接触线用Cu-Ag-Zr-Ce合金的电滑动磨损性能

贾淑果 ，苏娟华，宋克兴，任凤章，刘 平

(1.河南科技大学 材料科学与工程学院，洛阳 471003；2.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，洛阳 471039)

电滑动磨损是指处于电场中的摩擦副在电流作用下的摩擦磨损，属于特殊工况下的摩擦磨损行为。其研究涉及很多领域，如高速电气化铁路系统(包括地铁)及城市公共交通中电车的电力传输系统[1-6]、工业中广泛应用的发电机、电动机的碳刷[7]与电极以及航空航天领域运载火箭升空过程中的整流装置[8]等在运行过程中所产生的摩擦磨损行为。相对于纯铜材料，Cu-0.1Ag合金作为一种集结构与功能于一体的铜合金材料，除了具有优良的导电导热性能外，还具有优良的高温性能，可广泛用作电接触材料以及滑动导电材料[9-10]。该类合金在用作滑动导电材料时其载流摩擦磨损性能直接影响电力机车运行的安全性和可靠性。因此，研究该类合金材料的受电滑动摩擦磨损行为具有重要意义，国内外的研究工作者对其进行了大量的研究[1-8]。常用Cu-0.1Ag合金借助于固溶强化和形变强化来改善纯铜材料的性能，但仍存在强度低、高温性能不足等缺陷，不能满足当今电滑动材料的综合性能要求。

为了克服Cu-0.1Ag合金在使用性能上的不足，满足新一代电滑动材料对强度、导电性、耐高温性能及耐磨损性能的要求，利用微量Zr元素对铜合金的时效强化以及对高温性能的改善[11-13]，同时考虑稀土元素具有独特的净化和除杂等作用[14]，在银铜合金接触线的基础上设计了Cu-Ag-Zr-Ce合金[15-16]，该合金具有相对优良的导电、力学及高温性能，有望作为高速电气化铁路用接触线材料。本文作者采用自制且能模拟接触线实际运行工况的实验室用电滑动磨损试验机，摩擦副材料采用电气化铁路使用的铜基粉末冶金滑板材料，讨论Cu-Ag-Zr-Ce合金材料的受电磨损行为及电流作用下的磨损机理，并比较同种实验条件下 Cu-Ag-Zr-Ce、Cu-Ag和Cu-Ag-Zr合金线材的磨损性能，探索Cu-Ag-Zr-Ce合金作为新一代接触线材料的可行性。

1 实验

试验用合金在ZG-0.01型10 kg真空中频感应熔炼炉中熔炼而成，原材料采用高纯阴极铜、海绵锆、高纯银和高纯铈，铁模铸造。合金最终成分为(均为质量分数，下同)Cu-0.1Ag-0.18Zr-0.06Ce、Cu-0.1Ag-0.18Zr和Cu-0.1Ag。铸锭经850 ℃、2 h的均匀化退火，然后进行锻造。锻后的合金棒材经 950 ℃、1 h固溶处理和水淬后进行40 %的冷变形和450 ℃、2 h的时效处理，再经冷变形后，得到截面尺寸为d7 mm的磨损试验用线材。

电滑动磨损试验中所用接触滑板材料是我国铁路上实际使用的铜基粉末冶金滑板，滑板成分(质量分数)为 Fe 16.77%、C 0.7%、Sn 4.62%、Ni 2.01%、Pb 1.58%、Zn 5.96%、Cu余量。受电磨损试验机如图1所示。在一个直径为300 mm的圆盘上，沿其外缘安装合金接触导线，圆盘两端各有一块滑板分别由弹簧提供的弹力压靠在接触导线上；曲柄连杆机构带动接触滑板以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。所有试验都在实验室完成，电流分别为0、15、30和50 A，转盘以300 r/min的速度转动，加载压力为45 N。线材的磨损量用其磨损一定时间后线材截面尺寸的变化来衡量，合金接触线的磨损率用滑板滑过接触线时单位长度的体积磨损量表示。试样磨损后的表面形貌在配备有能谱分析(EDS)的JEOL JSM-5610LV型扫描电镜上进行，工作电压为25 kV。

图1 磨损试验装置Fig.1 Schematic diagram of apparatus of wear test

2 结果与讨论

2.1 加载电流和滑行距离对 Cu-Ag-Zr-Ce合金磨损性能的影响

图2 接触压力为45 N、滑动速度为18 km/h时Cu-Ag-Zr-Ce线材的磨损率随受电电流的变化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

图2所示为Cu-Ag-Zr-Ce合金在接触压力45 N、滑动速度为 18 km/h时磨损率随加载电流变化的关系。由图2可以看出，Cu-Ag-Zr-Ce合金线材的磨损率随着加载电流的增大而增大。在较低的加载电流下(＜15 A)，磨损率增加相对较慢；而在较高的加载电流下(15～30 A)，磨损率增加较快。如在滑行距离为36 km、加载电流为50 A时，磨损率为3.46×10-3mm3/m；而在滑行距离为 36 km无加载电流时，磨损率为1.90×10-3mm3/m。

图3所示为Cu-Ag-Zr-Ce合金在接触压力为45 N、滑动速度为18 km/h下的磨损率随滑行距离的关系。由图3可以看出，Cu-Ag-Zr-Ce合金线材的磨损率随着滑行距离的增大而增大。在磨损开始的最初阶段，磨损率随滑行距离的增大而急剧增大；随后随滑行距离的增加，磨损率变化渐缓。这主要是由于在磨损的开始阶段，圆形合金线材与滑板之间接触面积的急剧变化而导致较大的正压力，磨损率发生急剧变化；而后随着滑行距离的增加，滑板与圆形合金线材之间接触面积的变化逐渐减小，因而使磨损率的变化相对比较平缓。

图3 接触压为45 N、滑动速度为18 km/h时Cu-Ag-Zr-Ce线材的磨损率随滑行距离的变化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

由图3可以看出，没有加载电流时Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨损率相对于加载电流(30、50 A)合金线材的磨损率增加相对缓慢，且在同种条件下没有加载电流时磨损率最小。相对于较低电流，在较高电流下磨损率的变化较大。当电流升高时，由实验参数而引起的误差相对减小。也即在较低的加载电流下，正压力和滑行速度对合金线材磨损率的影响相对较大；而在较高的加载电流下，电流对磨损率的影响大于正压力和滑行速度的影响。在加载电流作用下产生的热量以及由于接触线材与滑板脱离接触而产生的电弧，对合金线材的磨损都有较大影响。放电电弧的温度一般能够达到3 300～4 000 ℃，因此，在离线而产生的放电电弧线材的附近区域，线材的表层和亚表层温度会急剧升高，导致Cu-Ag-Zr-Ce合金接触线发生软化甚至熔化，使材料的硬度(强度)急剧下降[16]，从而导致放电区域发生严重的电弧侵蚀。电弧热能的增加几乎与电流的平方成正比，所以磨损率随着加载电流的增加而急剧增大。

2.2 合金受电磨损机理

为了探讨Cu-Ag-Zr-Ce合金的电滑动磨损机理，采用扫描电镜对该合金在不同加载电流下滑动磨损 4 h后的表面形貌进行观察。图4所示为Cu-Ag-Zr-Ce合金在正压力45 N、滑行速度18 km/h及不同加载电流条件下磨损4 h后接触线材磨损表面的SEM像。

由图4(a)～(c)可以看出，磨损表面存在大量剥落坑，这主要是由于较高的滑动磨损使线材受到较大的剪切应力和较小的正应力，因此，磨损碎片从线材的表面剥落，发生材料的转移和剥落，说明粘着磨损是线材受电磨损的主要机制之一。为了进一步说明粘着磨损的作用，对Cu-Ag-Zr-Ce合金在不同加载电流下的磨损表面进行能谱分析，结果如表1所列。由表1可以看出，线材表面有其他元素存在，说明由电滑动磨损引起的机械和电的作用使材料在滑板和合金线材之间发生了转移，从而更进一步证明了粘着磨损是其磨损的主要机制之一。

从图4(a)～(c)还可以看出，在磨损线材表面存在明显与滑动方向相平行和连续的犁沟，线材表面的这种形貌特征表明发生了磨粒磨损。由于 Cu-Ag-Zr-Ce合金接触线材的硬度(147HB)远高于铜基粉末冶金滑板的硬度(90HB)，由粘着磨损所产生的磨损碎屑会粘着在Cu-Ag-Zr-Ce合金和滑板之间，作为磨粒使材料发生磨粒磨损。此外，加载电流的存在导致铜合金线材表面温度升高，线材表面易于形成氧化膜(由表1中磨损表面的能谱分析数据可以证实氧化膜存在)，而温度的变化导致线材表层和氧化膜的力学性能的改变(当出现电弧时其力学性能变化更加明显)；氧化膜的力学性能(包括塑性)对温度十分敏感，在温度高于500℃时性能急剧降低，塑性急剧降低。BOUCHOUCHA等[17-18]对电流作用下的铜/钢铁的磨损研究认为，电流的作用不仅加剧氧化物的形成，同时使铜合金线材表层的温度升至600 ℃以上。由表1中不同加载电流作用下合金磨损表面的能谱分析数据可以看出，随着加载电流的增大，磨损表面的含氧量增加，从而也证实了电流的作用加剧氧化物形成的结论。而在电流作用下氧化物塑性的急剧降低使在反复的滑动摩擦下表层形成的氧化物极易破裂形成碎屑，坚硬的氧化物粒子作为磨粒也可导致磨粒磨损。

图4 不同电流下Cu-Ag-Zr-Ce合金受电磨损后的表面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 磨损表面的EDS能谱分析结果Table 1 EDS analysis results of worn surface

由图4(b)和(c)可以看出，电滑动磨损条件下，在Cu-Ag-Zr-Ce合金线材的磨损表面可观察到电侵蚀坑和气孔(如图4(b)中箭头所指)，且随着加载电流的增大，电侵蚀坑和气孔增多(见图4(c))。另外，对经过磨损的线材进行宏观观察可以看出，随着加载电流的增大，线材的磨损表面变得更加粗糙，且线材磨损表面颜色发暗的部分变多。在电滑动条件下，当电流通过时，滑板和Cu-Ag-Zr-Ce合金线材之间由于离线而产生电弧，从而引起电弧熔化和电弧侵蚀等不同的材料转移方式。图4(c)所示为磨损表面的电侵蚀坑以及有类似于蜂窝状的气孔形貌。图4(d)所示为图4(c)的局部放大形貌，显示出明显的蜂窝状特征。当电滑动时的接触断开时，产生电弧，而在电弧产生处线材的周围材料表层和亚表层的温度瞬时急剧升高，导致Cu-Ag-Zr-Ce合金线材和滑板接触处的材料发生熔化和蒸发，这些熔化的材料在接触表面的凝固过程中由于液态金属的凝固收缩或金属的热胀冷缩而形成如图4所示的气孔。

综上所述，在Cu-Ag-Zr-Ce合金的电滑动磨损过程中，粘着磨损、磨粒磨损和电侵蚀磨损是其主要的磨损机制，且随着加载电流的增加，电侵蚀磨损加剧。

2.3 合金元素对Cu-Ag合金磨损行为的影响

目前，质量分数为0.1%的银铜接触线材因其优良的导电性、较高的强度及较优的高温性能广泛用于国内外电气化铁路系统中。为了考察Cu-Ag-Zr-Ce合金线材的磨损性能，采用Cu-0.1Ag以及Cu-Ag-Zr合金线材与其进行对比。

图5所示为 Cu-Ag-Zr-Ce合金线材与 Cu-Ag、Cu-Ag-Zr合金线材在正压力为45 N、滑行速度为18 km/h时滑行4 h的磨损率与加载电流的关系曲线。由图5可以看出，Cu-Ag接触线材的磨损率明显高于Cu-Ag-Zr-Ce以及Cu-Ag-Zr合金线材的磨损率；Cu-Ag合金及Cu-Ag-Zr和Cu-Ag-Zr-Ce合金线材磨损率的差别随着受电电流的增大而增大；在不同的受电电流下 Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨损率明显低于 Cu-Ag-Zr和Cu-Ag合金的磨损率。如Cu-Ag合金线材的磨损率在无加载电流时为6.64×10-3mm3/m，加载电流为50 A时达到12.63×10-3mm3/m；而无加载电流时Cu-Ag-Zr合金的磨损率为2.99×10-3mm3/m，加载电流为50 A时为4.13×10-3mm3/m；Cu-Ag-Zr-Ce合金在无加载电流时的磨损率为2.13×10-3mm3/m，加载电流为50 A时仅为3.61×10-3mm3/m。Cu-Ag合金的磨损率约为相同试验条件下Cu-Ag-Zr和Cu-Ag-Zr-Ce合金磨损率的2～4倍，说明合金元素Zr和Ce的加入显著改善了Cu-Ag合金的磨损性能。

图5 合金元素对Cu-Ag合金磨损性能的影响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损性能的显著差别主要是由于材料微观结构的变化。Cu-Ag-Zr-Ce合金是一种新研制的时效硬化合金，图6所示为该合金经时效处理后析出相的微观形貌。由图6可以看出，经时效处理后，合金中形成细小弥散分布的Cu5Zr析出相颗粒，这些细小弥散的析出相分布在铜基体上，尺寸为6～7 nm，且与基体保持共格关系，能够有效地改善合金的磨损性能。时效硬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过程[19]。在铜合金的磨损过程中，微观结构和强度起着重要作用。Cu-Ag-Zr-Ce合金(570 MPa，147HB)比Cu-Ag-Zr(530 MPa，143HB)和 Cu-Ag 合金(410 MPa，106HB)具有较高的强度和硬度，能更有效地抵抗磨损过程中材料表面的塑性变形；而在塑性变形过程中，基体上分布的细小弥散且与基体保持共格关系的析出相会有效阻碍裂纹的形核和扩展。同时，电滑动磨损时电弧侵蚀也是一个重要因素，LIU等[20]通过对Cu-Nb原位复合材料的电滑动摩擦磨损行为进行了研究，认为具有高强度、高电导率的材料有更强的抗电弧侵蚀能力。Cu-Ag-Zr-Ce合金(570 MPa，86.20%(IACS))比 Cu-Ag 合金(410 MPa，97.63%(IACS))具有更好的导电性和强度匹配，其在不同加载电流条件下磨损率的变化说明兼具高强度、高导性能的材料具有更优的抗电弧侵蚀性能。另外，电流作用会导致线材的温升，Cu-Ag-Zr-Ce、Cu-Ag-Zr和Cu-Ag合金的软化温度分别为 550、500和 350 ℃，Cu-Ag-Zr-Ce和Cu-Ag-Zr合金具有的较高软化温度也对其耐磨性有很大的改善作用。综上所述，合金元素的加入大大改善了Cu-Ag合金的耐磨性能。

图6 经时效处理Cu-Ag-Zr-Ce合金中析出相的微观形貌Fig.6 Micrograph of precipitate in Cu-Ag-Zr-Ce alloy after aging treatment

3 结论

1)Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨损率随着加载电流的增大而增大。在50 A的加载电流作用下，Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨损率为3.61×10-3mm3/m；而无加载电流时其磨损率为2.13×10-3mm3/m。

2)在不同的磨损条件下，Cu-Ag-Zr-Ce合金的磨损率随着滑行距离的增大而增加，在起始阶段磨损率增加很快，随后逐渐变缓。

3)粘着磨损、磨粒磨损和电侵蚀磨损是 Cu-Ag-Zr-Ce合金电滑动磨损的主要磨损机理；且随着加载电流的增大，电侵蚀磨损加剧。

4)合金中细小弥散分布的共格析出相能改善Cu-Ag合金的磨损性能；相同实验条件下Cu-Ag合金的磨损率为Cu-Ag-Zr-Ce合金的2～ 4倍。

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