1引言
电接触”是用来描述两个组件因带电接触而产生的一种运动状态。
电接触材料是各类电器中的关键部件,担负着传递电能、电信号、接触和分断电路等重要任务,其性能的好坏直接关系到电机、仪表、电路的可靠性、稳定性和使用寿命。随着现代航空航天工业的发展,对人造卫星、宇宙飞船、航天飞机中应用的电接触材料的性能要求越来越高。
是一种较理想的固体润滑剂,具有非常低的摩擦系数,比较高的屈服强度,能够在真空中运转的机械部件中保持十分优良的润滑效果。在航空和航天领域中,银基材料电刷是仪表系统、自动控制系统以及电机、电器及电路装置中必不可少的元件,它担负着相对滑动部件电信号和电流的接通、关闭以及电流传递作用,因此要求其具有良好的导电性能、优异的摩擦磨损性能以及较长的使用寿命。
基于金属银具有强导电性,
具有良好润滑效果的特点,本文考虑通过在银基体中添加
,制备银-
复合材料电刷,重点研究了带电状态下含量变化对其摩擦磨损性能的影响,期望解决银-
复合材料电磨损最佳性能的含量配比问题,为其在航空航天领域的应用提供实验依据。
2 实 验
本实验使用的银粉购自蚌埠金银制品厂,纯度为99. 99% ,
粉为国药集团化学试剂有限公司生产,纯度> 98 %。用
粉末冶金法制备银-
复合材料,经配料、烘干、混料、初压、烧结、复压等过程,材料在120 ℃温度下真空烘干1h ,然后混料使
粉末分布均匀。初压压力300mpa ,氢气保护下700 ℃烧结1h ,随炉冷却到室温出炉,500mpa 压力下进行复压。对制得的复合材料进行加工后,得到尺寸为24mm ×20mm ×8mm的试样块。试样中
含量变化分别为12%、13.5%、15%、16.5 %、18%(质量分数)。
磨损实验是按国家标准( gb12175290) 在自制的
电磨损实验机(图1) 上进行的。试样为环- 块滑动,对磨环为铜合金,布氏硬度为105,尺寸为a320mm×60mm,环表面开有均匀轴向槽,槽距为5.5mm ,槽宽为0.5mm ,槽深为2mm。实验时电刷试样块的压力为2. 5n/ cm2 ,对磨环线速度为5m/ s ,电流密度5a/ cm2 ,通电磨损时间为5h 。
用rigaku d/ max2rb 型衍射仪对烧结后
试样进行物相分析,在mm26 金相显微镜下观察复合材料的组织,根据阿基米德法计算材料的密度,用hbv230a型布维硬度计测定试样的布氏硬度,并用日本电子公司j sm26700f 型场发射扫描电子显微镜观察磨面微观形貌,采用2205 型表面粗糙度测量仪对复合材料电磨损表面轮廓进行测量及分析。
3 实验结果与讨论
3. 1
材料的物相分析及组织形貌
在空气中温度达到350 ℃就发生氧化反应,造成材料的损失,因此在材料烧结过程中采用氢气作为保护气氛。物质的存在方式对复合材料的使用性能起着至关重要的作用,本实验采用x 射线衍射的方法对烧结后的试样(
为15 %(质量分数) ) 进行检测,结果如图2 所示。从图2 中可以看出,材料烧结后的组成物质只有ag 和
,并没有产生新的物相,说明ag 和
在烧结过程中未发生化学反应,二者保持各自稳定的化学状态。图3 为材料(
为15 %(质量分数) ) 的组织形貌,由图3 可见,
呈狭长条状分布在ag 基体中,且分布均匀,没有出现团聚现象,从而保证了材料在磨损过程中保持稳定的性能。
3. 2
含量变化对复合材料的密度及硬度的影响
表1 列出了
随含量变化材料的密度、致密度及硬度值。随着
含量的增加,材料的密度和硬度值都呈下降趋势,而致密度变化不大。在烧结过程中,由于ag 和
分子之间的作用力十分微小,起主要烧结作用的是ag 颗粒之间的作用,材料中
含量的增加就意味着基体ag 含量下降, ag 颗粒之间的接触机率也就随之下降,材料结合力降低,在宏观上则表现为材料硬度的下降。
3. 3
含量变化对复合材料接触电压降的影响
电刷与换向器滑环在电滑动接触过程中,接触表面存在着接触电阻,在电流通过时就会产生接触电压降,作为表示电刷动态性能的重要参数,接触电压降被看作判断电刷好坏和换向性能的重要依据。图4 为材料的接触电压降随
含量变化曲线。可以看出,随着
含量的增加,材料接触电压降呈上升趋势。从物理意义上说,固体表面总是凹凸不平,电刷和换向器的接触只能是局部的,电流的传导是在支承接触面中进行,而其中起主要导电作用的是微观金属接触面,称为a2斑点(图5) ,所以电流通过时将产生收缩电阻:
复合材料在
含量由低向高变化过程中,ag 的相对含量减少,材料本身的导电性变差,其电阻率升高,即ρb 值变大;同时,起主要导电作用的金属接触点的面积也随着ag 相对含量的减少而减少,即an 变小,故收缩电阻变大。
在电磨损过程中,电刷与换向器之间的微观接触点上会产生一层表面膜,并产生表面膜电阻,其大小与膜的厚度基本上成正比,
受切向力的作用,从电刷上脱落下来, 部分吸附于微观接触点上, 材料中
含量的多少直接影响着表面膜的厚度,
含量越多,脱落下来的
就越多,吸附在微观接触点上的
膜也就越厚,表面膜电阻也就越大。表面膜电阻与收缩电阻的总和构成了接触电阻,而在电流一定时,接触电阻的大小直接反映在接触电压降的数值上。从上面分析可以得出,随着材料中
含量的增加,电磨损过程中的接触电阻增加,因此接触电压降呈上升趋势。
3. 4
含量变化对复合材料摩擦系数及表面粗糙度的影响
含量变化对摩擦系数的影响,当
含量由12 %增加到13. 5 %时,
材料的摩擦系数明显降低,当
含量由15 %增加到18 %时,摩擦系数在一定范围波动,并没有显著的变化。
含量变化对材料表面粗糙度的影响。
材料表面粗糙度随
含量的增加呈下降趋势,但当含量增加到15 %以后就没有明显的变化。在材料磨损过程中,材料中起润滑作用的
受切向力的作用,从材料中脱落下来,平铺在电刷表面与换向器表面之间,形成
固体润滑膜,使得电刷与换向器之间的接触方式由金属- 金属接触转变成金属- 润滑膜- 金属接触,有效的降低了材料的粘着磨损,起到良好的减摩效果。当
含量较低时,由于脱落的
不足以覆盖整个接触表面,不能够形成连续的润滑膜,易发生粘着磨损,故摩擦系数较大,材料表面粗糙度也较大;随着材料中
含量的增加,脱落下来的
形成的润滑膜的面积增大,材料的摩擦系数降低,表面粗糙度也随之降低,但当脱落下来的
足以形成完整的润滑膜时,材料的摩擦系数趋于稳定数值,表面粗糙度变化不大。复合材料(
为15 %(质量分数) ) 电磨损表面形貌如图8 所示。
3. 5
含量变化对复合材料磨损率的影响
在摩擦学特性方面,
磨损率是一个重要的特性参量,它表示在单位负荷作用下,对偶之间相对运动了单位距离时的体积磨损量[ 12 ] 。图9 为
含量变化对材料磨损率的影响,随着复合材料中
含量的增加,磨损率先降低,而后增加,在
含量为15 %时材料磨损率最低。在
含量较低时,由于不能形成有效的润滑膜,电刷和换向器之间较容易发生粘着磨损,故材料的磨损率较高,随着
含量的增加,接触面间形成了较连续的
润滑膜,材料的磨损率降低,在
质量分数为15%时其磨损率最低,当
含量继续增加时,由于润滑膜的厚度增加,接触表面电阻增加,使得电流很难通过,温度达到一定高度时会击穿表面润滑膜,甚至产生电弧,加剧了材料的磨损。此外,由于材料的结合强度随着
含量的增加而降低,也在一定程度上影响着材料的磨损率。
4 结 论
银-
复合材料在烧结后,各组元都保持稳定的化学状态并且均匀分布,材料的密度和硬度都随材料中
含量的升高而降低。在带电磨损状态下,随着材料中
加入量的增加,电刷与换向器之间的接触电阻增大而导致接触电压降呈上升趋势;
的固体润滑作用使得复合材料的摩擦系数与表面粗糙度先降低后趋于稳定;在润滑组元和电流的共同作用下,材料的磨损率先下降后上升,在
含量为15 %时磨损率最低。