CuCrZr 和 7075Al 配副在大载流下的摩擦 学行为研究

     在特高压系统、高铁系统和电磁发射技术中，大载流下的摩擦磨损行为及失效机理的研 究对装备安全服役有重要意义[1-6]。铜和铝合金由于良好的导热性和导电性，广泛应用于电 接触、轴承、电磁发射和高铁等领域[9-11]。在滑动位移及压力作用下，摩擦界面会产生摩擦 热、焦耳热和电弧热，界面温度的升高可能产生机械磨损和材料转移，导致界面破坏甚至胶 合损伤[7]。在电-磁-热等多场耦合下，界面处温度和电流密度因此剧增，工况更为恶劣，材 料易发生转移，形成沉积层、孔洞、重熔和裂纹等结构变化[8]。可见在高载流下摩擦副的性 能会大幅度下降，材料的沉积被认为是限制铜/铝摩擦副应用的关键因素。

      载流条件下的摩擦特性与载流大小、载荷和速度等工况条件之间存在显著关联。关于 Cu/Al 摩擦副载流摩擦机理和材料体系，国内外都开展大量的研究，Bansal 等人研究了铜合 金和 6061 铝合金摩擦副在电流作用下的磨损特性，发现电流引起的触点温度升高会导致摩 擦副磨损加剧[14]。河南科技大学张永振团队在载流摩擦领域开展了大量工作，制备了适用于 高载流环境的增强型 CuCrZr 基复合材料，且发现了电弧侵蚀和机械磨损是电滑动接触下的 主要磨损机制[12-13]，获得了相对速度与铜复合材料之间的载流摩擦行为影响规律，当速度超 过30m/s 磨损界面以熔融和机械磨损为主。宁波大学黄伟等人研究了载流摩擦条件下 CuCrZr 合金轨道的演化规律，发现随着电枢运动速度的提高，晶粒细化和塑性形变现象加剧，由于 热效应的存在提高了铝的能量使其在基体中发生明显的扩散现象[15]。中南大学姚萍屏课题 组研究了超高速滑动情况下 CuCrZr 轨道表面的磨损机制和电接触性能，通过开展电磁轨道 模拟发射试验，发现沿着轨道发射方向轨道表面的沉积层逐渐增厚，形成机制由摩擦材料转 移变为表面熔融，沉积层的主要成分为 Cu/Al、Al2O3 和 Al4Cu9 [16-18]。海军工程大学鲁军勇 团队构建了二维模型和电磁轨道模型，分析了试验过程中的瞬时温度场特征，通过耐高温Mo 涂层改变温度场分布[19]。清华大学摩擦学国家重点实验室孟永钢团队对电场下多个材料 体系的摩擦学行为深入探讨，提出了相关的电控摩擦理论。[20-22]综上所述，对于电磁轨道摩 擦副的载流摩擦行为重点主要在以通过仿真模拟复现磨损过程，揭示其在多场耦合下的磨损 机制；以表面损伤产物形貌与摩擦磨损行为之间的关联关系，以及新型 Cu/Al 复合材料的开 发和性能优化。

      从现有的研究成果来看，CuCrZr 和 7075Al 在大载流条件下发生了明显的磨损，目前研 究者大多研究其对温度场、材料转移进行了研究，但大载流（>100A）条件下 CuZrCr 和 7075Al 摩擦副的载流摩擦行为研究较少，不同工况条件对其磨损界面形貌、磨损率的影响规律还未 得到阐明。针对以上问题，本文通过自研的载流摩擦试验机，以 CuCrZr 和 7075 铝合金摩擦 副为研究对象，通过在不同载流大小、载荷和转速条件下进行载流摩擦实验，利用白光干涉 仪、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱仪（EDS）等分析手段，对摩擦副的磨损率、表 面形貌和元素成分进行了分析，研究了不同工况条件下载流 CuCrZr 和 7075 铝合金摩擦副 的变化和材料转移机制。本工作的研究成果有望为大载流工况摩擦材料和涂层的开发与设计 提供数据和理论依据。

1    试验部分

     所用的 CuCrZr 和 7075 铝合金试验材料由天津市津南区创源机械加工厂提供，实验采 用自制的盘/块式载流磨损实验台进行，接触行为为面对面接触。该实验台由载流摩擦传动 模块、载流电源模块和电机功率测试模块三部分组成，结构图如图 1a 所示，传动模块如图 1b 所示，载流电源模块如图 1c 所示。载流电源模块可以提供最高 1000 A 的恒定电流，转 速范围为 0-3000 r/min，载荷范围为 10 N-60 N。

      以下为实验内容与分析方法：

     （1） 载流摩擦测试：对磨副为直径 140 mm 的 7075 铝盘与 CuCrZr 块，实验条件如 表 1 所示。

      （2）磨斑表面宏观分析：清洗样品与磨斑，使用白光干涉仪 ZYGONexView 得到磨斑 的三维形貌，并对磨斑磨损量进行测量。

       （3）CuCrZr 块磨损率 W 如下式：

其中 V 为白光干涉仪得出的磨损体积，单位为 mm3，F 为载荷，单位为 N，v 为速度，单位为 m/s，t 为时间，单位为 s。

     （4）磨斑表面微观分析：清洗样品并选取典型磨斑，采用扫描电子显微镜（日立 FEI  QUANTA 200FEG）观察磨斑表面微观形貌，并利用扫描电镜附带的能谱仪（EDS）分析磨 斑表面元素组成。

2    结果与讨论

2.1   电流对 CuCrZr/7075 铝合金摩擦副的载流摩擦学行为的影响

      电流大小作为载流摩擦磨损行为的主要影响因素之一，主要通过电弧热与焦耳热对摩擦 磨损行为产生影响。本节开展了不同电流大小情况下的 CuCrZr/7075 铝合金摩擦副的载流摩 擦实验，分析了电流密度对载流摩擦磨损行为的影响。不同电流摩擦磨损试验后 CuCrZr 磨 斑面积如图 2 所示，可以发现随着电流的增大磨斑面积增大，磨损量也随之增大。

      不同电流大小试验后的 CuCrZr 块的三维白光干涉图如图 3 所示。可以发现磨斑的一端 相对较高，处于相对滑动方向的前端，这主要是因为熔融 7075Al 和 CuCrZr 随着摩擦副的 相对滑动在此处熔合凝固。同时可以观察到，随着电流的增大磨斑粗糙度增大，这表明随着 电流的提高接触表面质量逐渐恶化且起弧概率随之增加，导致表面凹凸不平；随着电流的增大磨斑截面曲线发生抖动，其主要源于摩擦过程中装置大幅度振动。不同电流摩擦试验后 CuCrZr 块的磨损率如图 4 所示。随着电流的增加，铜块的磨损率不断增加，磨损量从 100A 时的 1.81×10⁻³ mm³/(Nm)增大到 400A 时的 6.53×10⁻³ mm³/(Nm)；实验过程中观测到不同频 率和大小的电弧，且随着电流的增强，电弧的频率、大小与亮度均有明显提高，并拖曳出越 来越明显的电火花。当实验载流达到 400A 时，出现大量的电火花并且伴随实验台产生青白 色烟。磨损率的增大主要源于两点：一是随着电流的增大，接触面的焦耳热功率逐渐提高摩 擦副表面的微凸峰附近材料软化速度加快；二是升高的焦耳热与电流更容易激发出材料表面 的热激发电子，增加了摩擦起弧概率，进一步导致电弧对已软化材料表面的熔化和磨损，最 终增大了铜块的磨损率。

      不同电流载流摩擦试验后的 CuCrZr 块的 SEM 图像如图 5 所示，铜摩擦副磨损界面出 现了明显的材料转移和犁沟。随着电流的增大梨沟数量降低，材料转移现象则显著增强。此 外由于电流的升高焦耳热功率迅速提升使摩擦表面升温更快，接触表面合金材料软化甚至熔 化，形成银白色的铜铝合金层；并且随着表面材料软化，摩擦过程中产生的氧化物颗粒对接 触面的摩擦减弱，磨斑表面的平行梨沟减弱。滑动方向的末端聚集了许多黑色金属氧化物， 且随着电流的增大，黑色氧化物区域增大，金属氧化反应逐渐增强，产生的氧化物颗粒逐渐 增多并聚集于磨斑末端。当电流为 100A 时，磨斑表面同时存在鳞片状剥落坑与电弧烧蚀损 伤，且非电弧烧蚀损伤区域可以观测到明显的梨沟，电弧损伤与干摩擦导致的分层与梨沟同 时存在；当电流增大到 300A 时，磨损界面存在明显的鳞片状剥落坑、梨沟和电弧高温熔融 材料后迅速冷却形成的颗粒状氧化物，这些氧化物颗粒参与到三体摩擦中形成尺寸更宽的犁 沟。当电流增大到 400A 时，磨损界面出现了颗粒状氧化物和多处较深的犁沟，同时存在一个边缘较为平滑但高度落差较大的分层平台，大载流下堆积大量的热导致材料高度软化并伴 随较高的相对滑动速度产生表面软化层的移动。不同电流载流摩擦试验后的磨损界面 EDS 分布如表 2 所示，磨损界面主要元素为 C、Cu、Al、O、Mg 和 Cr，并且随着电流增大 Al 元 素的含量先增大后减小。电流对 CuCrZr/7075 铝合金摩擦副的摩擦磨损行为主要由机械摩 擦、材料转移和电弧摩擦构成；在摩擦初期接触表面微凸峰的接触与刮削形成犁沟；电弧通 过软化接触表面降低二体机械摩擦，同时产生粒状氧化物和熔融再凝固的金属颗粒，增强接 触表面的三体摩擦：电弧热迅速熔化铜与铝合金，促进黏着磨损和材料转移。

2.2   载荷对 CuCrZr/7075 铝合金摩擦副的载流摩擦学行为的影响

      不同载荷摩擦试验后的 CuCrZr 磨斑面积如图 6 所示，随着载荷的增大，磨斑面积呈先 降低后上升趋势。不同载荷载流摩擦试验后的 CuCrZr 块的三维白光干涉图如图 7 所示，磨 痕轮廓如图 8a 所示，所有磨斑的表面均较为平滑，并且随着载荷的增大磨损界面的犁沟状 金属组织区域增加，黏着磨损行为明显加剧，强烈电弧烧蚀产生的颗粒状氧化物与表面金属 熔化再凝固的粒状物减少；表面发生磨粒磨损的概率降低，磨损机制愈发倾向于黏着磨损。 不同载荷载流摩擦试验后 CuCrZr 块的磨损率如图 8b 所示，磨损率随着载荷增加大致呈增 加趋势，从最低的 10N 时的 1.81×10⁻³ mm³/(Nm)增加到 40N 时的 2.95×10⁻³ mm³/(Nm)。载 荷对磨损率的影响主要来自于两个因素：起弧概率与载荷本身。干摩擦条件下接触载荷过小 时会造成摩擦副的接触不良，产生明显的放电现象造成摩擦副烧蚀的增加；当载荷进一步加大时，接触面接触情况良好，磨损机制以黏着磨损和磨粒磨损为主，放电情况明显减弱，磨 损率的增大主要源于载荷的影响，摩擦副间接触微凸体增多，并且剪应力增大，摩擦热、电 阻热和电弧热的协同导致使得摩擦副表面温度升高，摩擦副力学性能下降，加剧材料的机械 磨损。

      不同载荷载流摩擦试验后的 CuCrZr 块的 SEM 图像如图 9 所示，为了研究其材料转移 机制，我们选取了磨痕中较为平整的部分进行了分析。随着载荷的提高，接触表面的电弧烧 蚀损伤明显减少，表面平整度显著提高。当载荷达到 60N 时，表面损伤形式主要为剥落损 伤和较浅的犁沟。不同载荷盘的磨损表面元素主要为 C、Cu、O、Mg、Cr 和 Al 元素如表 3 所示，磨斑表面的氧含量和铜含量随着载荷升高而降低，较高的载荷导致接触更为紧密，在 高速转动时的振动对接触表面的实际接触面积影响较小，起弧概率降低，电弧产生和发生烧 蚀损伤的概率也随之降低；磨损区域随着载荷增大 Al 元素增多，较高的载荷带来了更多的摩擦热，逐渐成为载流摩擦热效应的主因，使接触表面在摩擦热效应下软化并发生黏着磨损。

  2.3 转速对 CuCrZr/7075 铝合金摩擦副的载流摩擦学行为的影响

      滑动速度是影响载流磨损的主要影响因素之一，相对滑动速度过快会导致摩擦副工作时 的跳动冲击频率加快，从而导致接触失效并引发更强烈的电弧烧蚀现象。同时，高速滑动会 导致接触表面微接触点接触时间减少，直接影响载流摩擦学行为。不同滑动速度摩擦磨损试 验后 CuCrZr 的磨斑面积如图 10 所示，磨斑面积则随着相对滑动速度的增加而增加。不同 转速载流摩擦试验后的 CuCrZr 块的三维白光干涉图如图 11 所示，磨痕轮廓如图 12a 所示。 可以发现，所有磨斑的滑动方向截面曲线均存在明显的圆弧。不同转速载流摩擦试验后 CuCrZr 块的磨损率如图 12b 所示，随着转速增大到 3000 r/min，CuCrZr 盘的磨损率从 2.15×10⁻³ mm³/(Nm)降低至 3.21×10⁻⁴ mm³/(Nm)。较低的转速下载流摩擦体系难以产生电弧， 磨损形式以机械磨损为主；随着转速增大铝/铜摩擦副的冲击和震动加剧，磨损界面微接触 点的接触时间降低，从而导致电弧产生。电弧热和摩擦热的协同作用导致材料发生自润滑现 象，在铜上产生材料转移膜有效保护了基体。在高速相对滑动的作用下，接触表面的微凸峰 导致接触面积降低，摩擦热和电弧热增加，材料软化加剧，黏着磨损的发生率提高，硬度较 低的铝合金会被黏附于铜块。

       不同转速载流摩擦试验后的 CuCrZr 块的 SEM 图像如图 13 所示。所有样品的磨斑表面 均存在材料转移，且随着相对滑动速度的提高，未烧蚀区域的平整度逐渐提高，黑色氧化物 聚集区域面积也逐渐增大，并且犁沟数量减少。在低滑动速度下熔融的金属磨粒因高速滑动 与跳动而分散，冷却后形成连续不规则形状的金属材料；当滑动速度加快，熔融的金属液体 发生分散。当转速达到 3000 r/min 后，微凸峰的剧烈碰撞与电弧烧蚀同时作用产生剧烈断裂 与烧蚀，导致 CuCrZr 磨损界面存在较多不规则凹坑、梨沟和磨粒。不同转速载流摩擦试验 后的磨损表面 EDS 如表 4 所示，其主要元素为 C、O、Cu、Al、Mg 和 Cr，随着转速增高磨损界面 Cu/Al 元素含量增大。摩擦发生时接触位点产生极高的接触压力与瞬时高温，结束后 接触点温度迅速下降，使接触位点材料瞬间熔化又迅速冷却凝结形成黏着，并且黏着结点底 部发生断裂留下内部含有合金组织方向纹理的断裂坑；同时黏着结点断裂后无法传导电流， 在断裂处发生电弧烧蚀并产生球状磨粒。在反复的摩擦磨损下，表面磨屑产生加工硬化及氧 化保护基材并降低了磨损率。磨损机制表现为材料剥离、黏着磨损、磨粒磨损和电弧侵蚀磨 损共存的现象。

3    结    论

     本文主要研究了电流、载荷与转速对 CuCrZr 和 7075 铝合金摩擦副载流摩擦磨损行为 的影响规律，探讨了不同电流、载荷、转速等工作条件下的磨损率、磨损形貌及磨损机制。 得到以下结论：

      a) 随着电流的增加，CuCrZr 块的磨损率和磨斑尺寸，电弧放电与打火现象更加明显。 由于焦耳热与电弧热导致材料接触界面软化，纯机械摩擦行为则随电流增大导致的润滑而逐 渐减少。起弧概率和电弧损伤概率增加产生了明显的粒状氧化物，导致三体摩擦加剧和犁沟 数量增多，磨损率在电流达到 400A 时达到 6.53×10-3 mm3 /(Nm)。

      b) 随着载荷的增大，试验过程中电弧放电和打火的频率降低，CuCrZr 块的磨损率呈现 先升后降，磨斑尺寸呈增加趋势，电弧烧蚀损伤概率降低。载荷的增加提高了接触表面的实 际接触面积，提高了磨损率的同时降低了摩擦副的接触面积，从而降低了起弧概率，磨损机制更加接近于黏着磨损，磨损率在载荷为 30N 时达到 2.86×10-3 mm3 /(Nm)。磨损界面则由 于铝的黏着提高了磨斑表面的铝含量，降低了铜含量与氧含量。

      c) 随着转速的增加，接触表面接触面积降低，降低机械摩擦的同时提高电弧频率，加速 了表面软化促进了黏着磨损，使较软的铜合金黏着于铝合金上，降低了铝合金受到的电弧烧 蚀损伤，磨损率则从 1000r/min 的 2.15×10-3 mm3 /(Nm)降低至 3000r/min 的 0.32×10-3 mm3 /(Nm)。转速的增大导致电弧产生的粒状氧化物含量增大，磨损机制转变为三体摩擦表 面犁沟变深。