彭 杰

（芜湖天航装备技术有限公司，芜湖 241000）

1 引言

浸银石墨电刷综合利用了银的优良导电性能和石墨的自润滑特点，采用先进的热等静压设备，在高温、高压下，将金属银高效浸渍到石墨刷体的孔隙中[1]。由于银含量高且假比重小，在高速集电环上运行时具有良好的跟随性，因此受到广泛关注。电刷在滑动接触过程中的摩擦磨损，实际取决于机械、电气、化学和电解的多种因素。其摩擦系数与接触元件的表面状况、环境温度和湿度、电流密度、弹簧压力等各方面因素都有关联[2-3]。本文从摩擦学的角度，分析了各方面因素对浸银石墨使用寿命的影响。

2 浸银石墨电刷的制备流程

浸银石墨电刷采用天然鳞片石墨为主体加入木粉等造孔剂，用高温沥青作为粘结剂，经混合、成型、焙烧、半石墨化等工序制备石墨电刷基体。再利用先进的热等静压设备，在高温、高压下将金属银浸渍到石墨电刷基体内，银含量可达60%～80%。

3 影响浸银电刷使用寿命的关键因素

3.1 环境介质对电刷和集电滑环的相互作用

电刷和集电滑环的表面是由不同物理特性的外表面层和内表面层所组成。外表面层主要是由于物理吸附、化学吸附的气体分子层和金属的表面氧化层所组成。暴露在空气中的一切物体都被一层水膜所覆盖，水膜的厚度随物体的性质和空气的湿度不同而异，一般都在10 ～100nm，这层水膜在电场作用下被电解，阴极游离出氢，阳极游离出氧，氧使金属银和铜发生氧化而生成氧化膜。环境介质中的有害气氛例如硫对金属银产生腐蚀作用。

3.2 电刷与集电环之间的相互作用

电刷的接触摩擦：在摩擦过程中，石墨具有降低摩擦系数和润滑的功能。这是由石墨的晶体结构所决定，在平面层之间具有较低的结合能，在较小剪切应力的作用下，就容易使石墨沿晶面滑移，剥离下来的石墨在洁净表面具有很强的吸附能力，牢牢地吸附在铜集电滑环的表面，石墨还能吸收空气中水分，形成一层石墨水膜，具有良好的润滑作用，从而使得集电环和电刷之间的摩擦发生在润滑层之间，形成边界润滑。在DC 短路换向器上测得浸银石墨电刷的摩擦系数为0.19，它与人造石墨电刷的摩擦系数相近，表明浸银石墨电刷具有低的摩擦，在其它条件相同的情况下，电刷的摩擦系数仅仅与材质及其显微组织结构有关。

摩擦理论把金属的介面摩擦归因于金属结点的形成。电刷在集电环表面滑动接触，在综合应力的作用下，电刷中银发生了塑性变形，并在石墨颗粒表面延展，增加了电刷与集环之间的接触面，并产生了结点生长现象，银被焊接在铜集电环表面，会产生相高的摩擦。但由于石墨的润滑作用，使得这种结点生成的能力减弱，从而减少了银和铜之间的粘着作用。

3.3 过渡层与电刷和集电环之间的相互作用

在电刷与集电环的接触之间存在一个过渡层区，在此区域中瞬间变化的电阻值受到很大的影响，在这个薄层狭小空间里存在着大量被剥落下来的炭粉、金属微粒和空气中的尘埃以及形成的水膜。过渡层和集电环表面氧化膜的形成对平衡摩擦、磨损以及电流的传导等都起着极其重要的作用[4]。

4 各种磨损过程分析

根据电刷磨损的物理过程，从现有的各种观点认为，电刷的磨损乃是接触元件之间动力相互作用的结果，从而改变了它们之间的接触表面状况，使得接触表面发生了质变过程，下面就针对电刷的磨损现象进行简单的分析。

4.1 电刷的电气磨损

电刷在整个滑动接触过程中都是在电流的作用下进行的。当电流通过时，电流仅集中在电刷表面很小的接触区面积上，而使得局部发热，电刷表面的温度升高，导致电刷表面的颗粒结合强度减弱或氧化，引起接触材料表面颗粒脱落。除电流的作用外，还与电刷材质有关，浸银石墨电刷在磨损接触过程中，在正电刷的接触区和负电刷下的集电环表面都生成了金属颗粒和氧化物，而产生了磨粒磨损，因此正电刷的磨损大于负电刷。

4.2 电刷的机械磨损

电刷的机械磨损本身是一种复杂现象，机械作用主要是通过四种磨损机理来破坏接触元件表面颗粒之间的联接。分别是：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳、摩擦氧化。这四种磨损很少单独出现，它们可能同时起作用或交替发生作用。

粘着磨损一般发生在电刷滑动接触的早期，电刷中的银相在集电环的铜表面产生金属结点焊合发生材料转移，当形成过渡层的润滑膜后，这种粘着磨损作用就会逐渐减弱。磨粒磨损又分为划伤磨损和研压磨损，在电刷整个滑动接触过程中都起作用。表面疲劳大都发生在电刷工作的晚期，电刷在运行过程中，长期处于交变机械负荷的作用下，交变负荷引起电刷的显微组织结构的变化，裂纹的形成和扩展，最后导致石墨和银颗粒的脱落，而形成表面凹坑和麻点。磨粒磨损和表面疲劳的主要区别在于：磨粒磨损只要受一次摩擦负荷的作用就可能产生磨屑，而表面疲劳要经过较长的潜伏期后才发生磨屑，它的危害性大，一旦发生表面疲劳，裂纹扩展速度加快，引起石墨颗粒和银的脱落，电刷有可能会造成严重的损伤和破坏。摩擦氧化主要是在电接触传导过程中作用比较明显，在电流的作用下，电刷和集电环的接触表面上温度升高，导致金属氧化和石墨颗粒脱落。另一方面，由于摩擦氧化，使集电环表面铜的氧化膜进一步增厚，而容易被电刷磨损清除掉，又建立了一层新的氧化膜。因此，集电环表面的氧化膜在电机的运行过程中是不断的形成，又不断的遭到破坏，始终处于动态平衡之中[5]，才能保证电机的正常运行。

5 结论

综上所述，浸银电刷寿命主要与滑动接触时，电刷、集电环、环境介质和过渡层相互作用有关，浸银电刷吸收空气中的水分，形成一层水膜，具有良好的润滑作用，磨损脱落后吸附在集电环的表面形成过渡层，使电刷和集电环之间的摩擦发生在润滑膜之间，形成边界润滑，减少了磨损。

浸银电刷在磨损过程中存在四种磨损状态：粘着磨损，磨粒磨损，摩擦氧化，表面疲劳。它们是共同交替发生作用，并且在不同的时期，作用效果亦不同。粘着磨损发生在电刷接触的早期，表面疲劳在晚期比较明显，而磨粒磨损和摩擦氧化在电刷整个滑动接触过程中都起作用。电气磨损使机械磨损增加。