银基电接触材料载流摩擦磨损的研究进展.pdf
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1、材料研究与应用 2023,17(3):495502Materials Research and ApplicationEmail:http:/银基电接触材料载流摩擦磨损的研究进展范长湘1,徐赛1*,杜杰彬2,陈德馨2,程丽娜3(1.广东省农业科学院设施农业研究所,广东 广州 510640;2.暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院,广东 广州 510632;3.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所,广东 广州 510610)摘要:电接触材料的载流摩擦磨损是材料失效的核心原因,建立完整的电接触材料载流摩擦磨损研究体系是十分必要且迫在眉睫的。对银基电接触材料的研究现状、载流摩擦磨损的影响因素进行了总
2、结,揭示了其载流摩擦磨损失效机理,对未来在数值模拟方面进行全面的载流摩擦磨损系统性研究进行了展望,为科研人员及企业指出了研究方向和解决相关问题的思路。关键词:银;电接触材料;载流摩擦;磨损中图分类号:TG174.2文献标志码:A 文章编号:1673-9981(2023)03-0495-08引文格式:范长湘,徐赛,杜杰彬,等.银基电接触材料载流摩擦磨损的研究进展 J.材料研究与应用,2023,17(3):495-502.FAN Changxiang,XU Sai,DU Jiebin,et al.Research Progress in Current-Carrying Friction and
3、Wear of Silver-Based Electrical Contact Materials J.Materials Research and Application,2023,17(3):495-502.电接触材料的主要职能是承担电流传递或信号传输,是电工、电子、通信、交通及机械等领域的核心部件,其性能的高低直接决定着电气系统的稳定性、精确性和使用寿命。在当前电气时代的大背景下,电力设备、电子电器等产品得到迅猛发展,电接触材料的应用领域和范围在不断扩大,性能的要求越来越严苛,需求量与日俱增,电接触材料已逐渐成为大国经济发展的重要基石。载流摩擦磨损是指接触面之间在通电的情况下发生相对运动
4、而导致材料出现摩擦磨损。常见的电接触方式有固定式、滑动式、滚动式、可分合式电接触 4大类1-2。电接触材料发生载流摩擦磨损是必然存在的,最终会导致材料失效,造成经济损失,甚至对人的生命安全造成严重影响。本文综述了银基电接触材料的发展现状、载流摩擦行为及磨损失效机制,对未来发展稳定可靠的电接触材料具有重要意义。1银基电接触材料的研究进展银具有优异的导电性、机械加工性和良好的导热性,但缺点也十分明显。银的硬度低、强度低、不耐磨、易硫化、易粘结和易熔焊,而当前的应用工况十分恶劣,普通的银电接触材料难以在极端环境下长时间工作。通过研究者的不断努力,通过在银中添 加 物 质,有 利 于 银 基 电 接
5、触 材 料 克 服 本 身 的不足3-6。目前,国内外研究的银基电接触材料基本可以归为 4类,即 Ag/MeO 系、Ag/Ni、Ag/C 和 Ag/W 电接触材料。1.1Ag/MeO 系Ag/CdO 含有剧毒,已经逐步研发新的替代材料,如 Ag/ZnO、Ag/SnO2、Ag/CuO 和 Ag/Fe2O3等。Ag/ZnO、Ag/SnO2在大约 1960 年就已被研制7-8,此后科研人员又研发出 Ag/CuO9和 Ag/Fe2O310。Ag/SnO2被认为是最有希望替代 Ag/CdO 的电接触材料,因其具备良好的抗熔焊、耐电弧侵蚀和抗磨损的性能11,但 Ag/SnO2仍有两个重大问题亟待解决。第一
6、,SnO2与液态银的界面相容性太差,即在发生电弧导致高温时 Ag 与 SnO2分离,从而产生收稿日期:2023-03-13基金项目:广东省农业科学院协同创新中心项目(XTXM202201);广东省自然科学基金项目(2021A1515010834);国家自然科学基金项目(31901404);广东省农业科学院十四五新兴学科团队建设项目(202134T);广东省农业科学院金颖之星人才培养项目(R2020PY-JX020);广东省农业科学院创新基金项目(202034);佛山市市院科技合作重点项目;广州市青年科技人才托举工程项目作者简介:范长湘,博士,助理研究员,研究方向为机器人系统和农产品智能分选装备
7、研发,E-mail:。通信作者:徐赛,博士,副研究员,研究方向为无损检测与智能传感技术研发,E-mail:。DOI:10.20038/ki.mra.2023.000311材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期材料飞溅或在材料表面聚集成熔渣,导致电接触材料的接触电阻升高、温升快,出现熔断及烧蚀现象,造成材料逐渐失效;第二,Ag/SnO2难以加工成型,因 SnO2的高硬度,工业生产效率难以提升,产品残次品率也高12-14。Ag/ZnO 是环保型的电接触材料,相对来说稳定性较高(熔点 1 975),在大电流的冲击下有良好的保护作用、分断性能好、工作电流高,其多用于大型断路器15-17。
8、但是,Ag/ZnO 制备工艺要求高,ZnO在 Ag基体中的分散程度不好,会导致其综合性能下降。当前,Krishnan 等18研究者利用机械合金化制备了 Ag/ZnO,并探究了其组织和性能。1.2Ag/Ni系Ag/Ni 系列的电接触材料在 20 世纪早期研制成功,并应用在各类低压开关、断路器、温度调节器19-24中。该系列的电接触材料的相对电阻较低,以及有一定的耐电弧侵蚀能力,加工工艺上较为突出,但其抗熔焊性不好(相对于 Ag/MeO 系列)。Bevington 等25通过添加石墨来提高 Ag/Ni 的抗熔焊性能。1.3Ag/C系Ag/C 系列的电接触材料有较低的接触电阻、抗熔焊性较好,在电流的
9、分断上表现较为优异26-29。利用石墨作为增强相,有效提高银的熔化粘连,在高温电弧下石墨材料可以与大气中的氧气反应生产一氧化碳,使得电接触材料表面较为疏松多孔,有利于提高抗熔焊性。但是石墨与银的界面润湿性差、分散程度低,在电弧侵蚀作用下导致整体的电接触材料不耐磨30。Wigert等31认为,通过降低石墨的粒径尺寸,Ag/C的耐电弧侵蚀性能有一定的提高。1.4Ag/W 系Ag/W 系列的电接触材料同样在上世纪中期就已经使用。W 的熔点高、抗高温侵蚀能力强,和银进行复合可得到高性能的电接触材料。但是,该复合材料的电导率下降较多,可以通过添加 Fe、Mg和Co 等元素来改善接触电阻,通过降低 W 的
10、含量和尺寸能使接触电阻有明显的降低32。Ag/W 的接触电阻大、温升快,是一个重大的难题。1.5Ag/MAX对于 Ag/MAX 电接触材料,已有较多报道如Ag/Ti3AlC233、Ag/Ti3SiC234-35、Ag/Ti2-SnC36-37、Ag/Ti2AlC38和 Ag/Ti2AlN39。制 备 Ag/MAX 常采用热压烧结和无压烧结银基等离子放电烧结方法,其整体制备工艺对材料的物理性能(密度、硬度、导电率、热导等)、化学性能(耐腐蚀、氧化等)及电接触性能(耐电弧侵蚀、抗材料转移、抗熔焊等)均有影响。文献35-40主要探究了 Ag 与 MAX 相的润湿性,研究发现:Ag 与 MAX 相的润
11、湿角,随温度升高逐渐减小;探究了 Ag/MAX 材料的制备工艺及烧结温度对 Ag/MAX 的微观结构、密度、电阻率和硬度的影响,发现采用湿法球磨可将 Ag粉与 MAX 相粉末混合均匀,在 800 MPa 压力下保压 1 min 可以使生坯致密度达 95%96%,有效降低电阻率;探究了Ag/MAX 材料的耐电弧侵蚀性能及材料的电弧侵蚀机理,发现 Ag/MAX 材料的耐电弧侵蚀性能优良,在发生电弧侵蚀时 MAX 相会触发分解-氧化过程,侵蚀产物主要为 TixOy,电弧侵蚀前期 MAX 相轻微分解可降低电弧能量、减少侵蚀,与商业 Ag/CdO性能相当。综上所述,银基电接触材料还需不断提高物理力学性能
12、、化学性能、电接触性能及材料加工性能。物理力学性能的提高,主要围绕在高导电率、高热导率、高熔沸点、高熔化热及升华热、高强度、高硬度、高耐磨性;化学性能的主要研究,在于电接触材料有良好的耐蚀性,在大气中不易生成氧化物、硫化物、碳化物、氮化物等不导电或大幅降低材料导电率的化学物质;电接触性能方面,低且稳定的接触电阻、耐电弧侵蚀、抗材料转移及抗熔焊性能是主要研究热点。不同应用场景的电接触材料,其制备方法千差万别,其研究的核心还是往工艺简单、材料易得、环境友好等方面发展。2载流摩擦磨损性能研究进展在电系统和摩擦系统综合工况环境下,对载流摩擦副材料的要求十分严苛,必须具备高导电性、高强度、高耐磨性、抗电
13、弧侵蚀、抗熔焊性、抗高温氧化和耐腐蚀性能。通常载流摩擦副材料难以同时满足以上性能,因此限制了其在某些领域中系统性发展,所以迫切需要开展载流摩擦磨损相关共性技术问题的研究。2.1电流对载流摩擦磨损性能的影响当前,普遍认为电流的流通会使载流摩擦副承载的热量激增,破坏摩擦初期在材料表面生成的一层润滑膜(见图 1),导致接触界面的粗糙化,使得磨损加剧造成高磨损率。凤仪等41研究了电流密度对碳纳米管-银-石墨复合材料磨损性能的影响,随着电流密度的增加,发热 增 加,摩 擦 副 接 触 面 发 生 改 变,磨 损 量 增 加。496范长湘等:银基电接触材料载流摩擦磨损的研究进展Zhao 等42研究了碳石墨
14、材料在有电流和无电流高速滑动下的摩擦和磨损性能,当有和无电流时测试材料的摩擦和磨损性能不同(见图 2)。Wang 等43研究了在电流 020 A 下 Cu-Cr-Zr合金的摩擦学行为发现,随着电流的增加氧含量增加,这是由于更大的电流造成的温度上升(见图 3)。在电系统的影响下,电接触材料的摩擦学性能变化较大。通常在通电的情况下,电流不断增加,摩擦系数在平稳数值后会逐渐升高,磨损量也会增加。这是因为早期摩擦副表面形成润滑膜,后因电阻热、摩擦热及电弧热,使得表面氧化或者材料不耐热出现软化,最终导致材料的磨损和失效。(a)摩擦系数;(b)磨损率比。(a)friction coefficient;(b
15、)wear rate.图 2负荷对摩擦系数的影响及电流对磨损率的影响42Figure 2Effect of current on wear rate and effect of load on friction coefficient(a)0 A;(b)10 A;(c)15 A;(d)20 A;(e)图 3(b)中对应的 EDS光谱;(f)图 3(d)中水滴对应的 EDS光谱。(a)0 A;(b)10 A;(c)15 A;(d)20 A;(e)EDS spectra corresponding to the box in(b);(f)EDS spectra corresponding to t
16、he drops in(d).图 32N载荷下滑动 2 h后磨损表面的 SEM 显微照片43Figure 3SEM micrographs of worn brush surfaces after 2 h sliding under 2 N applied load图 1电磨损过程中形成的润滑膜41Figure 1Lubrication film between brush and commutator under electrical wear497材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期2.2滑动速度对载流摩擦磨损性能的影响滑动速度属于摩擦系统范畴,速度的大小会影响电接触材料的
17、接触电阻稳定性,也会影响其摩擦学性能44-45。Ma 等46研究探讨了滑动速度对铜石墨复合材料的摩擦和磨损性能的影响,结果发现:滑动速度存在一个临界值,在这个临界速度下复合材料的摩擦和磨损机制发生了转变;当速度高于临界值时,接触面逐渐形成较大的磨损,磨损率随之增加;当速度低于临界值时,石墨能形成润滑层,减少了磨损的发生。Bouchoucha 等47探究了干式接触的铜-不锈钢在滑动速度为 0.28 ms1、电流从 040 A 下的摩擦和磨损性能发现,摩擦系数和磨损率起初随着滑动速度的增加而增加,当达到最大值时其慢慢减小并趋于恒定值;在整个滑动速度范围内,观察到 2种类型的磨损,即温和磨损(坚硬的
18、碎片不出现在界面上)和严重磨损,当由氧化物或氧化物金属混合物组成的碎片变得足够大时,就会从表面被清除并产生研磨作用。孟令通等48发现,滑动速度对电刷平均接触压降的影响较小,但接触压降随转速的增加会导致电刷材料接触压降波动的增加(见图 4)。总的来说,滑动速度是考验电接触材料力学性能的很重要因素。随着速度的增加,伴随着电弧产生率的提高,电弧侵蚀是材料磨损的重要因素,其导致材料的磨损量增加、载流质量下降。2.3载荷对载流摩擦磨损性能的影响载荷大小对于材料的磨损率有着重要的影响。载荷越大,接触的单位面积所承受的压力增大,再加上电流及速度的综合影响,材料易被磨损,磨损率增加。但也存在最优的载荷,使得磨
19、损率最低。戴恒震等49研究认为,滑动电接触材料的摩擦系数随载荷增大呈现先增大后减少再增大的变化趋势,其主要原因是载荷的增大使得材料易进入磨合阶段,摩擦系数稳定且较少,随后又因为磨损,磨粒、碎屑等使得摩擦系数增大、磨损率也相应增加。2.4电弧侵蚀对载流摩擦磨损性能的影响在载流摩擦副运动过程中,摩擦副产生脱离,从而产生电弧。电弧最大的特点是高温、高电流密度,其对材料表面产生烧蚀,形成熔渣、喷溅、氧化等。电弧侵蚀是材料失效十分重要的影响因素。Nagasawa 等50研究认为电弧是造成材料表面温度激增的主要原因,为了降低起弧率,可以适当地增大摩擦副的接触压力,以减少在摩擦过程中摩擦副的脱离。孙正明课题
20、组51-52发现,Ag/Ti3AlC2复合 材 料 表 现 出 优 异 的 耐 电 弧 性,主 要 是 高 温 下Ti3AlC2通过快速分解氧化而实现耐电弧侵蚀性能(见图 5)。通过粉末冶金法制备了具有均匀微观结构的新型 Ag/Ti2SnC,同时与 Ag/CdO 进行了比较并发现,Ag/Ti2SnC 触点表现出与 Ag/CdO 触点相当的耐电弧侵蚀性能,优良的耐电弧腐蚀性能归因于 Ti2SnC 和 Ag之间良好的润湿性,以及 Ti2SnC 轻微分解吸收了部分电弧能量(见图 6)。Zhou 等53 通过模拟高压电弧烧蚀实验,系统地研究了 Cu-Cr-Zr合金的电弧烧蚀特性、微观结构演变及塑性变形
21、和微合金化后的抗烧蚀性能,结果表明:在高温电弧作用下,部分 Cu 发生熔化和飞溅,形成不平整和粗图 4Ag-Cu-MoS2电刷在不同滑动速度下的接触压降趋势图48Figure 4Contact voltage drop curve of Ag-Cu-MoS2 brush under different speeds498范长湘等:银基电接触材料载流摩擦磨损的研究进展糙的表面,最后使合金发生显著燃烧;合金的烧蚀程度随着击穿电压的增加而加剧,在固溶强化、细晶强化和变形强化的综合作用,微合金和塑性变形合金的抗烧蚀性得到了明显改善。2.5载流摩擦磨损机理载流摩擦的磨损失效机理主要分为机械磨损、电气磨损
22、、腐蚀磨损及多因素耦合磨损54-58。机械磨损包括黏着磨损、磨粒磨损及疲劳磨损等。电气磨损主要是电阻热、电弧热产生的电弧烧蚀,材料表面出现氧化、熔融、喷溅等材料损失。腐蚀磨损主要是以材料表面与环境中的物质发生化学反应,产生腐蚀导致表面疏松多孔。多因素耦合磨损则是在电场、多物理场共同作用下产生的材料磨损59-64。载流摩擦磨损是多种磨损行为的相互作用、相互交替的复杂过程,其中电弧侵蚀下的磨损过程更为复杂,裂纹萌生和热膨胀引起表面材料颗粒的分离,整个摩擦磨损过程中材料的损伤与损失不断重复进行,最终导致材料失效。(a)放电周期数与触头的表面形貌;(b)质量和面积损失与放电周期数的关系。(a)opti
23、cal images of the Ag/10TAC contacts with an increase in the number of discharge cycles;(b)mass loss and area loss of the Ag/10TAC contacts with an increase in the number of discharge cycles.图 5Ag/10TAC触头的耐电弧性51Figure 5Arc resistance of Ag/10TAC contacts(a)Ag/10TSC;(b)Ag/20TSC;(c)Ag/CdO。图 6电弧放电测试后 3个
24、触点横截面的 OM 图像52Figure 6Cross-sectional OM images of the three contacts after electric arc discharging tests499材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期3结语高速发展的科技时代对电接触材料的性能要求越来越严苛,而实际使用工况也更加恶劣,如不同湿度、辐射、超高真空和高温高压等恶劣环境。传统的电接触材料已然不能满足当前需求,探索更多的新型电接触材料及体系迫在眉睫。载流摩擦磨损是电接触材料失效的主要原因,必须加强在数值模拟多因素耦合情况下的磨损方面的研究,为研究人员提供更明确的研究方
25、向和解决问题的路径,从而建立完整的电接触材料摩擦磨损研究体系。参考文献:1 张永振,杨正海,上官宝.载流摩擦的研究现状与挑战J.自然杂志,2014,36(4):256-263.2 王鑫.受电弓/接触网系统电弧放电机理研究 D.成都:西南交通大学,2011.3 LI W S,LI Y M,ZHANG J,et al.Progress in the research and application of silver-based electrical contact materials J.Materials Review,2011,25(11):34-39.4 FENG Y,ZHANG M,XU
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