摘要:文章探讨了金属材料的干滑动摩擦磨损及电接触滑动摩擦磨损的影响因素,认为材料的摩擦磨损过程相当复杂,尤其在通电条件下摩擦磨损受到载荷、速度、电流、电压等综合因素的影响。以期为开发、生产、应用新材料提供基础的理论研究和实践保障。
关键词:金属材料;摩擦磨损;材料干滑动;电接触滑动摩擦
中图分类号:TG143文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)09-0187-02
高导、耐磨、耐蚀性材料的大量需求使得在研究、开发新材料时,它的摩擦磨损特性也备受关注。摩擦学是研究做相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的科学和技术,是一门综合性学科,其中电接触摩擦磨损更加复杂。摩擦磨损是受多种非线性、强耦合因素作用的过程。通常,摩擦和磨损过程受到摩擦副、润滑济、工作参数、环境和工作历史等许多因素的影响。
一、干滑动摩擦磨损机理
干滑动摩擦磨损是一种特殊的摩擦磨损形式。
摩擦副材料具有高的耐磨性、高而稳定的摩擦系数,较高的力学性能及优良的其他使用性能。在摩擦初期,摩擦面附近的温度梯度很大,而远离摩擦面处温度低,同时温度梯度较小。干滑动摩擦条件下,摩擦副的摩擦表面由于摩擦热的介入,处于非常高的温度。材料的干摩擦行为中,摩擦系数的高低与摩擦过程中所发生的三种现象有关:(1)滑动表面光滑区域的粘着;(2)磨粒和硬质粗糙对对偶面造成的犁削;(3)粗糙表面的变形。对于不同的滑动条件、摩擦副材料和工作环境,三种过程对摩擦系数的影响是不同的。
一般来说,犁削和粗糙表面的变形对总的摩擦系数的影响要比粘着的影响大。当受电弓滑板工作在粉尘、风沙较大条件时,砂粒等硬颗粒附着在滑板或导线上进入接触面,将导致磨粒磨损的产生。(1)磨粒对表面产生犁沟作用或称微切削、划伤表面;(2)磨粒压入表面,因挤压作用使表面材料塑性变形而脆化,从而在滑动时形成鳞片状的剥落屑。
影响材料干滑动摩擦磨损行为的因素有:1.载荷的影响。载荷对复合材料的磨损特性有很大的影响,载荷的增加使摩擦生热显著增加,使基体有蠕变软化的趋势,有利于微裂纹的扩展。同时,载荷增大易于发生严重粘着磨损,磨损量增加。
在摩擦过程中,载荷作用下基体次表层的塑性变形,使位错滑移和聚集,产生了许多空位和微裂纹,使表层组织变的疏松,结构发生软化。软化层的形成将严重削弱合金的耐磨性。
在载荷小于10N时,材料呈现出比基体合金更低的磨损率。这表明,磨损过程中发生了材料的转移过程。在载荷为10～95N时,材料的磨损表面形貌都具有严重塑性变形的特征,大量的塑性流变导致了摩擦层的形成。剥层磨损是主要的磨损机制。
2.速度的影响。滑动速度对干滑动摩擦磨损的影响也较大。在小于1.2m/s的滑动速度下,磨损机制被描述为疲劳磨损,相应的表面出现裂纹,磨损碎片很小。摩擦表层覆盖一层摩擦层,在这样的低滑动速度下,增强物对磨损率的影响不明显,在高的滑动速度下,磨损过程发生转变,这与摩擦层的破裂有关。
随着滑动速度向临界速度的增加,磨损率降低。这一临界速度取决于施加载荷、热扩散系数和磨损表面的硬度。
3.温度场的影响。影响摩擦温度场的主要因素为摩擦条件与摩擦副材料。随着摩擦速度与接触正压力乘积的增大,表面温度与温度梯度直线上升。因此,在干滑动摩擦条件下,摩擦热所引起的摩擦温度场是影响摩擦学行为的主要因素之一。另外,在干滑动摩擦过程中,一次摩擦过程,摩擦副经历一次由低温向高温,又由高温向低温的转变,这种温度循环在摩擦副中产生相当大的热应力。电车线材料的干滑动摩擦磨损行为受到载荷、温度、速度、环境、材质等多因素的影响,因此电车线材料的摩擦磨损机制十分复杂,而且研究条件具有很大的局限性,因此要赶上和达到国际领先水平,还需研究者作大量的工作。
二、电接触滑动摩擦磨损机理
摩擦和磨损过程受到摩擦副、润滑济、工作参数、环境和工作历史等许多因素的影响。材料的强度或者说材料对外载荷的响应与温度、载荷作用速度、材料的应变量、应变速率和应变历史等都有密切关系。尤其在通电状况下,其摩擦和磨损过程更加复杂。另外,材料还要受到电流、电压等多因素的影响。磨损包括粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、表面疲劳,还有侵蚀、气蚀和冲凿等。由此得出材料磨损量与行程成正比,与载荷成正比,与较软材料的屈服应力或硬度成反比。磨损都是由于较硬表面将较软材料犁出沟槽所致。一种情况是粗糙而坚硬的表面贴着较软的表面滑动。另一种情况是磨损是由于游离的坚硬粒子在两摩擦表面之间滑动所致。粘着磨损和磨粒磨损的机理有赖于固体的直接接触,它们所产生的磨损型式在摩擦一开始就是发展性的,当两滑动表面通过微凸体实现接触时,就会发生粘着磨损和磨粒磨损,并且微凸体可以互相穿过,而使一方或双方微凸体发生塑性变形。
如果在两表面间发生电火花,就会造成以去除和析出金属的形式出现的永久损坏。影响摩擦磨损过程的因素很多,且存在复杂的非线性相互作用。
Dobromiski列出微动过程主要影响因素有28种,而Meng认为滑动摩擦过程的影响因素和常数有100个之多。因此摩擦磨损机理的研究相当复杂。
影响电接触滑动摩擦磨损行为的因素有:1.电流的影响。载电流摩擦磨损是指处于电场中的材料及摩擦副,在电流通过条件下,材料及摩擦副的摩擦磨损行为。
研究发现,载流条件下摩擦副在摩擦过程中的热,主要来自三个方面:电弧热、摩擦热、电流产生的热。由于电流的存在,试验过程中不仅有摩擦热,还增加了电弧热和电流产生的热。因此比无电流干滑动条件下单纯的摩擦热大,摩擦表面温度高,摩擦严重,表面粗糙度增加,从而引起真实接触面积增大摩擦系数升高,同时使摩擦表面局部温度急剧升高而氧化。
电流对载流铬青铜/纯铜摩擦配副的摩擦系数有影响。电流的存在增大了摩擦系数,且随着速度的增加有电流条件下摩擦副的摩擦系数下降的趋势比无电流时的缓慢。在电场条件下由于硬质相的出现,在摩擦面上出现了磨粒磨损,表现为摩擦面上出现的犁沟。
在强电流作用下,当弓网间发生瞬时离线时,将产生严重的拉电弧现象,造成受电弓滑板和接触导线表面烧伤而使接触状况恶化。电流通过导体产生热效应,机械摩擦和接触电阻所产生的表面温度,实际接触粗糙峰上的瞬时闪温,都导致材料组织和性能发生变化,从而严重影响了材料的摩擦磨损性能。
2.电压的影响。在直流电压的作用有利于添加剂在金属表面形成化学吸附膜和化学反应膜,从而造成摩擦系数的下降。对Al2O3/Cu施加反向电压和正向电压:表明正向电压作用下的摩擦系数比反向电压的大,同时外加电场的存在能显著地增加摩擦副的摩擦系数。当电压接通时,摩擦副的摩擦系数比电压断开时高出约133%,说明外加电压的存在是造成摩擦系数增大的原因。即摩擦系数随之增大,电压断开时摩擦系数随之减小。
三、结论
金属材料的摩擦磨损过程受到多方面因素的影响,其干滑动摩擦磨损行为受到载荷、速度、温度场等的影响较大。但是在通电状况下,其滑动摩擦磨损行为更加复杂,还要受到电流及电压(电磁场)等的综合影响。
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