（材料学专业论文）铜合金线材载流摩擦磨损性能研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文针对电接触导线材料摩擦磨损行为的特殊性，以为热型连铸技术生产的 新型电接触导线材料早日市场化提供可靠的试验和理论依据为背景，对m s t 3 0 0 0 多功能材料表面性能测试仪进行了改制，使其能够测量有无电流情况下材料的摩 擦磨损性能。改制后的试验机结构简单，操作方便，可在一定范围内实现电压、 电流、载荷、速度等单、多因素的连续可调，并保证了试验结果较好的重复性和 再现性。 本文在经改制的m s t 3 0 0 0 摩擦磨损试验机上，以黄铜块为摩擦副，对热型 连铸技术生产的单晶铜和铜银合金接触导线施加不同的载荷、速度和电流，进行 于滑动摩擦磨损试验，分析载荷、速度和电流对材料的摩擦磨损性能的影响，并 对磨损行为和磨损机理进行了分析。另外又以铜基自润滑材料为摩擦副，进行了 同样的试验，分析润滑了对单晶铜和铜银合金导线摩擦磨损性能的影响。试验结 果表明： ( 1 ) 在无电流干滑动摩擦情况下，随载荷的增加，单晶铜和铜银合金的摩擦 系数呈先减小后增加的变化规律；磨损率呈线性增加，而且在相同载荷条件下， 铜银合金的磨损率明显低于单晶铜。随速度的增加，单晶铜和铜银合金的摩擦系 数逐渐减少；低荷载下的磨损率随速度增加逐渐减小，高载荷下的磨损率随速度 增加呈先减少后增加的趋势。 ( 2 ) 在载流无润滑条件下，当电流较小时，电流的存在减小了单晶铜和铜银 合金的摩擦系数和磨损率；当电流超过某一临界值时，单晶铜和铜银合金的摩擦 系数和磨损率又会急剧增大，磨损加剧。 ( 3 ) 当滑块采用自润滑材料时，单晶铜和铜银合金的摩擦系数和磨损率大大 降低，摩擦系数波动幅度非常小，电流、速度、载荷对摩擦系数的影响都不显著。 ( 4 ) 通过对单晶铜和铜银合金接触导线磨损表面形貌与收集的磨屑的微观分 析表明：在无电流、低载荷时的磨损主要是磨粒磨损；高载荷下的主要磨损形式 为疲劳与剥层磨损。载流条件下，当电流较小时，材料的主要磨损形式为粘着和 氧化磨损；大电流下的磨损形式以氧化腐蚀磨损为主。 关键词：载流；单晶铜；铜银合金；接触导线；摩擦磨损； 铜合金线材载流摩擦磨损性能研究 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a r i t yo ff r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r so fe l e c t r o c o n t a c t l e a dm a t e r i a l s ，t op r o v i d er e l i a b l ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rg e n e r a l a d o p t i o no fm a r k e tp r i n c i p l eo fn e w s t y l e e l e c t r o c o n t a c tl e a dw i r em a t e r i a l sb y c o n t i n u o u s l yd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m s t 3 0 0 0m u l f u n c t i o nm a t e r i a l s u r f a c ep e r f o r m a n c et e s t e r ，w a sm o d i f i e d t h em o d i f i e dd e v i c es t r u c t u r ei ss i m p l ea n d e a s yt oo p e r a t e ，m o r e o v e r ，t h ed a t aa c q u i r e db yt e s ti sp r o v e dt ob ee x a c t s i n g l eo r m u l t i p l e f a c t o r sc o n t r o lo nv o l t a g e ，a sw e l la s c u r r e n t ，s p e e d ，l o a d c a l lb e c o n t i n u o u s l ya d j u s t e d w i t h i nc e r t a i n r a n g e f r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r s o f e l e c t r o c o n t a c tm a t e r i a l sw i t ha n dw i t h o u tc u r r e n tc a nb em e a s u r e do nt h et e s t e r u n l u b r i c a t e ds l i d i n ge x p e r i m e n t so nm o n o c r y t a lc o p p e ra n dc u 一0 1 w ta g a l l o yw i t hb r a s sa sf r i c t i o n a lp a i rh a v e b e e nm a d eu n d e rd i f f e r e n tl o a d ，s p e e d ，c u r r e n t n me f f e c t so fd i f f e r e n tf a c t o r s0 1 1t h ef r i c t i o na n d w e a rp e r f o r m a n c eo f e l e c t r o - c o n t a c tl e a dw i r em a t e r i a l sw e r ea n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，w ea n a l y z e dt h e w e a rb e h a v i o r sa n dw e a l m e c h a n i s m i na d d i t i o n ，t a k i n gs e l f - l u b r i c a t em a t e r i a l w h i c hi sm a d eo fb r o n z ea n dg r a p h i t ea sf i c t i o n a lp a i r ，a n a l y s e dt h ee f f e c to fl u b r i c a t e o nt h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so fm o n o c r y t a lc o p p e ra n dc u - o i w ta ga l l o y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s ： u n d e rn o n c u r r e n tn o n - l u b r i c a t es l i d i n gc o n d i t i o n s ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fl o a d ， t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f m o n o c r y t a lc o p p e ra n dc u - 0 i w ta ga l l o yf i r s td e c r e a s e t h e ni n c r e a s e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a s sw e a rr a t ea n dl o a dd i s p l a y sl i n e a r i n c r e a s i n gf e a t u r e w i t ht h es a m el o a d ，t h em a s sw e a rr a t eo fm o n o c r y t a lc o p p e ri s h i g h e rt h a nt h a to fc u - 0 i w ta ga l l o y w i t hs l i d i n gs p e e di n c r e a s e ，t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n td e c r e a s e sg r a d u l l y w i t t ls m a l ll o a d t h ew e a rr a t e ss l o w l yr e d u c e sa l o n g w i t ht h ei n c r e a s eo fs l i d i n gs p e e d w i t hb i gl o a d ，a l o n gw i t hs p e e di n c r e a s i n g ，m a s s w e a rr a t ef i r s tr e d u c e st h e ni n c r e a s e s u n d e rn o n l u b r i c a t ew i t hc u r r e n tc o n d i t i o n s ，w h e nh a v i n gs m a l lc u r r e n t ，t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rr a t eo fm o n o c r y t a l l i n ec o p p e ra n dc u 0 i w ta ga l l o y b e c o m es m a l l ；w h e nc u r r e n te x c e e ds o m ec r i t i c a lv a l u e ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d w e a rr a t eo f m o n o c r y t a lc o p p e ra n dc u 0 i w ta ga l l o yw i l lb e c o m ev e r yb i g w h e nt a k i n gs e l f - l u b r i c a t em a t e r i a la sf i c t i o n a lp a i r ，b e c a u s eo fl u b r i c a t ee f f e c t ，t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dm a s sw e a rr a t e g r e a t l yr e d u c e d t h ef l u c t u a t i o nr a n g eo f f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sv e r ys m a l l ，t h ec u r r e n t ，s l i d i n gs p e e da n dl o a dh a v el i t t l ee f f e c t n o nt h ef r i c t i o nc o c f f i c i e n ta n d w e a rr a t e b ya n a l y z i n gt h ew o r ns u r f a c eo ft h ec o n t a c tw i r ea n dc o l l e c t e dw e a rd e b r i so f s e m m i c r o g r a p h s ，i ti n d i c a t e dt h a tw i t h o u tc u r r e n t ，t h em a i nw e a rf o r mi sg r a i nw e a r u n d e rs m a l ll o a d ，w h i l ef a t i g u ew e a ri st h em a i nw e a rf o r mu n d e rh i g hl o a d u n d e r c u r r e n t ，w h e nh a v i n gs i n a i lc u r r e n t ，t h em a i nw e a rf o r m sa r ea d h e s i v ea n do x i d a t i o n w e a r ；w h e n h a v i n gb i gc u r r e n t ，o x i d a t i o na n de r o s i o nw e a ra r et h em a i nw e a rf o r m k e yw o r d s ：e a r r i n g - c u r r e n t ；m o n o c r y t a lc o p p e r ；c u 0 i w t a ga l l o y ；c o n t a c t c o n d u c t i n gw i r e ；f r i c t i o na n dw e a r m 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：事f 灸徉日期：文。一7 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：事】灰华 导师签名： 日期：知刁年月日 日期：0 2 0 0 ) 年，月 硕士学位论文 1 1 接触线的研究现状 第1 章绪论 接触线( 俗称电车线) 是一种传输电的裸线线缆，通过受电弓将电流传给受电 设备，广泛应用于铁路、公交、煤矿、冶金等系统，其中绝大部分是用于电气化铁 路的建设。按铁道部有关部门统计，我国年接触线需求总量在3 0 0 0 4 0 0 0 k m 左右。 按1 1 0 型接触线计，年产量至少需要3 0 0 0 4 0 0 0 讧。 接触线是铁路接触网中最重要的组成部分。随着车流密度的增加，列车牵引质 量的上升，电力机车功率的提高以及车速的加快，对接触线的性能提出了更高的要 求。一方面，电车线要有较高的导电率，以减少电流在传导过程中在电车线内的热 损耗及电压降；另一方面，电车线要有较高的机械强度，以适应大跨度敷设及减小 敷设费用的需要。此外，为了延长电车线的使用寿命，电车线必须具有一定的耐磨、 耐腐蚀性能。目前我国交通运输线普遍使用的是铝合金电车线和钢铝复合电车线。 这些电车线不同程度地存在着导电性能差、抗辐射性能不足的严重缺陷，不仅大大 增大了电车线的更换频率，而且因换线也大大影响了交通运输的正常进行，造成了 大量的经济损失。近年来，上引无氧铜连续铸造技术的发展导致了铜电车线的兴 起，这种电车线以其优异的导电性能及良好的抗腐蚀性能引起了人们的广泛兴趣， 大有取代铝合金线及钢铝复合线的趋势。但是，铜的比重比较大，在架高敷设铜电 车线时对其强度要求更高。如何在保持铜导电率的前提下，有效提高其机械性能的 问题已经成为电车线材料研究和发展的中心任务之一。 按照国内仅有的数家接触线厂家现有的接触线设计和生产能力，不仅在数量 上难以保证我国电气化铁路发展需要，其在强度和耐软化性能方面更难以胜任电 力机车高速、重载运行的要求。目前，国内生产的各类接触线强度普遍较低，不能 用于高速电气化铁路的建设。因此，开发出高强度、高导电性、经济实用的接触线 迫在眉睫。 1 1 1 接触线的性能要求 电气化铁路用接触线不同于一般的架空输电线，它要在长期承受较大悬挂张 力条件下经受机车受电弓滑板的磨耗向机车供电。除正常的磨耗外，还常常受到 非正常的机械冲击负荷和事故大电流的影响。高速摩擦产生的火花或大电流都会 使接触线局部产生瞬时高温，高温必然会产生金属接触线的软化，在大张力下， 接触线便很可能被拉断而造成重大事故。 另外。为实现电气化列车的高速化，必须在受电弓沿接触线高速滑行的过程 铜合金线材载流摩擦磨损性能研究 中达到稳定的受流状态。根据国外高速电气化列车实际运行经验，当列车的运行 速度在波动传播速度的7 0 以下时，可以达到稳定的受流状态。电力机车受电弓 沿接触线高速滑动时，引起接触线上、下振动的横波，其波动传播速度v c 与接触 线的架线张力和线密度单位长度的重量有关f 2 1 ，即 厣 e = 3 6 f 二- ( 1 - 1 ) v p 式中，圪一接触线的波动传播速度( k m h ) ； r 一接触线的架线张力( n ) ； p 一接触线的线密度( k g m ) ； 因此，高速电气化铁路提速的关键就是提高接触导线的波动传播速度，以提 高接触网的稳定性，改善受流质量，这样必须增大接触线的架线张力，其实质是 提高接触线材料的抗拉强度。1 1 0 r a m 2 铜合金接触导线的线密度为o 9 8 k g m ，如果 列车运行速度为3 5 0 k m h ，波动传播速度必须大于5 0 0 k m h ，由式( 1 ) 可以求得导线 的张力应该为1 9 3 k n 。当1 1 0 r a m 2 截面积磨损极限为8 0 m m 2 且强度安全系为2 3 时。铜合金的抗拉强度应大于5 5 0 mp a 【3 1 。 由于列车提速、重载，接触导线载流量要大，而焦耳热效应、摩擦生热、尤 其离线产生电弧，将使接触线温度升高、机械性能下降、电烧蚀损耗和机械磨耗 增加，因面要求接触线具有较高的抗软化温度，以提高其高温强度和抗蠕变能力， 要求抗软化温度大于5 0 0 。接触导线一方面传输电流，另一方面，又要承受较大 的轴向拉力，因此是一种结构功能材料，电气化铁路接触导线( 电车线) 应满足以 下理化性能【4 】： ( 1 ) 机械性能( 抗拉强度) 高，综合拉断力不小于4 0 k n 。 ( 2 ) 高导电率，良好的受流性，以减少电能损耗和电磨损。 ( 3 ) 耐磨性好，接触导线( 正线) 的使用寿命不小于2 0 年。 ( 4 ) 耐热性好，抗软化温度高，软化处理( 3 0 0 c 保温2 h ) 后其常温抗拉强度不小 于初始态的9 0 。 ( 5 ) 抗大气腐蚀性能好，这在空气污染严重、温暖潮湿的沿海及工业区尤为重 要。 ( 6 ) 线膨胀系数小，以提高接触网的稳定性。 1 1 2 接触线的种类和特点 目前投入使用的接触线种类有纯铜接触线( c t ) 、镁铜接触线( r i m ) 、银铜接触 线( c t h a ) 、铝包钢接触线( t a ) 、铜包钢接触线( c s ) 等。 ( 1 ) 纯铜接触线 2 硕士学位论文 原材料采用纯铜，主要是利用其高导电性及良好的加工性。但其机械强度太 低，仅有2 5 0 m p a 。这种截面积为1 1 0 r a m 2 接触线的拉断力仅为2 7 5 k n ，显然是不 能在中、高速电气化铁路接触网上使用的。软态的工业纯铜经过冷加工后的强度 可增大到3 5 0 m p a 。这就是我们通常使用的硬拉纯铜接触线，其拉断力可达 3 8 5 k n t 5 1 。但是，经冷加工的铜接触线存在两个问题：一是表面和内部硬化程度不 一样，表面硬度大于内部硬度，在使用时内、外磨损不一样。二是随加工程度的 提高，虽然强度随之提高，但其抗高温软化性能却随之降低，所以大大影响了其 载流量( 电流越大，电阻热越大) 。受电弓滑板高速通过接触线时产生机械摩擦生热， 机车通过受电弓滑板取流，接触电阻产生焦耳热，离线的电弧、火花以及机车启 动、爬坡及事故大电流等因素都将使接触线的工作表面处于局部过热状态而产生 软化，造成强度和表面硬度下降，磨耗加快等问题。所以纯铜接触线不能应用于 中、高速电气化铁路中。目前在低速电气化铁路及工矿和城市公交线路中普遍采 用这种接触线。 ( 2 ) 银铜合金接触线 这是为了改善纯铜接触线高温耐软化强度不足而开发的一种线缆。相对纯铜 接触线它的导电性好，载流量有了很大改善。但是其对接触线的强化效果不明显， 因此。也不能用于中、高速电气化铁路。该合金接触线国内制备已较为成熟，这 种接触线在国内现有的电气化铁路中使用较多。近年来国内新建和新改造的电气 化铁路上多使用此类接触线。 ( 3 ) 镁铜合金接触线 这种合金由德国首先研制成功，具有强度高( 达5 0 0 m p a ) 的优点。它是能满 足列车高速行驶要求的接触线，主要应用在准高速、高速铁路线上。但是这种接 触线的导电性不够好，导电率只有6 2 1 i a c s 。镁铜合金对技术和设备的要求都 很高，合金难以熔炼和铸造【6 】。国内已有厂家生产这种接触线。 ( 4 ) 铝包钢接触线 铝包钢接触线是一种钢和铝两种材料的复合线材。由于其引入了钢材，所以 强度很高，可以实现大跨度架设，能承受高原地区冰霜堆积的压力【7 j ，并且有较 好的防腐蚀能力。我国早期的电气化铁路主要采用这种接触线，目前在国内主要 应用于襄樊、银川、兰州等供电段。但是由于其导电性差，对于电气化铁路的长 距离输电会造成很大的电损耗。因此新架设和改造的电气化铁路都不采用这类接 触线，铝包钢接触线正逐渐被淘汰。 ( 5 ) 铜包钢接触线 铜包锅接触线是利用包覆技术，在钢线外包覆紫铜而制备成的一种高强度、 高导电性、耐软化、耐磨损的异型线材。相对铝包钢接触线而言，铜包钢强度和 导电率都高。但是在小截面时优势不明显，而大截面接触线线密度大，使加大悬 3 铜合金线材载流摩擦磨损性能研究 挂张力以提高波动传播速度的效果受到了限制。且铜包钢接触线的加工较为困难， 成形工艺较为复杂，对技术要求很高，成本很高，对它的大范围应用的条件还不 够成熟。目前仅日本在其铁路线上应用此类接触线。 1 1 3 铜合金接触线的发展趋势及研究热点 接触线的发展趋势是与电气化铁路的发展相对应的。电气化铁路将朝着高效、 快捷、环保节能的方向发展，这就要求有与之相适应高速铁路用的接触线。于是， 高强度、高导电性、高耐软化性能是接触线发展的必然趋势。长期以来，在铜电 车线材料的研究中，一直存在着高强度和高导电率之间的矛盾，这种矛盾甚至贯 穿整个导线材料研究的始终。一般认为，要保持铜的高导电率，则其强度往往不 足，而提高铜材的强度却往往在很大程度上降低了导电率。为了有效解决这个问 题，人们一般从金属材料的各种强化方式入手，在尽可能不降低铜导电率的前提 下，寻求提高其机械强度的途径，目前主要通过合金化法和复合材料法来解决。 合金化法是传统高强高导铜合金的制备方法，技术较成熟，工艺较简单，成本较 低，适宜规模化生产，强度一般低于5 5 0 m p a ，电导率一般不超过8 0 i a c s ，难 以满足新一代电器件对性能的要求。复合材料法制备的铜合金抗拉强度可达 2 0 0 0 m p a 以上，但其工艺较复杂，产品性能不稳定，生产成本较高，需迸一步研 究。随着研究的深入，先后出现了一些新工艺、新技术，新动向，将对高强、高 导铜合金今后的研制开发产生深远的影响。 8 0 年代初，日本的大野笃美教授首次把定向凝固技术和连续铸造技术相结 合，发明了一种称之o l m oc o n t i n u o u sc a s i n g ( 0 c c ) 的连续铸造方法哺l 。目前该技 术已在高清晰音响连接导线的制备上得到使用。其基本原理是，用加热的铸型代 替普通连续铸造中所使用的冷却铸型，使铸型内壁的温度保持在金属的凝固温度 以上，而铸锭的凝固在铸型以外进行；同时。严格控制铸型内的温度分布，使凝 固界面成为铸型内凸出的形状。这样，铸型从中心先凝固，而表面薄薄的一层在 脱离铸型后瞬间最后凝固。由于o c c 法完全消除了水冷形壁的异质形核作用， 因而容易得到由单晶组成的铸型组织。此外，在o c c 法中由于铸型壁和铸锭表 面之间没有摩擦，铸锭表面非常光滑。而且，与普通的连续铸造法相比，o c c 法 消除了普通连铸中的横向晶界及中心弱面。所有这些对于提高电车线的抗拉强度 及导电率、改善电车线在使用时与滑板间的接触状态均有重要意义。 铜基原位变形复合材料最早出现于2 0 世纪7 0 年代末i 们。它是利用固相下两 相互不溶解也不形成化合物的原理。在强烈冷形变下使延性两相沿加工方向产生 剧烈形变，这样原以颗粒分布于基体中的第二相转变为纤维状。可以看出适合于 此种方法的合金元素应具备以下两点：( 1 ) 在铜中溶解度很小，不致于对铜基体 电导率产生太大的影响。( 2 ) 具有良好的塑性目前，对以铜为基的f c c f e e ，f e e 硕士学位论文 - - b c c 等系列的复合材料做了较深入的研究，研究表明：当形变量达一定值后， 复合材料的强度大大超过混合法则的预测值，表现出反常的高强度，强度与纤维 同距符合h a l l p e r c h 关系；但另一方面，当形变量很大时，材料的导电性往往会 被削弱。为了进一步优化此种复合材料的强度和电导率，可采用热机械加工方法， 即形变与热处理交替进行。在中间热处理过程中，一方面由于杂质及合金元素的析 出材料的电导率得到了提高；另一方面形变纤维发生破裂或球化，并在随后的形 变中发展成为更细更小的形变纤维，从而使材料的强度快速地得以恢复。值得研 究的是，中间热处理的温度和次数必须控制在一定的范围，才能对提高材料的综 合性能起到好的效果。 自7 0 年代末以来，发达国家相继开展了快速凝固铜基合金的开发与研究2 0 多 年来已逐步从实验室走向工业化生产。快速凝固法是使铜基合金的凝固速度极大 地偏离平衡( 冷速一般1 1 0 3 1 1 0 5k s - i ) 形成微晶或非晶态，结果可以大大 提高溶质原子在基体中的固溶度，从而提高时效处理后基体中第二相的含量，使 沉淀相进一步弥散，细化沉淀相，组织更为细小均匀 1 0 j ，有利于在保持高导的前提 下大大提高铜合金的强度。目前，在开发高性能铜基合金中己采用的快速凝固方 法有：旋铸法、超声气体雾化法和喷射成型法，分别用于制取快速凝固条带、粉末 和块锭材料。今后，快速凝固高强高导铜基合金的研究重点是：通过对凝固过程和 时效过程的分析来优化合金成分、凝固动力学参数和时效工艺，改善纤维组织结 构和性能。 氧化物弥散强化铜( o d s 铜) 近年来发展十分迅速，o d s 铜是通过向铜基体 中引入均匀分布的、细小的、具有良好热稳定的氧化物颗粒，如a 1 2 0 3 、z r 0 2 等 来强化铜而制得的材料。制各o d s 铜的关键是如何向铜基体中引入均匀分布的 细小氧化物。机械混合难以达到上述要求而不被采用。目前。比较成熟的引入法 主要有内氧化法、机械合金化法、共沉积法以及溶胶凝胶法等。其中内氧化法是 制取o d s 铜最有效的方法，溶胶凝胶法是最近开发的制备o d s 铜的新工艺】。 在我国，o d s 铜的研制与开发还处于初级阶段，主要是因为其制造技术较复杂，工艺 要求高，质量控制较难，故生产成本也较高。 1 2 载流摩擦磨损研究现状 1 2 1 电气化铁路接触线一受电弓滑板摩擦副的工况特点 接触线一受电弓滑板是一对较为特殊的摩擦副。与常规摩擦副相比，它们的 工作条件有以下显著的特点和不刚1 2 】： ( 1 ) 周期性随机变化载荷 受电弓与接触网是两个独立的弹性系统的组合。其中，接触网为弹性悬挂系 s 铜合金线材载流摩擦磨损性能研究 统受电弓抬升力靠升弓弹簧加载。在运行中由于弓网的振动，使得滑板一接触导 线间的接触压力呈随机变化的特征。又由于接触网按跨距布置，这一随机变化的 载荷又具有一定的周期性。此外，受电弓在经过接触网上“硬点”时，例如在过分 相、分段绝缘器、接触导线硬弯及悬挂不平顺处，还会产生阶跃式的冲击，造成 瞬间离线现象。 ( 2 ) 接触时有强电流通过 受电弓滑板与接触导线相接触，从接触网上获取电流。目前电力机车电流在 4 0 0 a 左右，高速电力机车将提高到8 5 0 a 。要通过如此强大的电流，即使是导电 性能良好的滑板材料也会产生较高的温升尤其当机车在车站停车时还要继续取 流，受电弓滑板与接触导线相对静止，将导致局部高温，甚至发生接触导线熔融、 断线现象。在强电流作用下，当弓网问发生瞬间离线时，将产生严重的拉电弧现 象，造成受电弓滑板和接触导线表面烧伤而使接触状况恶化。 ( 3 ) 高滑动速度 准高速铁路的速度为1 6 0k m h 左右一对应的弓网相对滑动速度是4 4 4m s 。 当列车运行速度达到2 5 0k m h ，弓网间滑动速度为6 9 4m s 。若要达到目前国际 最先进的列车速度4 0 0k m h ，弓网相对滑动速度将达到1 l1m s 1 3 l 。在常规机械 设计中，通常认为相对滑动速度超过3 0 m s 即为高速摩擦副，显然弓网系统属于 高速摩擦磨损问题。 ( 4 ) 环境条件复杂多变 弓网系统工作在野外露天环境夏季高温，冬季导线覆冰，雨雪天气，砂尘等 等都对其摩擦磨损性能和导电性能起重要影响作用。 1 2 2 载流摩擦磨损机理 从以上受电弓滑板一接触导线的工况条件可以看出，这是一对特殊的摩擦副， 在周期性随机变载荷、强电流、高速滑动等因素的综合作用下，它们的摩擦磨损 机理与通常的摩擦副有着较显著的区别，它是机械作用和强电流作用的综合结果， 二者相互影响，互为因果，这是弓网系统摩擦学研究的重要特征 3 j ( 1 ) 机械作用下的摩擦磨损机理 接触导线一受电弓滑板间的机械磨损在正常情况下，以粘着磨损为主。在载 荷作用下，实际接触峰点处的应力可能达到受压屈服极限而形成拈着结点，滑动 中粘着结点剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个 表面。根据粘着结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有从轻微擦伤磨损、到严 重的胶合磨损几种形式。而粘着点的强度很大程度上取决于接触处的温度场，包 括接触点温度和沿材料表面深度方向的温度梯度。粘着磨损的主要表现特征有： 沿滑动方向可见较明显的擦痕；表面上发现配对摩擦副材料的迁移等。当受电弓滑 硕士学位论文 板工作在粉尘、风沙较大的条件时，砂粒等硬颗粒附着在滑板或导线上进入接触， 将导致磨粒磨损的产生。其磨损形成机理是：磨粒对表面产生犁沟作用或称做切 前、划伤表面；磨粒压入表面，因挤压作用使表面材料塑性变形而脆化，从而在滑 动时形成鳞片状的剥落碎屑。 ( 2 ) 强电流作用下的摩擦磨损机理 载流条件下的磨损是机械磨损和电气磨损相互激化相互作用的结果，它除了 具有典型的机械磨损特征之外，还表现出强电流作用下产生的电气磨损的特点。 在滑板离线形成电弧的过程中，接触点电流密度急剧增加，产生的热量使接 触点金属熔化形成液桥，最后断开形成电弧。形成电弧时在高温及强电场条件下， 电子对表面强烈轰击，使材料蒸发，并产生材料转移，在导线表面出现凹坑或结 瘤。这些表面电弧烧伤破坏了正常的摩擦表面，使磨损增大。此外，由于接触电 阻的存在，载接触受流时由于电流引起温度上升，表面接触温度过高会改变材料 表面的组织结构和机械性能，甚至发生相交，从而严重影响材料的摩擦磨损性能， 加大了总的磨损。另外，由于一般处于野外环境并带电运行，因而二者之间还存 在以化学或电化学作用为主的氧化磨损或者腐蚀磨损。 靠 1 2 3 电流的传导机理与传导方式 ( 1 ) 电流的传导机理 ， 任何经过精细加工的名义平面，实际上都是粗糙不平的表面。当这种名义平 面相互接触时，即使外加很大的接触力使两接触面相互压紧，但在接触内表面中 也只有少数的点( 小面) 实际发生了真正的接触，这些实际接触的小面承受着全部 的外加接触力。由于接触元件表面一般都覆盖着不导电的氧化膜或其它种类的膜， 因而在实际接触小面内，只有少部分膜被压破的地方才能形成导体与导体的直接 接触，电流实际上只能从这些更小的接触点中通过为了区别在实际接触的小面 中有导电的和不导电的部分，因此把那些实际发生机械接触的小面称为“机械接 触斑点”，简称“接触斑点”，其中那些形成导体接触或准导体接触的更小面( 实 际传导电流的面) 称为。导电斑点”，国际上通用的术语称为。a 斑点1 1 年】。当电流 通过两接触元件的接触内表面时，电流将集中流过那些极小的导电斑点，因而在 导电斑点附近电流线必然发生收缩。由于电流线在导电斑点附近发生收缩，使电 流流过的路径增长，有效导电面积减小，因而出现局部的附加电阻，称为“收缩 电阻”。如果电流通过的导电斑点不是纯导体接触，而是准导体接触，则电子因 通过极薄的膜时还会遇到另一附加电阻，称为“薄膜电阻”或“表面电阻”。这 两部分附加电阻在电路上是串联相加的，这个附加的总电阻称为接触电阻 1 5 l 。 根据电流收缩区电位为椭球场的假定，收缩电阻与导电斑点尺寸之间有下列 的简单关系： 7 铜合金线材载流摩擦磨损性能研究 疋= 旦= 2 ( 1 2 ) 2 ad 、 式中，一收缩电阻 a ，d 一导电斑点的半径和直径 p 一接触元件材料的电阻率 当电流通过接触元件之间的接触处时，由于接触电阻的存在，在电流收缩区 两端必然会出现一定的电压降，这个电压降称之为接触压降。同时，由于接触电 阻产生焦耳热，使收缩区的温度升高，常超过收缩区外导体的温度。导电斑点上 的温度超过收缩区外导体的温度的数值称之为斑点的“超温”。根据电位一温度 理论( 称由一。理论) ，斑点的“超温”与“接触压降”成简单的函数关系： 。：u 2 8 肋 式中。e 一导电斑点的超温 ( 1 - 3 ) u 一接触压降 幻一接触导体材料的热导率与电阻率乘积的平均值 如果通过接触元件接触处的电流增大，或者接触电阻增高，则接触压降必然 相应增大，按上式所示的关系，导电斑点和收缩区内的温度也会相应增高，当温 度达到接触导体材料的软化点和熔化点时，导电斑点及其附近的金属就会发生软 化和熔化。一定的导体材料，有一定的软化和熔化温度，其对应的接触压降称为 材料的“软化电压”和“熔化电压”【3 引。 ( 2 ) 电流的传导方式 在滑动接触的电路中，电流的传导取决于载流予的移动，载流子包括电子、 各种正负离子和空穴。载流子的移动与摩擦副滑动接触的方式密切相关，可分为 以下三种传导方式【1 6 1 ： 1 ) 电流直接接触传导 电流载流予只在接触固体晶格内移动，没有进入到周围空问。在这种情况下， 电流传导是通过接触点来实现的，随着时间的推移，一些接触点逐渐地被另外一 些点所代替，但摩擦副滑动表面之间的直接接触并没破坏。在电流载流子的传输 区域里，电流以电导方式传导，由于传导面积极小，使电流拥挤地流过导电点而 产生收缩电阻现象，这种现象使导电点的温度过高，有些达到赤热，甚至白热程 度。 2 ) 电流通过氧化膜传导 8 硕士学位论文 当电流通过接触元件表面上的氧化膜时，由于氧化膜的电阻率很高，所以直 接通过这种接触传导方式的电流很微小但是这种接触传导过程对于接触元件之 间发生的电离、电解等化学反应，以及氧化膜的形成和保持动态平衡却起到了重 要的作用。当加在接触元件之间的电压较低时，氧化膜像绝缘材料一样，几乎不 导电。当电压升高到一定值时，电流急剧流通而接触电压降下降，这种现象霍尔 姆( r 。h o l m ) 称之为“击穿”现象，此时的电压称之为击穿电压。当电流进一步增 加时，电压降保持恒定，这就是霍尔姆所说的b 型击穿，此时的电流传导是接 触元件之间的直接传导。那些没击穿的点则借隧道效应进行导电。 3 1 电流通过空气间隙传导 电流载流子离开了接触固体晶格进入到周围空间，并在空间经过一段距离后， 又重新进入到固体的晶格内。在这个轨迹区域中的电流载流子是电子，电子由负 极发射，正极接收。在这种情况下，电子载流子是随着电压的增加而增多。当电 压增加到一较大值时，由于电子的碰撞，空气中的原子发生电离，随着电离区场 强增加，电子导电演变成离子导电过程。电流载流子通过空气间隙传导机理可以 根据气体放电理论的传统观念阐述。电离区的导电过程，可以说明极性效应，在 阳极和阴极发生的离子过程是带有不同性质的。由于瞬间的电流密度增大所产生 的高热，可使金属产生熔化，这些都直接影响接触元件的磨损和损伤。 1 2 4 载流摩擦磨损性能研究现状 电气化铁路接触网由接触导线、承力索和吊弦构成，电力机车的动力来源是 靠机车的受电弓滑板与接触网的接触导线之问的滑动接触来获取的。电力机车的 安全可靠运行并获得足够的牵引动力取决于受电弓一接触网系统的受流质量。 影响弓网受流质量的重要因素之一是受电弓滑板与接触导线间的摩擦磨损情况， 受流摩擦磨损由于摩擦机理复杂、应用背景广泛，已成为当前摩擦学与材料学领 域研究热点之一。 国外进行载流摩擦磨损的研究开始比较早，从2 0 世纪2 0 年代起，就有这方 面的研究论文发表。目前己在受电摩擦磨损的机理及寻求提高耐磨性途径的研究 中取得不少研究成果。国外的研究主要以c u 或c u 与其它材料组成摩擦副的摩擦 磨损试验为主。 表1 1 为各摩擦副在不同载流条件下的摩擦性能1 1 - 1 9 。表中表明，c u c u 摩 擦副的摩擦系数和磨损率在干滑动时比润滑条件下明显增大；在同样电流条件下， 虽然碳铜复合材料( c c m s ) 和铜石墨复合材料( c g c m s ) 都是自润滑复合材料，但摩 擦系数与磨损率都要比添加润滑剂时的要大，这是因为磨屑中存在较硬的碳颗粒， 从而引起较软的铜表面形成犁沟，产生了磨粒磨损。研究人员还研究了载荷、速 度、温度、润滑条件、电流大小和电弧等物理条件和电学条件，对电场中的摩擦 9 铜合金线材载流摩擦磨损性能研究 副的摩擦学性能( 磨损率、摩擦力、摩擦系数) 和接触行为( 动态接触电阻) 的影响。 l 一1 摩擦副材料与摩擦性能 t a b l ei - 1m a t e r i a l sa n dw e a rp r o p e r t yo f t h ef r i c t i o nc o u p l e s 磨损率 摩擦副试验条件摩擦系数 磨损形式 ( 1 0 一5 m m n m ) c u c u 有电流、干摩擦 o 3 81 0 5 一1 5 0 粘着磨损 有电流、油脂润磨粒磨损、腐蚀 c u c u o 1 9 0 2 3o 1 5 o 3 5 滑磨损 有电流、石墨固 c u c u0 2 4o 0 3 0 0 8 腐蚀磨损 体润滑 c u c c m s 有电流、干摩擦 o 2 2 o 2 7o 8 1 2 0 磨粒磨损 磨粒磨损、粘着 c u c g c m s 有电流、干摩擦 o 1 8 5 o 2 20 6 5 - 1 0 8 磨损 国内对载流摩擦磨损的研究主要集中在直流电对摩擦副的影响上1 1 9 2 3 1 ，即强 加电流的极性对摩擦副在摩擦中产生的自生电动势极性的影响，进而产生的对摩 擦副摩擦学性能的影响；试验中使用的电压为1 1 0 v 。试验结果表明，外加直流 电压可以显著改变摩擦副的摩擦行为，增大摩擦系数，但当电压降为0 后，摩擦 系数也很快地恢复到正常水平，但摩擦系数与外加电压之间并不存在简单的线性 关系，以石英玻璃黄铜摩擦副为例，当电压超过2 v 后，摩擦系数很快达到0 1 4 左右，之后电压继续增大，摩擦系数基本保持不变。有研究发现【2 l l ，在施加正向 电压时。减轻了摩擦副的粘着磨损，摩擦系数减小：反之，施加耜同强度的反向 外加电场，则加剧了试盘和试球的粘着磨损，摩擦系数也随之显著增加。这说明 外加电场的极性能影响摩擦副的摩擦学性能。此外，在边界润滑条件下，外加电 压对摩擦副的摩擦磨损性能的影响，其作用效果取决于被润滑的金属表面钝化膜 及极性分子吸附膜的特性，并因添加剂的不同而不同，施加外电场对硬脂酸h 6 0 润滑下的摩擦磨损性能的影响不大；施加负电压使得硬脂醇h 6 0 润滑下的摩擦磨 损性能变差，而施加正电压有利于改善硬脂醇h 6 0 润滑下的摩擦磨损性能。 1 3 本课题的研究意义及内容 铜及铜合金接触线已经广泛应用于世界众多国家的铁路及城市轨道交通中， 到2 0 0 2 年，仅德国f & g 公司的全球供货量达1 4 6 0 0 公里，绞线达1 0 5 6 1 4 公里。 高速铁路接触网接触导线一般寿命为2 0 年，是一个长期稳定的市场。预计在今后 硕士学位论文 的几十年内，接触网用接触线的全球需求量会大幅度的增加。目前，国内广泛使 用的铜合金接触线主要从德国、法国进口，因此，铜合金接触线的研制成功不仅 可以大大节约大量的外汇，同时可以作为高强高导耐热型铜合金应用于电力、电 子、电工、仪表，机械行业和电器设备、汽车、摩托车等众多行业【2 牝5 1 。 随着电气化铁路向高速重载方向发展，对接触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9 6 i a s c ，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，强度将会逐渐变小，在大荷载电 流通过时产生的热效应作用下，强度衰减更加显著。显然，接触线已经成为制约 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 接触导线的过程中，材料的滑动摩擦磨损性能也非常重要。 目前，本课题组通过热型连续定向凝固技术研制的新型高强度高导电铜及铜 合金接触线，既保证了接触线的大长度要求，同时也保证了接触线无接头。并在 专业生产厂进行了性能检测，其结果表明，各项指标都满足铁道部部颁标准 ( t b ，t 2 8 2 1 1 9 9 7 ) ，尤其是导电性能和弯曲性能更为优越，相对导电率的标准高 出三个