河南科技大学宋晨飞副教授等：铜表面织构密度对铜/碳配副载流摩擦性能的影响
2024-10-23 13:14:17
作者：表面云社区 来源：表面云社区
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铜/碳载流摩擦副是由铜材料和碳材料构成的滑动摩擦副，具有优异的导电性和自润滑性能，常被用于机电设备电刷、受电弓滑板/接触线等滑动电接触部件。近年来，随着风电、轨道交通等高端领域的快速发展，铜/碳配副的服役要求日益增高，逐渐向大电流密度、长寿命、低燃弧率等方向发展。表面织构技术是一种有效的减磨手段，干摩擦条件下的减磨机理为收集摩擦过程中产生的磨粒和磨屑，减少二次磨损。河南科技大学宋晨飞副教授团队以铜/碳载流摩擦副为研究对象，利用激光加工技术对铜表面进行织构化处理，探索织构化对铜/碳配副载流摩擦性能的影响，分析织构化对碳转移膜形成的影响机制，预期成果可为铜/碳配副的安全服役提供技术支撑。在给定转速、载荷和电流的条件下，织构密度对铜/碳配副摩擦磨损性能的影响如图3所示。从图3a可知，摩擦过程分为2个阶段：第1阶段为跑合阶段，摩擦因数呈下降趋势，相较于织构表面，无织构试样的跑合时间最长。随着织构密度的增加，跑合时间变短，在织构密度为18%时跑合时间相较于无织构试样缩短了17 min。该结果表明，表面织构化有助于加速摩擦跑合，使得铜/碳载流摩擦副更早进入稳定状态。第2阶段为稳定阶段，摩擦因数趋于稳定，相较于无织构表面，织构表面的摩擦因数更高，且摩擦因数随着织构密度的增加而增加。由图3b可知，当织构密度从0%增至18%时，平均摩擦因数分别为0.244、0.249、0.268、0.277、0.299。平均摩擦因数相较于无织构表面分别增加了2%、9.8%、13.5%、22.5%。
磨痕面积也会影响接触电阻，接触面积越小则电阻越大，因而接触电阻（图6）受到磨痕面积的影响。在实际工况下，铜环和碳块试样的名义接触面积恒定，有必要探究相同名义接触面积下织构密度对铜/碳配副载流性能的影响。选取一个磨损后的碳块作为测试样品（磨痕面积为27.62 mm2），与前文摩擦后的不同织构密度铜环构成接触副，在载荷100 N和电流2 A下测试静态接触电阻。
为了进一步分析碳转移膜在铜环表面的分布情况，分别检测织构凹坑内、外C元素的含量。图9中所标区域2、4、6、8处（即铜环表面凹坑内）的C元素分布和C/Cu的原子数分数比值如图11所示。
在铜环表面制备不同织构密度的圆形微织构，与碳块构成滑动载流摩擦副。通过对比分析摩擦因数、磨损量、接触电阻、三维形貌、摩擦后铜表面C元素分布等数据，得出如下结论。1）随着铜环表面织构密度的增加，摩擦跑合时间缩短，平均摩擦因数增大，碳块磨损量和磨损面积下降，铜/碳配副的平均接触电阻升高。2）在摩擦后碳材料填充至铜表面凹坑内，三维形貌显示铜表面轮廓平整。EDS测试结果表明，随着织构密度的增加，摩擦后铜环表面C/Cu的原子数分数比值增大，且凹坑内碳含量高于凹坑外。3）织构化有利于降低碳的磨耗，但会引起接触电阻的升高。将表面织构化应用于铜/碳载流摩擦副时，需综合考虑载流/摩擦性能变化的差异性。
该文章发表在《表面技术》编辑部第53卷第17期。
引文格式：周涛涛, 宋晨飞, 钱志源, 等. 铜表面织构密度对铜/碳配副载流摩擦性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(17): 41-49.
ZHOU Taotao, SONG Chenfei, QIAN Zhiyuan, et al. Effect of Copper Surface Texture Area Density on Current-carrying Tribological Properties of Copper/Carbon Pair[J]. Surface Technology, 2024, 53(17): 41-49.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.003
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