、較高的強度及較優(yōu)的高溫性能廣泛用于國內外電氣化鐵路系統(tǒng)中。為了考察Cu-Ag-Zr-Ce合金線材的磨損性能，采用Cu-0.1Ag以及Cu-Ag-Zr合金線材與其進行對比。

圖5所示為 Cu-Ag-Zr-Ce合金線材與 Cu-Ag、Cu-Ag-Zr合金線材在正壓力為45 N、滑行速度為18 km/h時滑行4 h的磨損率與加載電流的關系曲線。由圖5可以看出，Cu-Ag接觸線材的磨損率明顯高于Cu-Ag-Zr-Ce以及Cu-Ag-Zr合金線材的磨損率；Cu-Ag合金及Cu-Ag-Zr和Cu-Ag-Zr-Ce合金線材磨損率的差別隨著受電電流的增大而增大；在不同的受電電流下 Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨損率明顯低于 Cu-Ag-Zr和Cu-Ag合金的磨損率。如Cu-Ag合金線材的磨損率在無加載電流時為6.64×10-3mm3/m，加載電流為50 A時達到12.63×10-3mm3/m；而無加載電流時Cu-Ag-Zr合金的磨損率為2.99×10-3mm3/m，加載電流為50 A時為4.13×10-3mm3/m；Cu-Ag-Zr-Ce合金在無加載電流時的磨損率為2.13×10-3mm3/m，加載電流為50 A時僅為3.61×10-3mm3/m。Cu-Ag合金的磨損率約為相同試驗條件下Cu-Ag-Zr和Cu-Ag-Zr-Ce合金磨損率的2～4倍，說明合金元素Zr和Ce的加入顯著改善了Cu-Ag合金的磨損性能。

圖5 合金元素對Cu-Ag合金磨損性能的影響Fig.5 Effect of elements alloy on wear property of Cu-Ag alloy

合金元素的加入所引起材料磨損性能的顯著差別主要是由于材料微觀結構的變化。Cu-Ag-Zr-Ce合金是一種新研制的時效硬化合金，圖6所示為該合金經時效處理后析出相的微觀形貌。由圖6可以看出，經時效處理后，合金中形成細小彌散分布的Cu5Zr析出相顆粒，這些細小彌散的析出相分布在銅基體上，尺寸為6～7 nm，且與基體保持共格關系，能夠有效地改善合金的磨損性能。時效硬化合金的磨損是材料亞表面層形變、裂紋形核和擴展而導致與表面分離的過程[19]。在銅合金的磨損過程中，微觀結構和強度起著重要作用。Cu-Ag-Zr-Ce合金(570 MPa，147HB)比Cu-Ag-Zr(530 MPa，143HB)和 Cu-Ag 合金(410 MPa，106HB)具有較高的強度和硬度，能更有效地抵抗磨損過程中材料表面的塑性變形；而在塑性變形過程中，基體上分布的細小彌散且與基體保持共格關系的析出相會有效阻礙裂紋的形核和擴展。同時，電滑動磨損時電弧侵蝕也是一個重要因素，LIU等[20]通過對Cu-Nb原位復合材料的電滑動摩擦磨損行為進行了研究，認為具有高強度、高電導率的材料有更強的抗電弧侵蝕能力。Cu-Ag-Zr-Ce合金(570 MPa，86.20%(IACS))比 Cu-Ag 合金(410 MPa，97.63%(IACS))具有更好的導電性和強度匹配，其在不同加載電流條件下磨損率的變化說明兼具高強度、高導性能的材料具有更優(yōu)的抗電弧侵蝕性能。另外，電流作用會導致線材的溫升，Cu-Ag-Zr-Ce、Cu-Ag-Zr和Cu-Ag合金的軟化溫度分別為 550、500和 350 ℃，Cu-Ag-Zr-Ce和Cu-Ag-Zr合金具有的較高軟化溫度也對其耐磨性有很大的改善作用。綜上所述，合金元素的加入大大改善了Cu-Ag合金的耐磨性能。

圖6 經時效處理Cu-Ag-Zr-Ce合金中析出相的微觀形貌Fig.6 Micrograph of precipitate in Cu-Ag-Zr-Ce alloy after aging treatment

3 結論

1)Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨損率隨著加載電流的增大而增大。在50 A的加載電流作用下，Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨損率為3.61×10-3mm3/m；而無加載電流時其磨損率為2.13×10-3mm3/m。

2)在不同的磨損條件下，Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨損率隨著滑行距離的增大而增加，在起始階段磨損率增加很快，隨后逐漸變緩。

3)粘著磨損、磨粒磨損和電侵蝕磨損是 Cu-Ag-Zr-Ce合金電滑動磨損的主要磨損機理；且隨著加載電流的增大，電侵蝕磨損加劇。

4)合金中細小彌散分布的共格析出相能改善Cu-Ag合金的磨損性能；相同實驗條件下Cu-Ag合金的磨損率為Cu-Ag-Zr-Ce合金的2～ 4倍。

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