何莉萍 ,彭金方 ,蔡振兵* ,朱旻昊

(1.西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點實驗室 摩擦學(xué)研究所，四川 成都 610031;2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

電接觸是電氣工程、電工技術(shù)和電信設(shè)備最重要的組成部分，為高效率能量輸出提供了保證[1].電連接器由于受到外界環(huán)境和工作條件的影響，容易引起觸點微動磨損、微動腐蝕和微動疲勞現(xiàn)象，導(dǎo)致電接觸性能逐漸退化甚至功能失效[2]，當(dāng)下電接觸部件的磨損問題已成為電接觸材料可靠性、穩(wěn)定性、精確性和使用壽命的瓶頸[3].

觸頭材料接觸電阻是電連接器工作性能的諸多技術(shù)參數(shù)之一，接觸電阻主要包含兩部分，一是由于電流經(jīng)過接觸表面路徑變窄發(fā)生收縮而產(chǎn)生的收縮電阻，二是接觸面上膜層本身的膜電阻.銅具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，價格比銀低廉且資源豐富，使銅基材料成為銀基電接觸材料的理想替代材料.但是銅及銅合金電接觸材料在使用過程中易形成電導(dǎo)率很低的氧化膜，增大觸頭的接觸電阻，試驗結(jié)果證明，電接觸失效是由于接觸區(qū)產(chǎn)生致密的氧化層引起的[4]，限制其在低壓電器觸頭材料中的應(yīng)用.應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性與特殊性使電接觸磨損問題具有強(qiáng)烈的系統(tǒng)依賴性、不可移植性和過程時變特征，由此導(dǎo)致的磨損失效機(jī)理也迥然不同.影響觸點材料微動磨損特性的因素主要包括微動幅值、微動頻率、正壓力、溫度、濕度和環(huán)境氣氛等[5].國內(nèi)外學(xué)者在影響銅基材料接觸電阻壽命和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)因素如位移幅值、載荷、頻率和電流等[6-9]，環(huán)境因素如相對濕度和溫度等[6-7,10]以及表面粗糙度和氧化處理[11-12]等方面取得了較為一致的研究成果.而在密封電連接器中，工作環(huán)境氣氛可能通過兩方面共同影響觸頭材料接觸電阻.工作氣氛對磨損程度的影響，主要表現(xiàn)為磨屑的堆積或者磨屑坑的產(chǎn)生，從而引起表面粗糙度的變化，使其閉合時接觸點減少、接觸面積縮小，導(dǎo)致收縮電阻增大.其次是氣氛可能通過化學(xué)反應(yīng)在觸頭材料上生成表面膜，從而影響接觸電阻[13-15].Song等[16]的研究結(jié)果表明，氧化膜的生長與氧化分壓大致呈線性規(guī)律.Toshihiro等[17]對Ag基觸頭在混有微量苯蒸氣的氮氧混合氣氛中開展電接觸試驗，結(jié)果表明，隨著O2含量的增大，觸頭接觸電阻逐漸減小.劉文軒等[18]對CuW50、CuW60、AgW60和Cu等四種觸頭開展了在O2、空氣、N2和CO2等六種氣氛中的電接觸試驗，O2中的接觸電阻一般最大，空氣次之，50%CO2+50%Ar最小.Liu等[19]研究了不同氣氛環(huán)境下(空氣、O2和N2)銅的電接觸微動磨損性能，其結(jié)果完全不同：純氧狀態(tài)下反復(fù)出現(xiàn)間隙性斷路，而在純氮氣環(huán)境中接觸電阻值一直很低，在大氣環(huán)境中的接觸電阻居于二者之間.Grandin等[20]發(fā)現(xiàn)銅表面形成的摩擦膜由石墨和Cu2O組成，氧化物不一定有害，氧含量越高，接觸電阻反而越低.對于銅基材料的氧化機(jī)理尚待進(jìn)一步研究，有研究發(fā)現(xiàn)含氧量越高，接觸電阻越高，也有研究發(fā)現(xiàn)不同的結(jié)論.目前的研究主要集中在環(huán)境中是否含氧，如果不含氧，接觸電阻低，故認(rèn)為氧是氧化反應(yīng)的唯一主導(dǎo)因素.影響接觸電阻的主要因素是表面產(chǎn)物，但是環(huán)境中的氧是引起表面產(chǎn)物差異的主導(dǎo)因素但非唯一因素，在其他試驗條件一定的情況下，本研究中主要以大氣中含氧量為參照，通過調(diào)節(jié)氛圍中的含氧量定性對比分析，揭示基于電接觸模式下含氧環(huán)境中影響銅電接觸微動磨損的主導(dǎo)因素，進(jìn)一步完善銅基材料的電接觸氧化機(jī)理，為其在電接觸領(lǐng)域的應(yīng)用提供具有參考價值的理論指導(dǎo).

1 試驗部分

1.1 試驗材料

本試驗中選擇典型的導(dǎo)電塊狀紫銅C11000 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)：Cu 99.9%；P 0.011 6%；Fe 0.016%；Pb 0.001 9%；S 0.004 7%；Zn 0.021 6%；Sn 0.003 4%)作為摩擦材料，黃銅球C3604(質(zhì)量分?jǐn)?shù)：Cu 60.5%～63.5%；Fe 0.01%；Pb 0.08%；P 0.15%;Sn 0.005%；Bi 0.002%，其余為Zn)作為摩擦對偶，接觸方式為球/面接觸，試驗參數(shù)：法向載荷Fn為4 N,微動幅值D為45 μm，微動頻率f為2 Hz,循環(huán)次數(shù)N為104次，紫銅表面粗糙度Ra為2.61 μm，黃銅球表面粗糙度Ra為0.08 μm，觸點電流I為20 mA,每次試驗重復(fù)3次取平均值，用標(biāo)準(zhǔn)差作為誤差，試驗材料性能列于表1中.

表1 試驗材料性能Table 1 Test material properties

1.2 試驗測試方法

試驗設(shè)備采用西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所自制的電接觸微動試驗機(jī)和PC微機(jī)系統(tǒng)對整個試驗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(圖1)，氣氛裝置[圖1(b)]通過調(diào)節(jié)氣壓閥來控制Ar/O2的流速進(jìn)而保證試驗氛圍中10%O2和30%O2環(huán)境，20%O2采用的是大氣環(huán)境，向另外兩種氛圍腔里通水蒸氣保證與空氣濕度一致(30% RH)，環(huán)境溫度為25 ℃，保證三種環(huán)境下恒溫恒濕.接觸電阻的測量采用經(jīng)典的四線法接線方式[6,21][圖1(c)]，由于試驗接觸界面電壓信號通常只有幾毫伏，所以對電壓進(jìn)行100倍放大處理，電阻值通過歐姆定律計算得出.用光學(xué)顯微鏡(OM，型號：OLYMPUS-BX60M)、掃描電子顯微(SEM，型號：FEI-Quanta200,美國)和白光干涉儀(型號：contour GT-X 3D)分別對磨痕的表面形貌、磨損體積以及磨損深度進(jìn)行了測試和對比，并結(jié)合電子能譜(EDX)和電子探針(EPMA)分析表面的成分變化以進(jìn)一步了解摩擦化學(xué)行為.

Fig.1 Schematic of the wear tes:(a) Schematic diagram of electrical contact fretting wear test device (1.piezoelectric ceramic actuator;2.upper fixture;3.force transducer;4.sample;5.displancement sensor;6.precision lead screw);(b) Atmosphere device;(c) Resistance measurement principle圖1 試驗示意圖：(a)電接觸微動磨損試驗裝置示意圖(1.壓電陶瓷驅(qū)動裝置；2.上夾具；3.力傳感器；4.樣品；5.位移傳感器；6.精密絲杠)；(b)氣氛裝置；(c)四線接觸法測量接觸電壓

2 結(jié)果與分析

2.1 微動磨損性能

摩擦力-位移(Ft-D)曲線和摩擦系數(shù)是微動過程中主要的動力學(xué)參數(shù).Ft-D曲線可反映材料的微動運動狀態(tài)，圖2所示為不同含氧量下的Ft-D曲線，從圖2中可以看出不同含氧量下的Ft-D曲線均為平行四邊形，表明微動運行狀態(tài)為完全滑移區(qū)[22].由文獻(xiàn)[23]可知，微動過程中，材料的損傷可以通過摩擦耗散能(Ei)來表征.在Ft-D曲線圖中，每個循環(huán)的耗散能等于該循環(huán)對應(yīng)的Ft-D曲線所圍面積.本文中通過Ft-D曲線(圖2)計算了10th、100th、500th、1 000th、2 000th和5 000th循環(huán)對應(yīng)的摩擦耗散能(表2)，500th循環(huán)前，隨著循環(huán)次數(shù)的增加三種不同含氧環(huán)境摩擦耗散能均線性遞增，500th～5 000th循環(huán)，不同含氧量環(huán)境下的摩擦耗散能變化出現(xiàn)不同程度的波動，先下降再上升.在整個循環(huán)周期內(nèi)，20%O2環(huán)境下的摩擦耗散能較其他兩種條件下低，而10%O2環(huán)境下的摩擦耗散能高于其他兩種情況.可以推測，20%O2條件下的損傷最輕，10%O2條件下的損傷最嚴(yán)重.

表2 不同含氧量環(huán)境中的摩擦耗散能Table 2 Friction dissipation energy in different oxygen content environment

Fig.2 Ft-D curve in different oxygen content environment圖2 不同含氧量環(huán)境中的Ft-D曲線

銅在三種不同含氧量環(huán)境中的摩擦系數(shù)曲線如圖3(a)所示，摩擦系數(shù)均經(jīng)歷4個階段：(1) 1～100次循環(huán)，初始階段，即表面膜的保護(hù)階段，摩擦系數(shù)低；(2)100～1 000次循環(huán)，二體作用，爬升階段，表面膜破裂，摩擦對偶之間為直接接觸，接觸表面發(fā)生黏著和咬合，摩擦系數(shù)迅速增大；(3) 1 000～2 000次循環(huán)，二體向三體過渡，下降階段，銅氧化物顆粒不斷生成和剝落，形成第三體層，起到固體潤滑的作用，摩擦系數(shù)下降[22]；(4) 2 000～10 000次循環(huán)，穩(wěn)定階段，磨屑不斷產(chǎn)生和壓碎，但是產(chǎn)生和溢出達(dá)到動態(tài)平衡，摩擦系數(shù)變化不大.可以看出環(huán)境中10%O2、20%O2和30%O2時摩擦系數(shù)穩(wěn)定值分別是0.77、0.71和0.80.爬升階段10%O2環(huán)境下摩擦系數(shù)高可能因為含氧量低，表面生成氧化物少，紫銅與黃銅基本完全處于二體接觸，兩者屬于較軟金屬，黏著和塑性變形嚴(yán)重.

采用白光干涉儀測量了磨痕的表面粗糙度，并計算了磨損體積，如圖3(b)所示，樣品初始表面粗糙度為2.61 μm，在不同含氧量環(huán)境中磨損后磨痕的表面粗糙度不同，10%O2、20%O2和30%O2環(huán)境下磨痕的表面粗糙度依次為3.22、2.20和 3.09 μm，而銅在10%O2環(huán)境中磨損體積最大,20%O2環(huán)境中磨損體積最小，30%O2環(huán)境中磨損體積居于兩者之間，磨損體積與摩擦耗散能的結(jié)果一致.

Fig.3 Friction coefficient,wear volume and surface roughness under different oxygen content圖3 不同含氧量下的摩擦系數(shù)、磨損體積及表面粗糙度

2.2 電接觸性能

圖4(a)所示為環(huán)境中不同含氧量的接觸電阻值對比圖，處于10%O2環(huán)境時，接觸電阻值在7 500次循環(huán)前有較小的波動，但未超過200 mΩ，7 500次循環(huán)后開始爬升，9 400次達(dá)到最大值1 360 mΩ.處于20%O2環(huán)境時，5 500次循環(huán)前接觸電阻均保持較低水平，7 100次循環(huán)后逐步下降，8 700次后接觸電阻上升到最大值900 mΩ.處于30%O2環(huán)境時，接觸電阻值在2 000次循環(huán)后開始上升到260 mΩ，然后逐漸下降，3 000次循環(huán)時接觸電阻值陡然上升到1 360 mΩ，隨著循環(huán)次數(shù)增加接觸電阻一直居高不下，維持在1 360 mΩ.可以看出不同含氧量環(huán)境下，接觸電阻的變化規(guī)律不一樣，10%O2的條件下，接觸電阻前期波動不大，后期有較大波動，而20%O2條件下，接觸電阻峰值和波動較10%O2時小，30%O2環(huán)境中接觸電阻很快到達(dá)穩(wěn)定峰值.一般常用電接觸壽命來評價電接觸性能，而電接觸壽命即到達(dá)允許最大接觸電阻值(Rmax)的時間(本試驗中用循環(huán)次數(shù)).首先給接觸電阻設(shè)置門檻值，即允許的最大接觸電阻，如果設(shè)置為50 mΩ，則10%O2、20%O2和30%O2環(huán)境時對應(yīng)的壽命分別是2 600、5 500和2 000.如果門檻值為200 mΩ，則10%O2、20%O2和30%O2時對應(yīng)的壽命分別是7 500、6 500和2 000[見圖4(b)].在10 000次循環(huán)內(nèi)，10%O2、20%O2和30%O2時對應(yīng)的Rmax分別是1 360、900和1 360 mΩ.無論從電接觸壽命還是接觸電阻峰值評價，電接觸性能20%O2時最優(yōu)，10%O2時次之，30%O2時最差.

Fig.4 Contact resistance and electrical contact life under different test conditions圖4 不同試驗條件下的接觸電阻和電接觸壽命

3 討論

3.1 磨痕形貌分析

圖5為不同試驗條件下的磨損中心區(qū)域光學(xué)顯微鏡圖和白光干涉圖，從光鏡圖可以看出，三種條件下的磨痕都呈圓形且顏色較黑，可能跟磨痕表面發(fā)生了較嚴(yán)重的氧化反應(yīng)有關(guān)，20%O2環(huán)境下的磨痕直徑最小，30%O2環(huán)境下的磨痕直徑最大[圖5(a～c)].白光干涉結(jié)果包括了三維形貌圖和磨損深度曲線[圖5(d～f)]，10%O2環(huán)境下的磨坑和邊緣堆積嚴(yán)重，20%O2環(huán)境下的磨痕心部有部分堆積，能一定程度上保護(hù)基體不受磨損，30%O2環(huán)境下由于磨損面積更大，磨屑更容易擠出，但是磨損深度也較大，呈現(xiàn)典型的W型.

圖6(a)為10%O2環(huán)境中磨痕的SEM形貌圖，可以看到中心區(qū)域有很厚的剝層，大塊的剝層脫落后可見較大的磨損裂紋，說明損傷嚴(yán)重，而磨痕邊緣處溢出的磨屑顆粒尺寸較小，松散地覆蓋在表面.20%O2環(huán)境下磨痕心部有犁溝存在，磨痕中心也可見明顯的裂紋，磨屑顆粒均勻分布在周圍[圖6(b)].在30%O2的環(huán)境中剝層現(xiàn)象更明顯，但未發(fā)現(xiàn)裂紋，取而代之的是沉積，磨屑呈較大顆?；蛘邎F(tuán)聚體并黏著在周圍[圖6(c)],顆粒尺寸明顯大于另外兩種含氧量環(huán)境中，大塊顆粒和剝落導(dǎo)致較大的接觸電阻和波動[24].大顆粒塊狀疏松覆蓋在基體表面，可能與生成較多的銅氧化物有關(guān)，銅表面氧化層的外部是由晶粒細(xì)小的CuO組成,內(nèi)部則為Cu2O，其晶粒為粗大組織且疏松，銅被氧化成Cu2O或CuO時產(chǎn)生較大的體積變化，氧化層在生長過程中勢必承受一定的壓縮應(yīng)力，可能引起氧化層破裂[25].接觸表面的氧化顆粒在磨損初期導(dǎo)致磨粒磨損，接觸電阻隨之增大，但磨損后期影響不明顯[7].磨損后期主要是氧化物的影響，氧化物黏著和團(tuán)聚導(dǎo)致接觸副的接觸電阻增大甚至電流斷路[6-7]，因此從磨損形貌的SEM照片可以看出磨損產(chǎn)物的形狀和尺寸可能是引起接觸電阻不同的重要因素，團(tuán)聚越嚴(yán)重，磨屑和氧化物尺寸越大，可能導(dǎo)致接觸電阻變大，另外從形貌圖可看出磨損機(jī)制主要為剝落、氧化和黏著.

Fig.5 Micrographs of wear scars under different oxygen content圖5 不同含氧量環(huán)境下的磨痕形貌圖

Fig.6 SEM micrographs of wear scars in different area圖6 磨痕不同區(qū)域微觀形貌

3.2 磨痕成分分析

本文中對三種狀態(tài)下的磨痕用EPMA進(jìn)行元素的線掃描，掃描位置分別為圖6中AB、CD和EF線段，同時對圖6中的磨痕全貌進(jìn)行EDS線掃描，結(jié)果見圖7，主要了解Cu、O和Zn元素相對于基體含量的分布情況.從線掃描結(jié)果[圖7(a～c)]可以看出，三種狀態(tài)下Cu元素強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)邊緣(未磨損區(qū))高和中間(磨損區(qū))低的現(xiàn)象，說明磨痕表面較基體表面Cu元素相對含量均有不同程度的減少，而與之相反的是O元素和Zn元素強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)邊緣(未磨損區(qū))低、中間(磨損區(qū))高的現(xiàn)象，說明磨痕位置O元素相對含量增加，證明磨損過程中的氧化比在空氣中自然氧化更嚴(yán)重，Zn元素是從對偶球黃銅球上轉(zhuǎn)移過來的，說明在試驗中摩擦對偶黃銅球也發(fā)生了一定程度的磨損，磨痕區(qū)域內(nèi)是兩者的磨屑和氧化混合物.EDS可以定量分析三種元素原子百分比[圖7(d)]，10%O2、20%O2和30%O2三種環(huán)境下Cu原子含量分別為53%、54%和50.9%，O原子含量32.3%、30.8%和35.7%，O原子含量高說明氧化嚴(yán)重，Cu原子含量高低決定導(dǎo)電性能，Zn原子含量差別不大.從成分分析看出，材料轉(zhuǎn)移也是其磨損機(jī)制之一，30%O2環(huán)境下氧化最嚴(yán)重，20%O2環(huán)境下氧化最輕.

Fig.7 EPMA and EDS results of wear scar圖7 磨痕的EPMA線掃和EDS結(jié)果

3.3 環(huán)境中含氧量不同對銅接觸電阻的影響

微動形成的金屬氧化物的性能極大地影響微動損傷的程度和微動的動力特性.由微動作用產(chǎn)生的氧化物碎屑將增大摩擦系數(shù)，并通過研磨作用增大表面損傷[1],氧化膜是干摩擦狀態(tài)中常見的潤滑膜[26]，摩擦熱的軟化和氧化物的產(chǎn)生起到減磨潤滑的作用[27].根據(jù)Rabinowicz和Quinn氧化磨損模型[28]，環(huán)境中含氧量越低，磨損率越高，說明氧化物具有減磨潤滑的作用.銅具有在氧氣中易氧化的性質(zhì)，氧化磨損是其主要的磨損機(jī)制，在三種不同含氧量的環(huán)境中，10%O2環(huán)境中磨損最嚴(yán)重，30%O2最輕，20%O2居中.由于磨損和氧化同時進(jìn)行，磨損產(chǎn)生更多的磨屑又會加劇氧化，更多的氧化物增大接觸電阻.當(dāng)接觸表面有氧化膜存在時，根據(jù)接觸電阻Rt=Rs+Rf(Rt為總接觸電阻，Rs為收縮電阻，Rf為膜電阻)，本試驗中收縮電阻的影響可以忽略不計，主要考慮膜電阻的影響.

根據(jù)Liu等[19]的研究結(jié)果，銅在無氧、空氣和純氧三種氣氛環(huán)境中，電接觸性能主要受氧化膜的影響，氧氣越充足的環(huán)境中氧化現(xiàn)象越嚴(yán)重，電接觸性能越差，因此無氧環(huán)境電接觸性能最好，純氧環(huán)境電接觸性能最差.但是電連接器的工作環(huán)境很難做到完全密封的真空環(huán)境，本文中以空氣中20%O2為參照，對比環(huán)境中含氧量低于和高于此含量，發(fā)現(xiàn)氧化程度并非完全取決于環(huán)境中含氧量，還跟磨損程度有關(guān)系，磨損嚴(yán)重將會產(chǎn)生更多的磨屑，磨屑容易被氧化.因為10%O2環(huán)境下磨損最嚴(yán)重，在磨損和氧化的共同作用下，其氧化程度反而比20%O2環(huán)境下嚴(yán)重，說明接觸電阻與環(huán)境中含氧量呈非線性關(guān)系，是環(huán)境中含氧量和磨損程度耦合的結(jié)果，但是具體耦合的公式或者趨勢還有待進(jìn)一步研究確定.磨損和氧化過程示意圖如圖8所示，在大氣中，隨著磨損時間的增加，氧化加劇，兩接觸界面之間的第三體既有磨屑層也有氧化顆粒和金屬氧化層[圖8(a)].而在不同含氧量環(huán)境中，氧化和磨損的規(guī)律略微有些不同，同樣的磨損時間，10%O2環(huán)境中，由于磨損較為嚴(yán)重，產(chǎn)生的磨屑較20%O2和30%O2環(huán)境中多，磨屑反復(fù)碾壓升溫，更容易被氧化，雖然O2含量較低，但是單位體積內(nèi)被氧化的磨屑數(shù)量較20%O2多，30%O2環(huán)境下由于具有更充足的O2，氧化現(xiàn)象最嚴(yán)重，故20%O2環(huán)境下接觸電阻最低[圖8(b)].

Fig.8 Schematic diagram of the formation process of surface products in the contact area during fretting圖8 微動過程中接觸區(qū)表面產(chǎn)物形成過程示意圖

4 結(jié)論

本文中對比了銅在三種不同含氧量的環(huán)境中滑移區(qū)的電接觸微動磨損試驗后發(fā)現(xiàn)：

a.10%O2微動磨損性能最差，電接觸性能介于20%O2和30%O2之間，20%O2環(huán)境中電接觸性能和微動磨損性能最好，30%O2環(huán)境中電接觸性能最差，微動磨損性能介于其他兩種環(huán)境之間.

b.30%O2環(huán)境中氧化最嚴(yán)重，導(dǎo)致接觸電阻較高，而10%O2環(huán)境中磨損最嚴(yán)重，產(chǎn)生更多的磨屑，加劇了氧化行為，故10%O2環(huán)境中銅的接觸電阻高于20%O2環(huán)境,說明接觸電阻與環(huán)境中含氧量呈非線性關(guān)系，還與磨損程度相關(guān).氧氣只是一種氧化介質(zhì)，環(huán)境中含氧量和磨損產(chǎn)生的磨屑共同主導(dǎo)電接觸性能.

c.不同含氧量環(huán)境中均發(fā)生了不同程度的氧化和剝落以及摩擦對偶材料的轉(zhuǎn)移，因此三種狀態(tài)下的主要磨損機(jī)制為氧化、黏著(轉(zhuǎn)移)和剝落.