第五章电触点的摩擦与磨损

周怡琳[e-mail]2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损11.第一节绪论2.第二节滑动摩擦3.第三节滑动磨损4.第四节微动2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损2一、摩擦、磨损是滑动电接触中的重要现象。◦滑动指的是和连接器的接通和断开有关的较大相对运动。◦滑动接触典型例子：电机电刷与滑环或整流子之间的接触电车电弓与电线之间的接触变阻器滑动头、开关中的滑动触头等。◦摩擦将使滑动过程中能量受到损失；◦磨损则使表面金属特别是贵金属迅速丧失，露出基底金属，因而造成腐蚀和接触不良。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损31.不仅为了减小摩擦和磨损，而且要保证良好的电气接触。2.接触界面的温升不仅由表面摩擦引起，在大电流密度情况下，主要是由于电流通过接触电阻后而造成。温升可能使金属软化，熔焊使磨损现象变得十分严重。温升还会加速表面氧化过程而使电气连接失效。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损4一、滑动过程中表面的接触状态1.两种形式①两元件表面凸丘－凸丘，形成接触斑点，几率小；②两元件表面凸丘－凹谷，交错咬合，形成接触斑点，几率多。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损5(a)峰－峰接触；(b)峰－谷接触2.两元件在接触力P作用下相对滑动时产生的机械摩擦力有4个分量①接触面粘结产生的剪切力Fs粘结（冷焊）现象：两个金属表面相互接触时，接触点压力接近或超过金属原子之间的结合力时，接触面间便相互粘结在一起。剪切力金属的剪切强度，相对滑动面在粘结界面剪切力金属的剪切强度，相对滑动面在金属内部②接触面凸丘咬合产生的剪切力Fa③接触面塑性变形产生的剪切力Fp④接触面弹性变形产生的剪切力Fe2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损63.摩擦系数库仑布摩擦定律这就是著名的阿门顿无关摩擦系数与视在接触面常数则是常数和，当接触材料一定时，假定为平均值。为比摩擦力。中单位面积摩擦力，称，实际接触面的接触更是如此。同一轨道上的重复滑动特别是正常大气情况下许多情况下HPFHHHAAPFFFFFPFFFFPFfbbssepaepasf1A,,b2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损7若两个接触界面间有相对滑移时，粘结处受剪力和压力联合作用，摩擦力的大小主要取决于金属实际的粘结面积。1.金属粘结面积的影响因素：①变形系数0②滑移系数1③减压系数2④膜层系数32020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损8①变形系数0：◦微观峰顶高度不同，当较高的峰顶呈现塑性变形时，较低的峰顶可能呈现弹性变形。而粘结面积不应当包括弹性接触面积在内。◦由第二章的收缩电阻理论可知，除弹性变形以外的塑性接触面积A0为：A0=0A=P/H。A为全部变形接触面积；0为变形系数，值在0.2～1.2之间；H为材料表面硬度；P为正向接触压力。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损9②滑移系数1：◦粘结后，由于在滑移过程中剪切力的影响，其粘结面积比在静止状态下只有单纯压力时的粘结面积大。◦由图所示，单个峰顶接触面积由XY扩大到X’Y’，◦引入滑移系数1，则有：平均半径为a0，平均增加的滑移距离为S，n为接触点数，A1为滑移后的接触面积，一般地，1=1.01.5。00000011212AnsaAnsaAAA2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损10③减压系数2：◦在粘结区域内尚有一部分弹性力参与作用，故减压后实际粘结面积将减少，◦减压系数2为：2=A2/A1。A2为减压后的面积。2其值一般在0.61.0之间。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损11④膜层系数3：◦表面膜层对粘结影响极大，若膜层介于金属微观峰顶之间，则金属粘结作用消失。故膜层的存在便减少了实际金属接触面积。◦膜层系数3为：3=A3/A2。A3为不包括膜层在内的实际金属接触面积。3其值一般在01.0之间，若3=0，表明在接触界面上均覆盖着膜层；若3=1，表明在接触界面上不存在膜层。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损122.摩擦力F：◦在粘结情况下，摩擦力F主要应是切断金属间的粘结所需的剪切力。◦F=3A2m+(1-3)A2fm为金属剪切强度；f为克服膜层之间摩擦所需的剪应力，其值非常小，通常远小于0.1，mf；◦F3A2m321(P/H)m2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损133.摩擦系数及其影响因素：①为得到较小的摩擦系数，应使321m尽可能小，而使材料硬度H尽可能大。有矛盾！比如硬度H大的材料，滑移系数1必然会小，这是一致的，但其剪切强度m必然很大，如用基底硬的材料在上面镀以较软材料，则结果是H值大而m将比较小。但m太小时又加大了滑移系数1。所以应使用具有一定硬度而延展性小的表面镀层为宜。②人为覆盖膜层，在滑动电接触表面涂一层很薄的润滑剂，但3不可为零，因为需要有一定的金属直接接触，以保持良好的电气性能。HPFm1232020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损141.基本金属（如铜、铝）在空气中放置容易生成膜层，因此很少粘结，但在真空中如经多次摩擦，表面膜层被磨去而易粘结。2.贵金属如金、铂、钯等很少受到空气腐蚀，故容易粘结；3.接插件、开关等密封抽真空后，粘结趋势更大；严格清洁处理表面后也容易发生粘结。4.常用触点材料在空气中膜层生长及粘结程度2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损15金属硬度108N/m2在空气中生长的膜厚粘接程度Au2.5最小大Ag2.5随时间生长有些Pt4.1较小有些Pd4.5较小有些Cu3.9大低Al1.8较大较小2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损165.直流镀金的粘结：◦粘结顺序作了排列，序号愈大，愈不易粘结◦为减少粘结，应当提高镀层硬度，同时还应减小其延展性。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损17镀金状态合金成分含碳(%)努氏硬度(25克)延展性(%)粘结顺序纯金(氧化物)无0.015010124K硬金(氰化物)无0.01200102合金(碱性)0.7%镉无1355-103合金(氰化物)10％银0.071400.754合金(氰化物)0.15%钴0.151800.456.直流镀金与脉冲镀金的粘结情况2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损18镀金状态合金成分含碳(%)努氏硬度(25克)延展性(%)粘结顺序直流镀金(氰化物)0.18~0.2%Co有230低2脉冲镀金(宽度10毫秒，间隔150毫秒)0.25%Co无190～200较高11.擦伤造成的摩擦力：◦较硬的材料嵌入较软材料中，当二者有相对滑动时，软材料被划伤而产生的现象。◦这种摩擦力与表面有无润滑剂无关，即润滑剂不能减少因擦伤而产生的摩擦力。它与材料硬度、擦伤面的角度等因素有关。2.接插件的拔出力◦大体是粘结与擦伤造成的摩擦力之和，但接插件的插入力往往大于拔出力。◦这是由于一些其它因素，如插针张开插孔时所需的力以及插针与插孔同心度不好时产生的附加力等所造成的。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损19一、磨损的定义与分类1.磨损的定义Definitionofwear◦由于机械运动造成的固体表面材料损失（Thelossofparticulatematerialfromsolidsurfacesasaresultofmechanicalaction）◦在接触界面之间经滑动摩擦后表面材料损失通常以磨损颗粒的形式出现，但有时表面之间金属转移却未有一定量的磨粒也称为磨损。◦推广尺寸改变；金属转移而无颗粒损失；金属流动而测量不出材料转移或损失。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损202.磨损分类ClassificationofWear①粘结Adhesion②熔焊Fritting③擦伤Abrasion④脆断BrittleFracture⑤微动Fretting⑥脱层Delamination⑦次表面磨损SubsurfaceWear2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损21①粘结磨损：◦定义：微观峰顶粘结后在滑动过程中被剪断，剪断出现在剪切强度较低的部位，但不一定在接触界面上。被剪断的材料或粘结转移到另一表面上去或成为磨损颗粒而离开接触界面。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损22粘结磨损率与压力有关，见图◦轻微磨损阶段(MildWear)：由于表面有膜层，磨损率很低，磨损产物是氧化物的微粒（10-2～10-4mm）。◦严重磨损阶段(SevereWear)：当接触压力增加到某一临界值后，磨损率突然急剧上升，这是由于膜层被磨损掉后金属之间粘结面积增大所致。磨损颗粒是大的金属颗粒（1～10-1mm）2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损23转折点◦增加负载、润滑失效◦对所有金属表面，都存在临界接触载荷，其值和在滑动过程中外来污染物的除去有关。干净的Au-Co镀层在空气中进行滑动时，其临界载荷为25gf99Au1Co合金的临界载荷为5gf。◦粘结磨损是滑动电接触的主要磨损现象。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损24②熔焊磨损：•当通过接触表面的电流密度很大时，一些高峰处温升过高而熔化，造成金属间转移，也会出现磨粒。•磨粒形式和成分有很大不同。熔焊时的接触峰顶经熔化成液态再冷凝拉伸、切断，并在接触界面峰顶之间继续滚动、熔化冷凝切断，因而形状很特殊，颗粒常有空洞和拉丝。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损25③擦伤磨损：◦接触对相互磨损产生碎屑(Two-bodyabrasion)◦嵌入接触面的磨损碎屑与接触对的磨损(Three-bodyabrasion)滑动接触界面间有磨损颗粒和粘结的粒块时，经过在界面间滑动后，表面冷作硬化，以致硬度比接触界面材料还高，它们可能镶嵌在或粘结在一个接触表面上而擦伤另一表面。◦擦伤磨损常与粘结磨损一起发生。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损26④脆断◦材料拉伸强度小于压缩强度时发生脆断◦滑道中有裂纹◦基底材料暴露易腐蚀润滑剂不能减少擦伤磨损或脆断2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损27图8镀层脆断，0.43umAu-Co/SnNi⑤微动磨损(Fretting)◦在接触面间由于微小扰动或振动（或由外界热胀冷缩效应造成），表面受到磨损，引起基底材料外露造成腐蚀而使接触电阻升高的现象。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损28⑥脱层磨损(Delimination)：◦接触表面间经过大量重复滑动后，材料内部的空穴逐渐在表面层下成核并形成裂纹，这种裂纹扩大后造成层状剥落并呈薄片磨粒。如滑动次数不多时，这种磨损现象并不多见。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损29脱层磨损示意图⑦次表面磨损(SubsurfaceWear)2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损30图11次表面磨损的横截面1.金滑针在镀金平面上的滑动过程（滑动方向不变）①粒块的形成：当滑针与平面相接触时，在一定压力下产生粘结，滑动后粘结部分被切断并继续粘结产生了粒块。②当两个接触表面面积不同时（比如滑针在平面上滑动的现象），粘块总是粘在面积小的滑针表面。因此滑针与平面间的滑动，实际上是粒块与平面间的滑动。③在摩擦过程中粒块被加工硬化，其硬度比平面上的金属大，从而擦伤平面。平面不仅因粘结损失金属，而且也因粒块擦伤损失金属。④如果滑动方向不变，粒块加大到一定程度时，便以磨粒形式脱离表面而嵌入平面，而使滑针与平面重新接触。由此可见，如果滑动方向不变时，滑针将不规则地增加重量，而平面则不断损失重量。光滑平面上经过滑行将变得表面粗糙不平。2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损312020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损32粒块形成机理a代表粒块粘附的表面，—代表平面运动方向单向滑动过程中滑针和平面重量变化2020/4/6第五章电触点的摩擦与磨损33—代表平面运动方向，金触点，500克负载2020/4/6第五章电