载荷对AuNi9_PdNi...摩擦磨损性能与稳定性的影响_于芯悦.pdf
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1、第 27 卷第 6 期 粉末冶金材料科学与工程 2022 年 12 月 Vol.27 No.6 Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy Dec.2022 DOI:10.19976/ki.43-1448/TF.22022068 载荷对 AuNi9/PdNi-Au 摩擦副载流摩擦磨损性能与 稳定性的影响 于芯悦1,马志飞2,张雷1,张鑫1,康潇1,3 (1.中南大学 粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083;2.上海宇航系统工程研究所,上海 201109;3.中南大学 化学化工学院,长沙 410083)摘 要:载流摩擦副摩擦磨
2、损性能的稳定性决定机构的服役性能和寿命。本文选取具有接触电阻小、电噪声小等优点的 AuNi9/PdNi-Au 摩擦副,通过摩擦因数和接触电压降曲线、相对稳定系数、标准差及频数分布等多项统计学评价指标,研究在 180、280 和 380 mN 载荷下摩擦副的载流摩擦稳定性。结果表明,载荷为 180 mN 时,AuNi9电刷的磨损机制以黏着磨损和磨粒磨损为主,当载荷升高至 380 mN 时,电刷的磨损机制主要为疲劳磨损和磨粒磨损。随载荷增加,AuNi9/PdNi-Au 摩擦副的摩擦稳定性先升高后降低,电接触稳定性逐渐提高。在载荷为 280 mN时,摩擦因数的平均值为 0.330,标准差为 0.18
3、0,接触电压降的平均值为 89.723 mV,标准差为 41.419 mV,电刷表面粗糙度为 0.207 m,均为三种载荷下的最小值,AuNi9/PdNi-Au 摩擦副表现出较好的载流摩擦稳定性。关键词:AuNi9 合金;载流摩擦;载荷;摩擦磨损;稳定性 中图分类号:TG146.3 文献标志码:A 文章编号:1673-0224(2022)06-648-11 Effect of load on current-carrying friction and wear performance and stability of AuNi9/PdNi-Au friction pair YU Xinyue1
4、,MA Zhifei2,ZHANG Lei1,ZHANG Xin1,KANG Xiao1,3 (1.State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,China;2.Aerospace System Engineering Shanghai,Shanghai 201109,China;3.School of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)Abstr
5、act:The stability of friction and wear properties of current-carrying friction pair determines the service performance and life of the mechanism.In this paper,AuNi9/PdNi-Au friction pair with the advantages of low contact resistance and low electrical noise was selected.The current friction stabilit
6、y of the friction pair under 180,280 and 380 mN loads was studied by multiple statistical evaluation indexes such as friction coefficient,contact voltage drop curve,relative stability coefficient,standard deviation and frequency distribution.The results show that when the load is 180 mN,the wear mec
7、hanism of the AuNi9 brush is mainly adhesive wear and abrasive wear.The wear mechanism of the brush is mainly fatigue wear and abrasive wear when the load increases to 380 mN.With the increase of the load,the friction stability of the AuNi9/PdNi-Au friction pair first increases and then decreases,an
8、d the electrical contact stability increases gradually.When the load is 280 mN,the average friction coefficient is 0.330,the standard deviation is 0.180,the average contact voltage drop is 89.723 mV,the standard deviation is 41.419 mV,and the brush surface roughness is 0.207 m,all are the minimum va
9、lues under three kinds of loads.The friction pair shows good current carrying friction stability.Keywords:AuNi9 alloy;current-carrying friction;load;friction and wear;stability 收稿日期:20220805;修订日期:20221007 通信作者:康潇,博士。电话:15116260330;E-mail: 第 27 卷第 6 期 于芯悦,等:载荷对 AuNi9/PdNi-Au 摩擦副载流摩擦磨损性能与稳定性的影响 649载流摩
10、擦指摩擦副在电场作用下发生的摩擦磨损行为。在众多载流摩擦材料中,空间载流摩擦副是实现 诸 如 太 阳 能 帆 板 驱 动 机 构(solar array drive mechanism,SADM)、星载扫描式天线、空间动目标光学监视系统、电子侦查系统及空间机械臂12等系统旋转电传输的核心部件,其服役可靠性和稳定性直接影响航天器驱动机构的服役性能和寿命,因此,空间载流摩擦副的摩擦磨损性能及稳定性是空间旋转电传输系统研发和应用需要重点关注的问题。载流摩擦磨损性能及稳定性受材料特性、表面粗糙度34、滑动速度56、法向载荷7等诸多因素的影响。其中,法向载荷是影响载流摩擦稳定性的重要因素。FENG 等8
11、研究了载荷对 B5 铜合金与其配副间摩擦磨损性能的影响,发现随载荷增加,摩擦副的摩擦因数呈先增大后减小的趋势。STRAFFELINI 等9研究表明载荷对铝基复合材料与配副间的摩擦因数和磨损机制均有影响。ZHANG等10研究发现载荷是影响B4C陶瓷材料及其配副的磨损率、磨损机制与摩擦稳定性的重要因素。徐晓峰等11通过研究铜基粉末冶金材料的摩擦学性能,得到一个优化的接触压力范围,以此改善材料的载流摩擦磨损性能。XIE 等12对 AuAgCu电刷与其配副的研究表明,随载荷增加,配副的接触电阻减小,接触稳定性增强。以上研究显示,载荷是影响摩擦副载流摩擦稳定性的关键参数,而目前对空间载流摩擦材料,特别是
12、合金材料的研究较少,载荷对载流摩擦稳定性的影响规律尚不明确。另外,当前对载流摩擦稳定性的分析方法相对单一,ZHAO 等13引用标准差及标准差变化曲线评价铜/石墨烯复合材料的载流摩擦学性能,根据摩擦因数标准差的波动是否平稳,分析摩擦副的载流摩擦稳定性。CHEN 等14在研究波动载荷下弓网滑动电接触稳定性时,引入相对稳定系数分析载流稳定性。HUANG 等15研究摩擦过程中磨合阶段和稳定阶段间的过渡时,根据摩擦因数的频率分布是否呈现正态分布,判断摩擦是否处于稳定阶段,从而区分摩擦过程中的磨合阶段和稳定阶段。上述研究表明,目前对载流稳定性的分析方法较少且均仅从单一方面进行分析,没有构成完整的方法体系。
13、本文作者对 AuNi9/PdNi-Au 摩擦副进行真空载流摩擦实验,采用标准差、频数分布等指标对其载流摩擦进行稳定性分析,并结合摩擦副材料表面磨损形貌的表征,揭示载荷对 AuNi9/PdNi-Au 摩擦副载流摩擦磨损性能及稳定性的影响,为提升空间载流摩擦材料的服役稳定性和服役寿命提供参考和支撑。1 实验 1.1 材料 电刷材料为 AuNi9 合金,电刷直径为 0.5 mm,长度约 40 mm,配副为 PdNi-Au 镀层的导电滑环,外径为 60 mm,滑环基体为黄铜,表面镀层为双镀层,其中内层镀层为 PdNi,厚度为 5.07.0 m,外侧镀层为 Au,厚度为 0.10.5 m。载流摩擦磨损实
14、验装置为中南大学自制的多通道真空载流摩擦磨损试验机,如图 1(a)所示。电刷与滑环的装配方式如图 1(b)所示,将电刷一端固定于传感器上,另一端置于导电滑环的V 型槽内,使电刷与 V 型槽两侧充分接触。在实验前利用酒精和丙酮对电刷和导电滑环表面进行超声清洁处理。1.2 滑动电接触测试 滑动电接触实验参数列于表 1,载流摩擦实验的载荷分别为 180、280 和 380 mN。采用示波记录仪(日本 Yokogawa 公司,型号为 DL850)记录滑动摩擦实验过程中摩擦力、正压力及接触电压降的实时变化情况,摩擦因数 为摩擦力与正压力之比,绘制摩擦因数 图 1 真空载流摩擦磨损实验的电刷加载示意图 F
15、ig.1 Schematic diagram of brush loading in vacuum current carrying friction and wear experiment(a)Friction and wear experiment device;(b)Contact mode of brush and slip ring 粉末冶金材料科学与工程 2022年12月 650 表 1 真空载流摩擦磨损实验参数 Table 1 The parameters of current-carrying friction test in vacuum Load/mN Speed/(rmi
16、n1)Sliding distance/m Time/h Current/A Vacuum/Pa 180,280,380 10 4 000 37 1.25 103 和接触电压降 Udrop随滑动距离的变化曲线。实验结束后,用场发射扫描电镜(美国 FEI 公司,型号为 Nova Nano SEM 230)、超景深三维显微系统(日本基恩士有限公司,型号 VHX-5000)等设备,对电刷及对偶滑环的磨损表面形貌、表面轮廓进行分析与测试。通过德国Bruker公司生产的ContourGT型号光学轮廓仪得到磨损面的三维轮廓形状,精准检测出 3 个磨损表面粗糙度的评定参数:Ra、Rq、Rz。其中,Ra为轮廓
17、算术平均偏差,为沿测量方向轮廓线上的点与基准线之间距离的绝对值的算术平均值;Rq为轮廓均方根偏差,是沿测量方向的轮廓线上的点与基准线之间距离平方和的均方根;Rz为微观不平度十点高度,是在取样长度内 5 个最大轮廓峰高的平均值和 5 个最大轮廓谷深的平均值之和。1.3 稳定性表征 利用摩擦因数曲线、接触电压降曲线、相对稳定系数()、标准差()、频数分布等对 AuNi9/PdNi-Au 摩擦副的载流摩擦稳定性进行分析评价。在分析载流摩擦宏观稳定性时引入“3 原则”16,用3及3UV的值评价载流摩擦及电接触稳定性,其中和 分别为摩擦因数平均值和摩擦因数标准差,U和U分别为接触电压降平均值和接触电压降
18、标准差。标准差 是对实验参数进行了量化7,标准差的数值越小,曲线越平直,说明载流摩擦稳定性越好。摩擦因数及接触电压降的标准差计算公式如下:211()1NiiN=-(1)211()1NUiiUUN=-(2)式中:和 V分别为摩擦因数标准差和接触电压降标准差,N 为摩擦因数和接触电压降的数据个数,i为不同滑动距离下的摩擦因数,Ui为不同滑动距离下的接触电压降,为摩擦因数的平均值,U为接触电压降的平均值。相对稳定系数 是为量化信号的动态波动性而提出的无量纲变量14,摩擦因数和接触电压降的相对稳定系数可用于定量评价载流摩擦过程的摩擦及电接触稳定性,越小,载流摩擦稳定性越好。摩擦因数的相对稳定系数、接触
19、电压降的相对稳定系数 V计算公式如下:100%=(3)100%VUV=(4)式中:为摩擦因数相对稳定系数,U为接触电压降相对稳定系数。比较不同载荷下的相对系数,越小,摩擦稳定性越好;U越小,电接触稳定性越好。频数分布是基于摩擦副摩擦过程中实验参数的特殊干扰机制建立的15,根据多区间段信号数值的分布状态及区间宽度,对载流摩擦稳定性进行微观定性 分析。2 结果与讨论 2.1 摩擦因数及接触电压降 摩擦副表面并不是光滑的,而是粗糙的,凹凸不平的。在滑动摩擦过程中,摩擦表面的微凸体总是不断产生和消失,摩擦因数产生波动的原因是每对微凸体所产生的干涉阻力的不确定性,如果 n 对微凸体在每个瞬间同时受损,则
20、摩擦因数曲线相对平滑,具有较高的平均值;载荷不同,n 对微凸体被破坏的程度随之变化,摩擦因数曲线便出现不同程度的波动1718。图 2 所示为不同载荷下 AuNi9/PdNi-Au 摩擦副的摩擦因数()及接触电压降(Udro)曲线。在 180、280 和 380 mN 载荷下的摩擦实验过程中,AuNi9/PdNi-Au 摩擦副的平均摩擦因数()分别为 0.846、0.321 和 0.869,摩擦因数标准差 分别为 0.510、0.197 和 0.379。其中,载荷为 180 mN 时,摩擦因数在(0,+3)范围内波动,摩擦因数的波动最明显,甚至在滑动距离为 3 800 m 附近,摩擦因数突增至
21、2.50,表现出不稳定性激增的现象;当载荷为 280 mN 和 380 mN 时,摩擦因数呈现出平稳、上升、再平稳、下降、再平稳的变化,但波动范围相对较小,在(0,+2)范围内变化。因此,根据摩擦因数的波动情况发现,在载荷为 280 mN和 380 mN 时载流摩擦的摩擦磨损性能较好。从图 2 可知,在 180、280 和 380 mN 载荷下的摩擦实验过程中,接触电压降的平均值(droU)分别为99.689、161.679 和 100.577 mV,电压降标准差(U)分 第 27 卷第 6 期 于芯悦,等:载荷对 AuNi9/PdNi-Au 摩擦副载流摩擦磨损性能与稳定性的影响 651 图
22、2 不同载荷下 AuNi9/PdNi-Au 摩擦副的载流摩擦因数与接触电压降曲线 Fig.2 Friction coefficient()and contact voltage drop(Udro)variation curves of AuNi9/PdNi-Au friction pair under different load(a),(b)180 mN;(c),(d)280 mN;(e),(f)380 mN 别为 63.753、57.801 和 106.294 mV。其中,在载荷为180 mN 时,接触电压降在(0,droU+3U)范围内波动,波动较剧烈;载荷为 280 mN 时,接触电
23、压降在(0,dro2UU+)范围内波动,整体变化较小,虽然在滑动摩擦过程中有几次接触电压降瞬间升高,但很快又趋于平稳,对摩擦整体的电接触稳定性影响很小;载荷为 380 mN 时,接触电压降多位于(0,droU+3U)范围内,在滑动摩擦实验的前期,接触电压降较小且波动较平稳,在后期接触电压降出现上升趋势的同时发生剧烈的波动。因此由接触电压降曲线发现,载荷为 280 mN,摩擦副载流摩擦的电接触性能最好。2.2 摩擦表面形貌和粗糙度 图3 所示为不同载荷下 AuNi9 合金电刷磨损表面的 SEM 形貌图、表面轮廓图和截面磨痕深度图。载荷为 180 mN 时,在 AuNi9 合金电刷的磨损表面观察到
24、平行于滑动方向的划痕,磨损区域较平滑,没有出现明显的塑性变形。载荷为 280 N 时,磨损表面发生塑性变形,划痕两侧开始出现材料的堆积,同时磨损表面上由于被电弧侵蚀而产生的烧蚀孔增加。载荷为 粉末冶金材料科学与工程 2022年12月 652 图 3 不同载荷下 AuNi9 合金电刷的磨损表面 SEM 图、表面轮廓图和截面磨痕深度 Fig.3 Surface SEM images,surface profile and cross section depth of AuNi9 brush under different load(a),(b),(c)180 mN;(d),(e),(f)280 m
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