第五章电触点的摩擦与磨损教案课件.ppt

1、周怡琳2022-11-19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2022-11-19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。2022-11-19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

2、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。2022-11-19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 两元件表面凸丘凸丘，形成接触斑点，几率小；两元件表面凸丘凹谷，交错咬合，形成接触斑点，几率多。2022-11-19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 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

3、粘结在一起。剪切力金属的剪切强度，相对滑动面在金属内部 接触面凸丘咬合产生的剪切力Fa 接触面塑性变形产生的剪切力Fp 接触面弹性变形产生的剪切力Fe2022-11-19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HPFHHHAAPFFFFFPFFFFPFfbbssepaepasf1A,b2022-11-19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

4、，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：变形系数0滑移系数1减压系数2膜层系数32022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损8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0.21.2之间；H为材料表面硬度；P为正向接触压力。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损9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

5、面积大。由图所示，单个峰顶接触面积由XY扩大到XY，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=1.01.5。00000011212AnsaAnsaAAA2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损10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0.61.0之间。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损11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

6、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01.0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。2022-11-19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=3A2m+(1-3)A2fm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，mf；F3A2m321(P/H)m2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损133.摩擦系数及其影响因素：为得到较小的摩擦系数，应使321m尽可能小，而使材料硬度H尽可能大。有矛盾！比如硬度H

7、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。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。HPFm1232022-11-19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

8、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2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损15金属金属硬度硬度108N/m2在空气中生长的膜厚在空气中生长的膜厚粘接程度粘接程度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2022-11-19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。2022-11-19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

9、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)0.1 5%钴0.15180代表平面运动方向单向滑动过程中滑针和平面重量变化2022-11-19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2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损34说明：若滑针与平面所用材料不同，但两者的硬度相差并不悬殊（3倍以内），则它们的滑动磨损情况与用相同的材料作为滑针材料的结果相类似。Au平面Pd滑针Au-AuPd平面Au滑针Pd-Pd 材料、尺寸和形状都相同的两接触体进行滑动时

10、，粒块可能来自接触体的任一方。一旦发生金属转移后，接受金属转移的一方就变成了滑针，相反的表面就被磨损。金属不能被冷作硬化，则不能形成粒块及擦伤平面。这是因为为了能磨损平面，粒块的硬度必须通过冷作硬化而大于平面的硬度。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损352.滑针磨损金滑针在镀金平面上的往复滑动过程 现象：若滑行方向改变，原粘在滑针上的粒块被剪切下来或成为磨粒或镶入平面。如果往复滑动在同一轨迹上，则经过多次滑行，平面上受到加工硬化，因而表面变硬，当平面硬度增大到足以擦伤滑针表面时，滑针开始被磨损，自此以后滑针迅速被磨损而平面则增加重量。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损36

11、转折点滑针开始被磨损的滑动次数称为转折点，如图。了解转折点非常重要。因为滑针与平面不同，滑针接触面积很小，一旦被磨损，其接触点处的镀层很快被磨损殆尽而暴露出基底金属。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损37 转折点的滑行次数t：d为滑道长度(cm)；P为接触压力(gf)；k为常数，对金滑针与金平面，k=17103；t为往返的单程滑行次数。Pdkt 2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损38 对粒块形成的影响因素滑动方向：单向、往返结果相似负载：增加负载促使由粒块形成到滑针磨损的转化，使转折点的滑行次数减少；滑道长度：越短，由平面磨损向滑针磨损的转化越快，转折点的滑行次数也可减少。

12、一般地，对纯金触点，当接触压力为100gf，滑道长度为1cm时，转折点次数大约为150-200次。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损393.粘结磨损VHPVHkPVHPanHanPnakanakVnkaVaHHaaa正比增加；滑行距离加大，则：又因为压力磨损体积个峰顶单位滑动距离的，磨粒的概率为每一个峰顶产生的一个的半球形体此时产生磨损就是峰顶峰顶则表面将完全滑过每个滑动距离为是硬度为每一接触面积上的压力，平均接触面积为的半球体接触时微观峰均以相同半径,3,)5(32/32)4(32)3(,2)2()(,)1(22232222022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损404.擦伤磨损

13、均由实验而定磨粒磨损系数接触对中较软材料硬度有相同形式的公式：,aaakkkHHPkV 2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损415.磨损估算镀金层的磨损实际上包括了粘结磨损和粒块的擦伤磨损。磨损体积V和磨损距离X和真实接触面积成正比：V，总磨损体积K，是一个无量纲数，称作磨损系数。和接触压力有关，P，正压力H，材料表面硬度X，滑移长度XHPKV 2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损42金镀层的K和P的关系：当压力小于4gf时，磨损系数K几乎为零，即不产生磨粒；当压力超过50gf后，磨损系数K基本为一常数，其值大约为3.110-4。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损43

14、6.影响镀金层磨损的因素 硬度：硬材料的耐磨性高于软材料的耐磨损性。原因是随着硬度的增加，将减少真实的接触面积，真实的接触面积对所有的磨损过程起着重要的作用。因此，当触点是由多层金属通过电镀或包覆而形成时，表面用硬金合金 硬度高的中间层 提高基底材料的硬度2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损44(1)AuCo合金的抗粘结磨损性比纯金的好，而纯金的抗擦伤磨损性优于AuCo合金(2)硬的中间层金属Ni对防粘结磨损和擦伤磨损的作用。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损45(a)2umAuCo/Cu；(b)3.3umAuCo/Cu；(b)2umAuCo/CuBe；(d)3.3umAu/

15、Cu2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损46(1)AuCo合金(2)镀金层厚度(3)基底金属Cu，CuBe合金对防粘结磨损和擦伤磨损的作用。表面粗糙度：表面粗糙度与磨损有关，在一定压力下，最高峰顶处易于粘结，也易于受到擦伤磨损；压力越大，磨损增加。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损472022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损48(1)粗糙度越低，磨损越小；(2)中间层镀镍后，不论粘结或擦伤磨损都会降低。电镀工艺与磨损的关系（RelationshipofWeartoPlatingProcess）脉冲电镀(PulsePlating)直流镀金比脉冲镀金硬度大，延展性小，不易粘结

16、工艺窗(ProcessWindows)只有在很窄的镀金工艺窗内，镀层才具有满意的摩擦学性能(摩擦系数u0.26)2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损49图电镀液中Co的含量、阴极电流密度、钾的含量表面数字是摩擦系数。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损507.磨损测试方法镀金层经过磨损后，作加速腐蚀实验，实验装置如图所示。将纸浸以1克分子浓度的硫化钠溶液后，置于磨损后的镀金层上，在阴极和阳极间通以电流（约10毫安左右）即在被磨穿的金镀层上出现黑色硫化铜腐蚀物CuCu+2e；Cu+S-CuS黑色。其长度大体为被磨穿的长度，在显微镜下测量黑色腐蚀物的长度（bi）之和bi，它与总滑动

17、长度之比即为磨损因数（=bi/B）。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损512022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损52一、微动的概念1.定义：由于外部振动、温度改变、电磁振荡在触点上产生一个作用力，引入小幅度运动。作用力必须大于两配合面之间的摩擦。微动摩擦系数和粘结滑动过程中金属的摩擦系数大致相同，一般在0.15-1之间，其大小取决于磨损的严重性和表面是否存在润滑剂。很大的接触压力能使微动的可能性最小化。微动对接触表面的损坏取决于微动的幅度。微动的幅度从几个微米到200微米之间。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损532.微动对电接触造成的危害金属转移、磨损产生绝缘氧化物

18、(表面镀Sn-Pb合金)微动腐蚀Pd系和Pt系金属具有催化作用，产生摩擦聚合物接触电阻增加（电子噪音），即使在微动停止后，仍保留非常高的接触电阻。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损54一、微动的概念3.研究微动的目的(Objective)研究微动降级机理触点材料特性分析操作参数对接触电阻的影响在连接器设计中对微动控制的指导使用润滑剂防止微动问题和恢复失效连接器2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损55一、微动的概念1.粘结(Stick)粘着区域大约为1m相对运动，取决于材料、触点形状及其它因素。接触表面之间的运动是由于近表面区域中接触体的弹性变形所提供的。表面的微观粗糙度发生粘

19、结，直到两接触体被分开时才会造成接触表面损坏。2.粘结滑动混合(Mixedstick-slip)中间的粘着区被环状的滑动区所包围，幅度5m相对运动，四周滑动区(可能有裂纹形成，微动疲劳，磨损碎屑)3.完全滑动(Grossslip)在每个滑动周期内，所有粘结的a-斑点都断开，并滑过相对接触体的几个微观峰顶。滑动幅度为10100m，其造成的损坏是最厉害的，会发生剥离磨损。4.往复滑动(Reciprocatingsliding)滑动幅度100200m虽然在微动时，接触表面更易出现磨屑、腐蚀物、摩擦聚合物，但是，微动和滑动在磨损、摩擦、接触电阻和为了减少故障而使用润滑剂等方面都是相同的。2022-11

20、-19第五章电触点的摩擦与磨损56图微动磨损痕迹，粘结触点的特征(a)粘结微动磨损的痕迹，Niobium,2um,1.09kg,100Hz,106cycles；(b)(a)的局部放大2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损57图18粘结滑动混合ALSI304不锈钢的微动区域,4umwipe,1.15Kg,100Hz,106cycles;2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损582)粘滞滑动的混合（蠕动）Mixedstick-slip：(a)磨损区域的横截面，表明了浅表面的塑性变形和粘结区和滑动区边界上表面裂缝的产生；(b)滑动区内磨损痕迹的放大，表明了由于表面剪切作用形成的凸缘以及凸

21、缘的初始碎裂。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损593)大滑动Grossslip：A1S1不锈钢的大滑动区域（图b是图a的放大）2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损601.微动腐蚀：当触点材料是非贵金属或催化材料（如Pt系金属），在接触界面中将出现绝缘产物，如果绝缘产物是如氧化物等无机腐蚀产物，则这种微动过程称为“微动腐蚀”。模型2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损612022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损622.微动过程中的接触电阻：系统在静止状态中的“静态”接触电阻(thesystematrest)。动态接触电阻（接触电阻的变化）(duringfrettin

22、g)；在微动过程中，其值将达到很高值，有时会达到几纳秒甚至更长时间的开路状态，这取决于微动速度、周期、触点材料、绝缘层的物理状态和厚度。在数字电路中，接触电阻的变化的实际结果是将在信号传输中产生误码。在电力连接器中静态接触电阻的升高将导致由焦耳热产生的连接故障。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损633.微动腐蚀造成接触电阻变化的机理:颗粒界面模型：微动碎屑是由金属颗粒、表面是氧化物的磨屑及完全被氧化的材料所组成。当存在金属接触或氧化物非常薄而发生电子隧道效应时，颗粒之间就会发生导电，但是这种导电是由金属和绝缘颗粒形成的“颗粒金属”的导电。若临界金属体积浓度为65，金属含量的细微变化会

23、使这种混合物的电阻率差几个数量级。相当小的位移将会改变通过触点的电流路径，而引起了短时间的接触电阻的变化。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损642022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损65镀镍表面的微动接触电阻接触压力为100gm，微动频率为每周期约300秒微动磨损区域4.现场和实验室实验方法FieldandLaboratoryTestingMethodologies运动产生(GenerationofMovement)驱动力的来源：热、机械、电磁力接触电阻测量(DeterminationofContactResistance)微动过程中间歇测量静态接触电阻微动过程中测量瞬时接触电

24、阻2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损662022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损671.相同接触材料，不形成或少量形成表面膜的金属(Identicalcontactmetals;nonfilm-forming)Au-Au；Ag-Ag接触界面很稳定，不氧化，不生成摩擦聚合物，微动电阻低2.相同基础接触材料，微动腐蚀Ni-Ni；Cu-Cu；Sn-Sn；60Sn40Pb-SnPb；Al-Al室温下自然生成的氧化膜被机械破坏，在初始的几个周期内电阻略有降低随着微动周期的增长，微动磨损颗粒的氧化和堆积使接触电阻迅速升高2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损683.相同的接触材料，表面

25、形成摩擦聚合物Pd-Pd微动促进了聚合物的形成，导致接触电阻升高用含有不发生催化反应的元素的合金来降低反应点密度从而减少聚合物生成，如钯银合金(60Pd40Ag，70Pd30Ag,30Pd70Ag)4.不同接触材料，其中一种形成膜层材料硬度较低的一方向硬度较高的一方转移，致使接触特性发生转变。表现出较低硬度材料本身配合的接触性能。(金镍,焊锡金钴合金)两种材料的硬度相似，差异小于10%，则材料转移是双向的。(铜金)2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损69图22不同材料组合的微动接触电阻特性2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损701.影响微动磨损的机械参数 微动频率：微动频率越低

26、，氧化物的厚度越大，电阻升高的越快，失效所用的周期就越小。微动距离/滑移幅度：增加摩擦距离或滑动幅度导致接触电阻快速增加，减少连接器寿命。正压力：接触压力越大，接触电阻越小且趋于稳定，能减少微动降级率。但对滑动连接器来说，接触压力不能设计得过大，否则，会产生过大的插拔力，造成接触界面严重的磨损和变形。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损712.环境（EnvironmentalEffects）：围绕触点的局部环境和微观环境对微动腐蚀影响很大。腐蚀气体污染接触界面产生膜层、微动产生的磨损碎屑腐蚀都会加速微动失效。空气中的有机气氛或电子元器件的封装结构中的塑料部件在一定条件下释放出有机气体，

27、在微动中生成摩擦聚合物，使接触失效。温度升高(60C)使接触材料(Sn)软化，增大了接触面积，可延缓微动失效。空气中相对湿度增加(由40%增加到80%)使接触表面水分子量增加，水分子起到润滑作用，减少了微动磨损，也可延长触点寿命。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损72图23温度与微动腐蚀的关系3umSn/Cu,20umtrack,10Hz,50g2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损733.温度（ThermalEffect）：若触点材料的物理特性随温度改变或接触表面涂覆有润滑剂时，温度将对微动腐蚀的程度有影响。此外，温度的升高，将使氧化速率或别的膜层形成速率增加，也将影响触点特

28、性。4.触点形状（ContactGeometry）R.Marten指出较小半径的触头在未腐蚀样品上的微动电阻略高于大半径触头，但是在有腐蚀膜的表面上，小半径触头会产生较小电阻。考虑几何形貌的影响，正应力是比正压力更好的参数。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损745.电流EffectofCurrent低压弱电流对膜层形成和接触电阻的影响较少。电力连接器通过大电流，产生烧结、焦耳热和微弧，对界面形貌、膜层形成和接触电阻影响很大。如果电场强度足够大，使膜层发生电击穿，造成表面膜层烧结，可使接触电阻降低。膜层产生的热量会造成加速氧化，甚至导致材料熔化和电气连接的损失。2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损751.影响摩擦系数的元素、降低摩擦系数的方法2.磨损的分类及各自的特点3.镀金磨损的特点4.微动磨损的特点2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损76金球形头在镀金平面上滑动，若滑动距离为1厘米，球形头施加于平面上的压力为0.5牛顿（50克），平面及球形头的镀金层厚度均为1微米。金的硬度HAu2.5108牛顿/米2，金的磨损系数为K=3.110-4，假定球形头的表面与平面之间的真实金属接触点为10，求：近似估算平面镀金层经过多少次滑动后被磨穿？2022-11-19第五章电触点的摩擦与磨损77