第五章電觸點的摩擦與磨損課件

第五章電觸點的摩擦與磨損周怡琳ylzhou@2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損1第五章電觸點的摩擦與磨損周怡琳2023/7/31第五章電觸第一節(jié)

緒論第二節(jié)滑動摩擦第三節(jié)滑動磨損第四節(jié)微動2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損2第五章電觸點的摩擦與磨損第一節(jié)

緒論2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損2第五一、摩擦、磨損是滑動電接觸中的重要現(xiàn)象。滑動指的是和連接器的接通和斷開有關(guān)的較大相對運動。滑動接觸典型例子：電機(jī)電刷與滑環(huán)或整流子之間的接觸電車電弓與電線之間的接觸變阻器滑動頭、開關(guān)中的滑動觸頭等。摩擦將使滑動過程中能量受到損失；磨損則使表面金屬特別是貴金屬迅速喪失，露出基底金屬，因而造成腐蝕和接觸不良。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損3第一節(jié)

緒論一、摩擦、磨損是滑動電接觸中的重要現(xiàn)象。2023/7/31第不僅為了減小摩擦和磨損，而且要保證良好的電氣接觸。接觸界面的溫升不僅由表面摩擦引起，在大電流密度情況下，主要是由于電流通過接觸電阻后而造成。溫升可能使金屬軟化，熔焊使磨損現(xiàn)象變得十分嚴(yán)重。溫升還會加速表面氧化過程而使電氣連接失效。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損4二、電接觸過程中滑動摩擦和磨損的特點不僅為了減小摩擦和磨損，而且要保證良好的電氣接觸。2023/一、滑動過程中表面的接觸狀態(tài)兩種形式兩元件表面凸丘－凸丘，形成接觸斑點，幾率??；兩元件表面凸丘－凹谷，交錯咬合，形成接觸斑點，幾率多。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損5第二節(jié)滑動摩擦(a)峰－峰接觸； (b)峰－谷接觸一、滑動過程中表面的接觸狀態(tài)2023/7/31第五章電觸點的兩元件在接觸力P作用下相對滑動時產(chǎn)生的機(jī)械摩擦力有4個分量接觸面粘結(jié)產(chǎn)生的剪切力Fs粘結(jié)（冷焊）現(xiàn)象：兩個金屬表面相互接觸時，接觸點壓力接近或超過金屬原子之間的結(jié)合力時，接觸面間便相互粘結(jié)在一起。剪切力<金屬的剪切強(qiáng)度，相對滑動面在粘結(jié)界面剪切力>金屬的剪切強(qiáng)度，相對滑動面在金屬內(nèi)部接觸面凸丘咬合產(chǎn)生的剪切力Fa接觸面塑性變形產(chǎn)生的剪切力Fp接觸面彈性變形產(chǎn)生的剪切力Fe2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損6一、滑動過程中表面的接觸狀態(tài)兩元件在接觸力P作用下相對滑動時產(chǎn)生的機(jī)械摩擦力有4個分量2一、滑動過程中表面的接觸狀態(tài)摩擦系數(shù)2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損7一、滑動過程中表面的接觸狀態(tài)摩擦系數(shù)2023/7/31第五章若兩個接觸界面間有相對滑移時，粘結(jié)處受剪力和壓力聯(lián)合作用，摩擦力的大小主要取決于金屬實際的粘結(jié)面積。金屬粘結(jié)面積的影響因素：變形系數(shù)0滑移系數(shù)1減壓系數(shù)2膜層系數(shù)32023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損8二、粘結(jié)情況下的滑動摩擦若兩個接觸界面間有相對滑移時，粘結(jié)處受剪力和壓力聯(lián)合作用，摩變形系數(shù)0

：微觀峰頂高度不同，當(dāng)較高的峰頂呈現(xiàn)塑性變形時，較低的峰頂可能呈現(xiàn)彈性變形。而粘結(jié)面積不應(yīng)當(dāng)包括彈性接觸面積在內(nèi)。由第二章的收縮電阻理論可知，除彈性變形以外的塑性接觸面積A0為：A0=0A=P/H。A為全部變形接觸面積；0為變形系數(shù)，值在0.2～1.2之間；H為材料表面硬度；P為正向接觸壓力。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損9二、粘結(jié)情況下的滑動摩擦變形系數(shù)0：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損9二、粘結(jié)情況下的滑動摩擦滑移系數(shù)1：粘結(jié)后，由于在滑移過程中剪切力的影響，其粘結(jié)面積比在靜止?fàn)顟B(tài)下只有單純壓力時的粘結(jié)面積大。由圖所示，單個峰頂接觸面積由XY擴(kuò)大到X’Y’，引入滑移系數(shù)1，則有：平均半徑為a0，平均增加的滑移距離為S，

n為接觸點數(shù)，A1為滑移后的接觸面積，一般地，1=1.01.5。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損10二、粘結(jié)情況下的滑動摩擦滑移系數(shù)1：2023/7/31第五減壓系數(shù)2：在粘結(jié)區(qū)域內(nèi)尚有一部分彈性力參與作用，故減壓后實際粘結(jié)面積將減少，減壓系數(shù)2為：2=A2/A1

。A2為減壓后的面積。

2

其值一般在0.61.0之間。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損11二、粘結(jié)情況下的滑動摩擦減壓系數(shù)2：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損11膜層系數(shù)3：表面膜層對粘結(jié)影響極大，若膜層介于金屬微觀峰頂之間，則金屬粘結(jié)作用消失。故膜層的存在便減少了實際金屬接觸面積。膜層系數(shù)3為：3=A3

/A2

。A3為不包括膜層在內(nèi)的實際金屬接觸面積。3其值一般在01.0之間，若3=0，表明在接觸界面上均覆蓋著膜層；若3=1，表明在接觸界面上不存在膜層。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損12二、粘結(jié)情況下的滑動摩擦膜層系數(shù)3：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損12摩擦力F：在粘結(jié)情況下，摩擦力F主要應(yīng)是切斷金屬間的粘結(jié)所需的剪切力。

F=3A2m+(1-3)A2

fm為金屬剪切強(qiáng)度；f為克服膜層之間摩擦所需的剪應(yīng)力，其值非常小，通常遠(yuǎn)小于0.1，m>>f；F3A2m

321

(P/H)m

2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損13二、粘結(jié)情況下的滑動摩擦摩擦力F：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損13二、二、粘結(jié)情況下的滑動摩擦摩擦系數(shù)及其影響因素：為得到較小的摩擦系數(shù)，應(yīng)使321m盡可能小，而使材料硬度H盡可能大。有矛盾！比如硬度H大的材料，滑移系數(shù)1必然會小，這是一致的，但其剪切強(qiáng)度m必然很大，如用基底硬的材料在上面鍍以較軟材料，則結(jié)果是H值大而m將比較小。但m太小時又加大了滑移系數(shù)1。所以應(yīng)使用具有一定硬度而延展性小的表面鍍層為宜。人為覆蓋膜層，在滑動電接觸表面涂一層很薄的潤滑劑，但3不可為零，因為需要有一定的金屬直接接觸，以保持良好的電氣性能。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損14二、粘結(jié)情況下的滑動摩擦摩擦系數(shù)及其影響因素：2023/基本金屬（如銅、鋁）在空氣中放置容易生成膜層，因此很少粘結(jié)，但在真空中如經(jīng)多次摩擦，表面膜層被磨去而易粘結(jié)。貴金屬如金、鉑、鈀等很少受到空氣腐蝕，故容易粘結(jié)；接插件、開關(guān)等密封抽真空后，粘結(jié)趨勢更大；嚴(yán)格清潔處理表面后也容易發(fā)生粘結(jié)。常用觸點材料在空氣中膜層生長及粘結(jié)程度2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損15三、電觸點材料表面的粘結(jié)基本金屬（如銅、鋁）在空氣中放置容易生成膜層，因此很少粘結(jié)，金屬硬度108N/m2在空氣中生長的膜厚粘接程度Au2.5最小大Ag2.5隨時間生長有些Pt4.1較小有些Pd4.5較小有些Cu3.9大低Al1.8較大較小2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損16常用觸點材料在空氣中膜層生長及粘結(jié)程度金屬硬度108N/m2在空氣中生長的膜厚粘接程度Au2.5最直流鍍金的粘結(jié)：粘結(jié)順序作了排列，序號愈大，愈不易粘結(jié)為減少粘結(jié)，應(yīng)當(dāng)提高鍍層硬度，同時還應(yīng)減小其延展性。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損17三、電觸點材料表面的粘結(jié)鍍金狀態(tài)合金成分含碳(%)努氏硬度(25克)延展性(%)粘結(jié)順序純金(氧化物)無0.0150>10124K硬金(氰化物)無0.01200>102合金(堿性)0.7%鎘無1355-103合金(氰化物)10％銀0.071400.754合金(氰化物)0.15%鈷0.15180<0.45直流鍍金的粘結(jié)：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損1直流鍍金與脈沖鍍金的粘結(jié)情況

2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損18三、電觸點材料表面的粘結(jié)鍍金狀態(tài)合金成分含碳(%)努氏硬度(25克)延展性(%)粘結(jié)順序直流鍍金

(氰化物)0.18~0.2%Co有230低2脈沖鍍金(寬度10毫秒，間隔150毫秒)0.25%Co無190～200較高1直流鍍金與脈沖鍍金的粘結(jié)情況2023/7/31第五章電觸點擦傷造成的摩擦力：較硬的材料嵌入較軟材料中，當(dāng)二者有相對滑動時，軟材料被劃傷而產(chǎn)生的現(xiàn)象。這種摩擦力與表面有無潤滑劑無關(guān)，即潤滑劑不能減少因擦傷而產(chǎn)生的摩擦力。它與材料硬度、擦傷面的角度等因素有關(guān)。接插件的拔出力大體是粘結(jié)與擦傷造成的摩擦力之和，但接插件的插入力往往大于拔出力。這是由于一些其它因素，如插針張開插孔時所需的力以及插針與插孔同心度不好時產(chǎn)生的附加力等所造成的。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損19四、造成觸點滑動摩擦力的其它原因擦傷造成的摩擦力：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損一、磨損的定義與分類磨損的定義Definitionofwear由于機(jī)械運動造成的固體表面材料損失（Thelossofparticulatematerialfromsolidsurfacesasaresultofmechanicalaction）在接觸界面之間經(jīng)滑動摩擦后表面材料損失通常以磨損顆粒的形式出現(xiàn)，但有時表面之間金屬轉(zhuǎn)移卻未有一定量的磨粒也稱為磨損。推廣尺寸改變；金屬轉(zhuǎn)移而無顆粒損失；金屬流動而測量不出材料轉(zhuǎn)移或損失。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損20第三節(jié)滑動磨損一、磨損的定義與分類2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨磨損分類ClassificationofWear粘結(jié)Adhesion熔焊Fritting擦傷Abrasion脆斷BrittleFracture微動Fretting脫層Delamination次表面磨損SubsurfaceWear2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損21一、磨損的定義與分類磨損分類ClassificationofWear2粘結(jié)磨損：定義：微觀峰頂粘結(jié)后在滑動過程中被剪斷，剪斷出現(xiàn)在剪切強(qiáng)度較低的部位，但不一定在接觸界面上。被剪斷的材料或粘結(jié)轉(zhuǎn)移到另一表面上去或成為磨損顆粒而離開接觸界面。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損22一、磨損的定義與分類粘結(jié)磨損：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損22一、粘結(jié)磨損率與壓力有關(guān)，見圖輕微磨損階段(MildWear)：由于表面有膜層，磨損率很低，磨損產(chǎn)物是氧化物的微粒（10-2～10-4mm）。嚴(yán)重磨損階段(SevereWear)：當(dāng)接觸壓力增加到某一臨界值后，磨損率突然急劇上升，這是由于膜層被磨損掉后金屬之間粘結(jié)面積增大所致。磨損顆粒是大的金屬顆粒（1～10-1mm）2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損23粘結(jié)磨損粘結(jié)磨損率與壓力有關(guān)，見圖2023/7/31第五章電觸點的摩轉(zhuǎn)折點增加負(fù)載、潤滑失效對所有金屬表面，都存在臨界接觸載荷，其值和在滑動過程中外來污染物的除去有關(guān)。干凈的Au-Co鍍層在空氣中進(jìn)行滑動時，其臨界載荷為25gf99Au1Co合金的臨界載荷為5gf。粘結(jié)磨損是滑動電接觸的主要磨損現(xiàn)象。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損24粘結(jié)磨損轉(zhuǎn)折點2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損24粘結(jié)磨損熔焊磨損：當(dāng)通過接觸表面的電流密度很大時，一些高峰處溫升過高而熔化，造成金屬間轉(zhuǎn)移，也會出現(xiàn)磨粒。磨粒形式和成分有很大不同。熔焊時的接觸峰頂經(jīng)熔化成液態(tài)再冷凝拉伸、切斷，并在接觸界面峰頂之間繼續(xù)滾動、熔化冷凝切斷，因而形狀很特殊，顆粒常有空洞和拉絲。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損25一、磨損的定義與分類熔焊磨損：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損25一、擦傷磨損：接觸對相互磨損產(chǎn)生碎屑(Two-bodyabrasion)嵌入接觸面的磨損碎屑與接觸對的磨損(Three-bodyabrasion)滑動接觸界面間有磨損顆粒和粘結(jié)的粒塊時，經(jīng)過在界面間滑動后，表面冷作硬化，以致硬度比接觸界面材料還高，它們可能鑲嵌在或粘結(jié)在一個接觸表面上而擦傷另一表面。擦傷磨損常與粘結(jié)磨損一起發(fā)生。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損26一、磨損的定義與分類擦傷磨損：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損26一、脆斷材料拉伸強(qiáng)度小于壓縮強(qiáng)度時發(fā)生脆斷滑道中有裂紋基底材料暴露易腐蝕潤滑劑不能減少擦傷磨損或脆斷2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損27一、磨損的定義與分類圖8鍍層脆斷，

0.43umAu-Co/SnNi脆斷2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損27一、磨損的微動磨損(Fretting)在接觸面間由于微小擾動或振動（或由外界熱脹冷縮效應(yīng)造成），表面受到磨損，引起基底材料外露造成腐蝕而使接觸電阻升高的現(xiàn)象。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損28一、磨損的定義與分類微動磨損(Fretting)2023/7/31第五章電觸點的脫層磨損(Delimination)：接觸表面間經(jīng)過大量重復(fù)滑動后，材料內(nèi)部的空穴逐漸在表面層下成核并形成裂紋，這種裂紋擴(kuò)大后造成層狀剝落并呈薄片磨粒。如滑動次數(shù)不多時，這種磨損現(xiàn)象并不多見。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損29一、磨損的定義與分類脫層磨損示意圖脫層磨損(Delimination)：2023/7/31第五次表面磨損(SubsurfaceWear)2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損30一、磨損的定義與分類圖11次表面磨損的橫截面次表面磨損(SubsurfaceWear)2023/7/金滑針在鍍金平面上的滑動過程（滑動方向不變）粒塊的形成：當(dāng)滑針與平面相接觸時，在一定壓力下產(chǎn)生粘結(jié)，滑動后粘結(jié)部分被切斷并繼續(xù)粘結(jié)產(chǎn)生了粒塊。當(dāng)兩個接觸表面面積不同時（比如滑針在平面上滑動的現(xiàn)象），粘塊總是粘在面積小的滑針表面。因此滑針與平面間的滑動，實際上是粒塊與平面間的滑動。在摩擦過程中粒塊被加工硬化，其硬度比平面上的金屬大，從而擦傷平面。平面不僅因粘結(jié)損失金屬，而且也因粒塊擦傷損失金屬。如果滑動方向不變，粒塊加大到一定程度時，便以磨粒形式脫離表面而嵌入平面，而使滑針與平面重新接觸。由此可見，如果滑動方向不變時，滑針將不規(guī)則地增加重量，而平面則不斷損失重量。光滑平面上經(jīng)過滑行將變得表面粗糙不平。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損31二、金鍍層的磨損

金滑針在鍍金平面上的滑動過程（滑動方向不變）2023/7/32023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損32粒塊形成機(jī)理a代表粒塊粘附的表面，—>代表平面運動方向單向滑動過程中滑針和平面重量變化2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損32粒塊形成機(jī)理單2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損33—>代表平面運動方向，金觸點，500克負(fù)載2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損33—>代表平面運2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損342023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損34說明：若滑針與平面所用材料不同，但兩者的硬度相差并不懸殊（3倍以內(nèi)），則它們的滑動磨損情況與用相同的材料作為滑針材料的結(jié)果相類似。

Au平面＋Pd滑針＝Au-AuPd平面＋Au滑針＝Pd-Pd材料、尺寸和形狀都相同的兩接觸體進(jìn)行滑動時，粒塊可能來自接觸體的任一方。一旦發(fā)生金屬轉(zhuǎn)移后，接受金屬轉(zhuǎn)移的一方就變成了滑針，相反的表面就被磨損。

金屬不能被冷作硬化，則不能形成粒塊及擦傷平面。這是因為為了能磨損平面，粒塊的硬度必須通過冷作硬化而大于平面的硬度。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損35二、金鍍層的磨損

說明：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損35二、金鍍滑針磨損－金滑針在鍍金平面上的往復(fù)滑動過程現(xiàn)象：若滑行方向改變，原粘在滑針上的粒塊被剪切下來或成為磨?；蜩?cè)肫矫?。如果往?fù)滑動在同一軌跡上，則經(jīng)過多次滑行，平面上受到加工硬化，因而表面變硬，當(dāng)平面硬度增大到足以擦傷滑針表面時，滑針開始被磨損，自此以后滑針迅速被磨損而平面則增加重量。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損36二、金鍍層的磨損滑針磨損－金滑針在鍍金平面上的往復(fù)滑動過程2023/7/31轉(zhuǎn)折點滑針開始被磨損的滑動次數(shù)稱為轉(zhuǎn)折點，如圖。了解轉(zhuǎn)折點非常重要。因為滑針與平面不同，滑針接觸面積很小，一旦被磨損，其接觸點處的鍍層很快被磨損殆盡而暴露出基底金屬。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損37二、金鍍層的磨損轉(zhuǎn)折點2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損37二、金鍍二、金鍍層的磨損轉(zhuǎn)折點的滑行次數(shù)t：d為滑道長度(cm)；P為接觸壓力(gf)；k為常數(shù)，對金滑針與金平面，k=17103；t為往返的單程滑行次數(shù)。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損38二、金鍍層的磨損轉(zhuǎn)折點的滑行次數(shù)t：2023/7/31第五對粒塊形成的影響因素滑動方向：單向、往返結(jié)果相似負(fù)載：增加負(fù)載促使由粒塊形成到滑針磨損的轉(zhuǎn)化，使轉(zhuǎn)折點的滑行次數(shù)減少；滑道長度：越短，由平面磨損向滑針磨損的轉(zhuǎn)化越快，轉(zhuǎn)折點的滑行次數(shù)也可減少。

一般地，對純金觸點，當(dāng)接觸壓力為100gf，滑道長度為1cm時，轉(zhuǎn)折點次數(shù)大約為150-200次。

2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損39二、金鍍層的磨損對粒塊形成的影響因素2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨二、金鍍層的磨損粘結(jié)磨損2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損40二、金鍍層的磨損粘結(jié)磨損2023/7/31第五章電觸點的摩擦二、金鍍層的磨損擦傷磨損2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損41二、金鍍層的磨損擦傷磨損2023/7/31第五章電觸點的摩擦二、金鍍層的磨損磨損估算鍍金層的磨損實際上包括了粘結(jié)磨損和粒塊的擦傷磨損。磨損體積V和磨損距離X和真實接觸面積成正比：V，總磨損體積K，是一個無量綱數(shù)，稱作磨損系數(shù)。和接觸壓力有關(guān)，

P，正壓力H，材料表面硬度X，滑移長度2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損42二、金鍍層的磨損磨損估算2023/7/31第五章電觸點的摩擦金鍍層的K和P的關(guān)系：當(dāng)壓力小于4gf時，磨損系數(shù)K幾乎為零，即不產(chǎn)生磨粒；當(dāng)壓力超過50gf后，磨損系數(shù)K基本為一常數(shù)，其值大約為3.110-4。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損43二、金鍍層的磨損金鍍層的K和P的關(guān)系：2023/7/31第五章電觸點的摩擦影響鍍金層磨損的因素硬度：硬材料的耐磨性高于軟材料的耐磨損性。原因是隨著硬度的增加，將減少真實的接觸面積，真實的接觸面積對所有的磨損過程起著重要的作用。因此，當(dāng)觸點是由多層金屬通過電鍍或包覆而形成時，表面用硬金合金硬度高的中間層提高基底材料的硬度2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損44二、金鍍層的磨損影響鍍金層磨損的因素2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨(1)Au－Co合金的抗粘結(jié)磨損性比純金的好，而純金的抗擦傷磨損性優(yōu)于Au－Co合金(2)硬的中間層金屬Ni對防粘結(jié)磨損和擦傷磨損的作用。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損45(1)Au－Co合金的抗粘結(jié)磨損性比純金的好，而純金的抗擦傷2umAuCo/Cu；(b)3.3umAuCo/Cu；2umAuCo/CuBe；(d)3.3umAu/Cu2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損46(1)Au－Co合金(2)鍍金層厚度(3)基底金屬

Cu，CuBe合金對防粘結(jié)磨損和擦傷磨損的作用。2umAuCo/Cu；(b)3.3umAuCo/Cu；20表面粗糙度：表面粗糙度與磨損有關(guān)，在一定壓力下，最高峰頂處易于粘結(jié)，也易于受到擦傷磨損；壓力越大，磨損增加。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損47二、金鍍層的磨損表面粗糙度：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損47二2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損48(1)粗糙度越低，磨損越?。?2)中間層鍍鎳后，不論粘結(jié)或擦傷磨損都會降低。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損48(1)粗糙度越電鍍工藝與磨損的關(guān)系（RelationshipofWeartoPlatingProcess）脈沖電鍍(PulsePlating)直流鍍金比脈沖鍍金硬度大，延展性小，不易粘結(jié)工藝窗(ProcessWindows)只有在很窄的鍍金工藝窗內(nèi)，鍍層才具有滿意的摩擦學(xué)性能(摩擦系數(shù)u<0.26)2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損49二、金鍍層的磨損電鍍工藝與磨損的關(guān)系（RelationshipofWea圖電鍍液中Co的含量、陰極電流密度、鉀的含量表面數(shù)字是摩擦系數(shù)。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損50圖電鍍液中Co的含量、陰極電流密度、鉀的含量2023/磨損測試方法鍍金層經(jīng)過磨損后，作加速腐蝕實驗，實驗裝置如圖所示。將紙浸以1克分子濃度的硫化鈉溶液后，置于磨損后的鍍金層上，在陰極和陽極間通以電流（約10毫安左右）即在被磨穿的金鍍層上出現(xiàn)黑色硫化銅腐蝕物

CuCu＋＋+2e； Cu＋＋+S--CuS黑色。其長度大體為被磨穿的長度，在顯微鏡下測量黑色腐蝕物的長度（bi）之和

bi，它與總滑動長度之比即為磨損因數(shù)（=bi/B）。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損51二、金鍍層的磨損磨損測試方法2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損51二

2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損52 2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損52一、微動的概念定義：由于外部振動、溫度改變、電磁振蕩在觸點上產(chǎn)生一個作用力，引入小幅度運動。作用力必須大于兩配合面之間的摩擦。微動摩擦系數(shù)和粘結(jié)滑動過程中金屬的摩擦系數(shù)大致相同，一般在0.15-1之間，其大小取決于磨損的嚴(yán)重性和表面是否存在潤滑劑。很大的接觸壓力能使微動的可能性最小化。微動對接觸表面的損壞取決于微動的幅度。微動的幅度從幾個微米到200微米之間。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損53第四節(jié)微動FRETTING一、微動的概念2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損53微動對電接觸造成的危害金屬轉(zhuǎn)移、磨損產(chǎn)生絕緣氧化物(表面鍍Sn-Pb合金)－微動腐蝕Pd系和Pt系金屬具有催化作用，產(chǎn)生摩擦聚合物接觸電阻增加（電子噪音），即使在微動停止后，仍保留非常高的接觸電阻。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損54一、微動的概念微動對電接觸造成的危害2023/7/31第五章電觸點的摩擦與研究微動的目的(Objective)研究微動降級機(jī)理觸點材料特性分析操作參數(shù)對接觸電阻的影響在連接器設(shè)計中對微動控制的指導(dǎo)使用潤滑劑防止微動問題和恢復(fù)失效連接器2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損55一、微動的概念研究微動的目的(Objective)2023/7/31第五章粘結(jié)(Stick)粘著區(qū)域大約為1μm相對運動，取決于材料、觸點形狀及其它因素。接觸表面之間的運動是由于近表面區(qū)域中接觸體的彈性變形所提供的。表面的微觀粗糙度發(fā)生粘結(jié)，直到兩接觸體被分開時才會造成接觸表面損壞。粘結(jié)－滑動混合(Mixedstick-slip)中間的粘著區(qū)被環(huán)狀的滑動區(qū)所包圍，幅度5μm相對運動，四周滑動區(qū)(可能有裂紋形成，微動疲勞，磨損碎屑)完全滑動(Grossslip)在每個滑動周期內(nèi)，所有粘結(jié)的a-斑點都斷開，并滑過相對接觸體的幾個微觀峰頂。滑動幅度為10~100μm，其造成的損壞是最厲害的，會發(fā)生剝離磨損。往復(fù)滑動(Reciprocatingsliding)滑動幅度100~200μm

雖然在微動時，接觸表面更易出現(xiàn)磨屑、腐蝕物、摩擦聚合物，但是，微動和滑動在磨損、摩擦、接觸電阻和為了減少故障而使用潤滑劑等方面都是相同的。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損56二、微動階段FrettingRegimes粘結(jié)(Stick)2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨圖微動磨損痕跡，粘結(jié)觸點的特征(a)粘結(jié)微動磨損的痕跡，Niobium,2um,1.09kg,100Hz,106cycles；(b)(a)的局部放大2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損57圖微動磨損痕跡，2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損圖18粘結(jié)－滑動混合ALSI304不銹鋼的微動區(qū)域,4umwipe,1.15Kg,100Hz,106cycles;2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損58圖18粘結(jié)－滑動混合2023/7/31第五章電觸點的摩擦與2)粘滯滑動的混合（蠕動）Mixedstick-slip：(a)磨損區(qū)域的橫截面，表明了淺表面的塑性變形和粘結(jié)區(qū)和滑動區(qū)邊界上表面裂縫的產(chǎn)生；(b)滑動區(qū)內(nèi)磨損痕跡的放大，表明了由于表面剪切作用形成的凸緣以及凸緣的初始碎裂。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損592)粘滯滑動的混合（蠕動）Mixedstick-slip：3)大滑動Grossslip：A1S1不銹鋼的大滑動區(qū)域（圖b是

圖a的放大）2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損603)大滑動Grossslip：2023/7/31第五章電觸微動腐蝕：當(dāng)觸點材料是非貴金屬或催化材料（如Pt系金屬），在接觸界面中將出現(xiàn)絕緣產(chǎn)物，如果絕緣產(chǎn)物是如氧化物等無機(jī)腐蝕產(chǎn)物，則這種微動過程稱為“微動腐蝕”。

模型2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損61四、微動失效機(jī)理

微動腐蝕：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損61四、2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損62圖顆粒界面模型GranularInterfaceModels

微動腐蝕的形成2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損62圖顆粒界面模微動過程中的接觸電阻：系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)中的“靜態(tài)”接觸電阻(thesystematrest)

。動態(tài)接觸電阻（接觸電阻的變化）(duringfretting)

；在微動過程中，其值將達(dá)到很高值，有時會達(dá)到幾納秒甚至更長時間的開路狀態(tài)，這取決于微動速度、周期、觸點材料、絕緣層的物理狀態(tài)和厚度。在數(shù)字電路中，接觸電阻的變化的實際結(jié)果是將在信號傳輸中產(chǎn)生誤碼。在電力連接器中靜態(tài)接觸電阻的升高將導(dǎo)致由焦耳熱產(chǎn)生的連接故障。

2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損63四、微動失效機(jī)理微動過程中的接觸電阻：2023/7/31第五章電觸點的摩擦與微動腐蝕造成接觸電阻變化的機(jī)理:

顆粒界面模型：微動碎屑是由金屬顆粒、表面是氧化物的磨屑及完全被氧化的材料所組成。當(dāng)存在金屬接觸或氧化物非常薄而發(fā)生電子隧道效應(yīng)時，顆粒之間就會發(fā)生導(dǎo)電，但是這種導(dǎo)電是由金屬和絕緣顆粒形成的“顆粒金屬”的導(dǎo)電。若臨界金屬體積濃度為65％，金屬含量的細(xì)微變化會使這種混合物的電阻率差幾個數(shù)量級。相當(dāng)小的位移將會改變通過觸點的電流路徑，而引起了短時間的接觸電阻的變化。2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損64四、微動失效機(jī)理微動腐蝕造成接觸電阻變化的機(jī)理:2023/7/31第五章電觸2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損65鍍鎳表面的微動接觸電阻接觸壓力為100gm，微動頻率為每周期約300秒微動磨損區(qū)域2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損65鍍鎳表面的微動現(xiàn)場和實驗室實驗方法

FieldandLaboratoryTestingMethodologies運動產(chǎn)生(GenerationofMovement)驅(qū)動力的來源：熱、機(jī)械、電磁力接觸電阻測量(DeterminationofContactResistance)微動過程中間歇測量靜態(tài)接觸電阻微動過程中測量瞬時接觸電阻2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損66四、微動失效機(jī)理現(xiàn)場和實驗室實驗方法

FieldandLab2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損67微動實驗設(shè)備2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損67微動實驗設(shè)備相同接觸材料，不形成或少量形成表面膜的金屬(Identicalcontactmetals;nonfilm-forming)Au-Au；Ag-Ag接觸界面很穩(wěn)定，不氧化，不生成摩擦聚合物，微動電阻低

相同基礎(chǔ)接觸材料，微動腐蝕

Ni-Ni；Cu-Cu；Sn-Sn；60Sn40Pb-SnPb；Al-Al室溫下自然生成的氧化膜被機(jī)械破壞，在初始的幾個周期內(nèi)電阻略有降低隨著微動周期的增長，微動磨損顆粒的氧化和堆積使接觸電阻迅速升高

2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損68五、材料研究MaterialsStudies相同接觸材料，不形成或少量形成表面膜的金屬(Identica相同的接觸材料，表面形成摩擦聚合物Pd-Pd微動促進(jìn)了聚合物的形成，導(dǎo)致接觸電阻升高用含有不發(fā)生催化反應(yīng)的元素的合金來降低反應(yīng)點密度從而減少聚合物生成，如鈀銀合金(60Pd40Ag，70Pd30Ag,30Pd70Ag)

不同接觸材料，其中一種形成膜層材料硬度較低的一方向硬度較高的一方轉(zhuǎn)移，致使接觸特性發(fā)生轉(zhuǎn)變。表現(xiàn)出較低硬度材料本身配合的接觸性能。(金－鎳,焊錫－金鈷合金)兩種材料的硬度相似，差異小于10%，則材料轉(zhuǎn)移是雙向的。(銅－金)2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損69五、材料研究MaterialsStudies相同的接觸材料，表面形成摩擦聚合物2023/7/31第五章圖22不同材料組合的微動接觸電阻特性2023/7/31第五章電觸點的摩擦與磨損70圖22不同材料組合的微動接觸電阻特性2023/7/31第五影響微動磨損的機(jī)械參數(shù)微動頻率：微動頻率越低，氧化物的厚度越大，電阻升高的越快，失效所用的周期就越小。微動距離/滑移幅度：增加摩擦距離