Cu-Ag-Fe合金的电接触滑动磨损的研究

李 勇，易丹青，柳瑞清，孙顺平

(1.中南大学材料科学与工程学院，长沙410083，E-mail:liyong0248@163.com; 2.国家铜冶炼及加工工程技术研究中心，江西赣州341000)

Cu-Ag-Fe合金的电接触滑动磨损的研究

李 勇1，2，易丹青1，柳瑞清2，孙顺平1

(1.中南大学材料科学与工程学院，长沙410083，E-mail:liyong0248@163.com; 2.国家铜冶炼及加工工程技术研究中心，江西赣州341000)

为改善接触线的耐磨性能，在Cu－Ag合金中添加微量Fe元素制备了Cu－Ag－Fe合金接触线，研究了电流强度、滑动速度和载荷对Cu－Ag－Fe合金的磨损形貌及磨损率的影响.实验结果表明：随电流强度、滑动速度和载荷的增加，合金的质量磨损率明显增加.磨损形貌表明，在受电滑动条件下，磨损形式以粘着磨损、磨粒磨损和电侵蚀磨损为主，且随着电流强度的增加，粘着磨损现象加剧.由于Fe元素的时效析出强化作用，Cu－Ag－Fe合金的电磨损性能比Cu－Ag合金高出2倍多，大大提高了该合金的使用寿命.

Cu－Ag－Fe合金;电流强度;滑动速度;载荷;滑动磨损

随着电气化铁路向高速重载方向发展，对接触导线的强度和耐磨性提出了更高的要求.纯铜接触线尽管导电率大于96%IACS，但强度偏低，特别是高温时，强度更低，而且由于自然时效的作用，发生蠕变，强度将会逐渐减小，在大载荷电流通过时产生的热效应作用下，强度衰减更加显著［1］.显然，接触导线已成为制约高速铁路发展的瓶颈.由于接触网用电接触线只有良好的电传导性能与摩擦磨损性能相结合，才能保证能量的传递，满足寿命要求和可靠性要求.因此，在研制电接触导线过程中，材料的滑动摩擦磨损性能也非常重要.

目前，许多学者为此做了大量研究工作［2－6］.浙江大学齐卫笑等［7］研究认为，Cu－Cr－Zr合金的磨损率随时效温度的升高逐渐降低，在500℃时达到最低值;随着时效温度的进一步升高，磨损率又开始增大.在电流作用下，合金的磨损机制主要有粘着磨损、磨粒磨损与电侵蚀磨损.在相同的摩擦磨损试验条件下，Cu－Cr－Zr合金的耐磨损性能明显优于Cu－Ag合金.国内雷静果等［8］人研究了Cu－Ag－Cr合金接触线的电滑动磨损性能，发现其耐磨性能是Cu－Ag合金的2～3倍，且可与Cu－Cr－Zr合金的耐磨损性能相媲美.日本Tohoku大学学者Hiroki［9］等人模拟接触线使用状态，在自制实验机上对Cu－Cr－Zr线材进行了受电滑动磨损试验和磨损机理的研究，认为电车用接触线磨损速率与压力和热量成正比，可以通过降低滑动表面接触压力和热量来有效地提高接触线使用寿命.澳大利亚皇家墨尔本工学院的Da Hai He等［10－11］研究表明，在干摩擦条件下，滑块材料采用铜带时摩擦因数为0.34，换用铜基石墨复合材料时摩擦因数减小为0.22～0.27;其研究还发现接触线在工作时表面温度可升至200～500℃，此时润滑剂已失去作用，只有采用自润滑材料作为滑块，才能有效改善接触线的抗磨损性能，延长其使用寿命.

本文在Cu－Ag合金的基础上添加微量的Fe元素，结合高强高导铜合金的合金化机理，采取时效强化的方法增强其耐磨性.通过对Cu－Ag－Fe合金和Cu－Ag合金材料的受电滑动磨损行为的对比，分析了施加载荷和滑动速度的改变对受电滑动条件下的磨损率及磨损表面的影响;同时，探讨了电流、电压作用下对材料磨损性能的影响，并对两种合金电滑动磨损的影响因素及磨损机理进行了初步探讨.

1 实验

1.1 材料制备

两种合金均在中频感应电阻炉中熔炼而成，采用木炭覆盖.原料采用纯度为99.95%的标准阴极铜、纯度为99.5%以上的Ag、Fe.合金成分: Cu－0.15Ag，Cu－0.15Ag－0.1Fe.采用铁模浇铸成φ50 mm的铸锭.随后在箱式电阻炉中均匀化退火处理(850℃×10 h)，并随炉冷却.铸锭经过机加工去除氧化皮和缩尾，在315T油压机上挤压至φ10 mm，挤压温度850℃.

取挤压后的合金棒在Sk2－6－10管式电阻炉中固溶处理(960℃ ×1 h)，水淬.然后进行变形量为64%的拉伸变形，将试样拉伸至φ3 mm的棒材.将试样放入马弗炉中进行时效处理，500℃×2 h.

1.2 实验方法

电滑动磨损实验在自制的磨损试验机上进行，图1为电磨损实验机装置及其结构简图.环形接触导线装卡在直径为300 mm的圆盘上，圆盘两端各有一块滑板分别由弹簧提供弹力压靠在接触导线上;曲柄连杆机构带动滑板以1 Hz的频率在30 mm的摆幅内作横向往复移动，直流电由滑板流向导线再流向另一块滑板，滑块与导线之间的相对载荷(0～100 N)由弹簧调节.所用滑块为铜基粉末冶金材料，其化学成分如表1所示，硬度为85～95HRB.

图1 电滑动磨损试验机结构原理图

表1 铜基粉末冶金滑块化学成分(质量分数%)

磨损试验中滑块与接触导线间的接触载荷固定不变，为50 N.实验电流分别为0、10、20、30、40、50 A，工作电压为6 V，转盘分别以300、360、420、480、540和600 r/min的速度转动，对应的滑动速度分别为5、6、7、8、9和10 m/s.接触导线的磨损率采用滑板1次滑过接触导线时的单位长度磨损量(mm3/m)表示.利用SL－30型SEM观察Cu－Ag－Fe合金磨损表面形貌，并用EDS分析磨损表面主要元素.

2 结果与分析

2.1 电流强度对磨损性能的影响

在接触压力为50 N，磨损时间4 h的条件下，Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的磨损量随电流强度的变化如图2所示.从图2可以看出，两种合金的磨损率都是随着加载电流的增加而逐渐增加.这是由于在相同的接触压力下(50 N)，不同电流强度下产生的摩擦热相同;而接触电阻产生的焦耳热和电弧放热均与电流强度成正比，所以电流强度越高，磨擦表面产生的热量越大，温度越高.当温度升高到一定程度时，磨擦表面将被氧化，导致导线与滑块之间的接触电阻升高，使磨擦表面热量和温度进一步增加和提高.磨擦表面温度的升高会使表面产生软化、熔化以及加速表面铜颗粒的脱落，使合金的磨损率升高［12－14］.因此，随着加载电流强度的升高，合金的磨损率相应增大.

图2 加载电流(I)对合金的磨损率(η)的影响

另外，在相同电流强度下，Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的磨损率比Cu－0.15Ag合金的磨损率要低很多，说明Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的抗耐磨性能明显优于 Cu－0.15Ag合金，这是由于Cu－0.15Ag合金中Fe元素的时效强化作用，文献［15］指出时效强化合金的磨损是材料亚表面层形变、裂纹形核和扩展而导致与表面分离的1个过程，其磨损性能与合金的微观结构和硬度有着重要的关系.Cu－Ag－Fe合金作为1种时效强化合金，在塑性变形过程中，合金中析出的细小弥散的第二相，能够阻碍裂纹的形核和扩展，存在于基体表面的第二相粒子在磨损过程中还可以起到承载作用，从而降低磨损过程中的粘着磨损和磨粒磨损，提高材料的耐磨性.图3为Cu－0.15Ag合金和Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的时效析出相的TEM形貌图，可以看出，Cu－0.15Ag－0.1Fe合金析出相多，细小弥散分布均匀.

图3 Cu-Ag和Cu-Ag-Fe合金时效析出相的TEM形貌

图4为Cu－0.15Ag和Cu－0.15Ag－0.1Fe合金在不同载流下的表面磨损形貌.从图4可以看出，在相同磨损条件下，Cu－0.15Ag合金比Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的的表面磨损较重，这是由于Fe元素的时效析出强化作用，使合金的抗拉强度得到了明显提高，从而提高了合金的耐磨性能.两种合金的表面磨损较粗糙，剥落坑和犁沟较深，其坑内形貌在加载不同电流时有明显的区别，而且，随着加载电流的增大，合金表面和滑块在摩擦过程中产生大量的热，从而发生熔焊合和粘着，因此，加载电流后会产生的片状剥离层边角比较圆滑，且边缘有局部熔化的现象.这是因为在电流的作用下，磨擦表面吸收了大量的焦耳热、摩擦热和电弧热，使磨擦表面温度上升，当温度升高至合金的熔点后，就发生了转移膜的局部熔化现象［16］.

图4 不同载流下Cu-Ag和Cu-Ag-Fe合金的磨损形貌

对图4中的Cu－0.15Ag合金的磨损表面进行EDS分析，发现磨损表面中的凹坑内(黑色箭头所指)与外部(白色箭头所指)均含有滑板元素Fe、Zn、Sn等，其相应能谱分析分别如图5所示，表明其磨损形式主要为粘着磨损和磨粒磨损.在磨损过程中，导线与滑块之间还可发生瞬时的分离，产生电弧放电现象，导致试样表面局部的瞬时温度急剧升高，甚至超过材料的熔点，此时，在温度高处的表面会发生局部的熔化或气化消失，从而在材料表面留下一个个颜色较深的电蚀坑，如图4所示.

图5 Cu-0.15Ag合金磨损表面的EDS分析

2.2 滑动速度对磨损性能的影响

图6为合金在加载电流30 A，载荷50 N情况下，不同的滑动速度对其电滑动磨损性能的影响.从图6可以看出，两种试验导线的磨损率随滑动速度的变化趋势是一样的，均是随着滑动速度的增加，合金的磨损率增加，说明滑动速度的增加加速了材料的磨损.

图6 滑动速度对磨损率的影响

图7是Cu－0.15Ag－0.1Fe合金和Cu－0.15Ag合金在加载电流30 A，载荷50 N的条件下，不同滑动速度下的磨损形貌.从图7可以看出，在相同的电流和载荷情况下，滑动速度越大，表面磨损就越严重;而且Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的抗磨损性能比Cu－0.15Ag合金要好.这是由于在相同的滑动条件下，随着滑动速度的增加，摩擦副之间的接触变得不稳定，试验导线和滑块经常脱落，使瞬间产生电弧，电弧放电产生热效应使导线表面温度升高甚至发生融化，导致电烧蚀磨损.此外，较高的滑动速度会使合金的表面温度升高，有助于表层氧化膜的形成，氧化膜在达到一定的温度时会破裂形成碎屑，坚硬的氧化物粒子作为磨粒而产生磨粒磨损.所以，在高速滑动速度下，合金的表面会产生电侵蚀磨损和磨粒磨损的交互作用，但是，电侵蚀磨损起主导作用.

图7 Cu-Ag和Cu-Ag-Fe合金在不同滑动速度下的磨损形貌

2.3 载荷对磨损性能的影响

图8为合金在加载电流10 A，滑动速度为5 m/s情况下，不同的载荷对其磨损性能的影响8，可以看出，随着载荷的增加，两种合金的磨损率都是增加的，但Cu－0.15Ag－0.1Fe合金的磨损率增加幅度较小.磨损率随载荷增加而增大可归纳为如下原因:1)随载荷增大，真实接触面积和微凸体数增加;2)随载荷增大，接触面的温度升高，材料发生软化，塑性变形增大，抗剪强度降低，在循环应力作用下，磨擦表面易产生疲劳裂纹，导致大块材料的剥落，脱落的磨屑又充当第三相粒子加速了磨粒磨损［17］;3)随载荷的增大，剪切力也相应增大，微切削作用增强，而且速度的增大加强了载荷的这种作用效果.

图8 不同载荷(F)对合金磨损率(η)的影响

图9 Cu-Ag和Cu-Ag-Fe合金在30 N载荷下的磨损形貌

图9为Cu－0.15Ag和Cu－0.15Ag－0.1Fe合金在载荷30 N下的表面磨损形貌图.从图9可见，Cu－0.15Ag合金的磨擦表面有一些大的片状层，且具有明显的犁沟，同时由于与摩擦副的对磨，产生了较大的塑性变形，导致摩擦层的形成.而Cu－0.15Ag－0.1Fe在载荷为30 N的条件下，磨擦表面有一些片状的剥落层，且伴有大量片状层.结果表明:不同载荷作用下的摩擦磨损以粘着磨损和磨粒磨损为主，有研究认为，犁削和粗糙表面的变形对总的摩擦系数的影响要比粘着的影响大［18］.在摩擦过程中，载荷作用下基体次表层的塑性变形使位错滑移和塞集，产生了许多微裂纹，使表层组织变的疏松，结构发生软化，软化层的形成将严重削弱合金的耐磨性能.

4 结论

1)在载流条件下，由于Fe元素的时效析出强化作用，Cu－Ag－Fe合金的磨损性能比Cu－Ag合金高出2倍多，大大提高了该合金的耐磨性能.

2)在载流条件下，Cu－Ag－Fe合金的磨损率与电流成线性关系，随加载电流的增加，磨损率也随之增加.磨损形貌表明:该合金的磨损形式以粘着磨损，颗粒磨损和电侵蚀磨损为主，且随着加载电流强度的增加，粘着磨损现象加剧.

3)滑动速度和载荷与磨损率也成线性关系，随着滑动速度和载荷的增加，合金的质量磨损率也随之增加.

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Research on electro-contact sliding wear of Cu-Ag-Fe alloy

LI Yong1，2，YI Dan-qing1，LIU Rui-qing2，SUN Shun-ping1
(1.Dept.of Material Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China，E-mail:liyong0248@163.com; 2.National Center for Copper Smelting and Process Engineering Technology Research，Ganzhou 341000，China)

To improve the wear performance of contact wire of Cu－Ag alloys，trace iron was added，and the influence of electrical current，sliding speed and load on the wear morphology and wear rate of Cu－Ag－Fe alloys were studied.The results show that the wear rates of Cu－Ag－Fe alloys increase with the increasing of electrical current，sliding speed and load.The wear morphologies indicate that the adhesive wear，abrasive wear and electrical erosion are the dominant mechanisms during the electrical sliding processes.And with the electrical current increased，the phenomena of the adhesive wear have intensified.The electrical sliding wear resistance of Cu－Ag－Fe alloys is 2 times of that of Cu－Ag alloys because of the aging strengthening action of iron，which increases the service life of Cu－Ag alloys.

Cu－Ag－Fe alloy;electrical current;sliding speed;load;sliding wear

TH117.1 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)04－0047－05

2010－12－22.

江西省教育厅科技项目(GJJ09228).

李 勇(1975－)，男，博士生.

(编辑 吕雪梅)