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導(dǎo)電滑環(huán)

 

導(dǎo)電滑環(huán)是將靜止設(shè)備上的各種信號傳輸給旋轉(zhuǎn)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)兩個相對轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的圖像、數(shù)據(jù)信號及動力傳遞的精密輸電裝置。近幾年該裝置已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)，被廣泛應(yīng)用于安防、工廠自動化、電力、儀表、航空、軍事等機(jī)電設(shè)備。

 

導(dǎo)電滑環(huán)由滑環(huán)和滑絲兩個主要部分組成，其中對于滑環(huán)，要求所用材料導(dǎo)電率高、導(dǎo)熱性能好、熔點(diǎn)高、電阻溫度系數(shù)小的同時，還要具有較好的耐磨性和滑動接觸特性。

 

AgCuV合金是銀基含銅和釩的三元合金，具有較好的塑性加工能力，維氏硬度和抗拉強(qiáng)度也較高，并且具有較低的電阻率，因此十分適合用來制備導(dǎo)電滑環(huán)。

 

工藝問題

 

傳統(tǒng)的真空熔煉工藝，因熔鑄溫度高，澆鑄時縮孔較大等特點(diǎn)，釩很難直接熔鑄到AgCu合金基體中，且熔鑄后易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷和釩在AgCu合金基體中彌散不均等現(xiàn)象。導(dǎo)電滑環(huán)中若存在內(nèi)部缺陷，如裂紋、氣孔、夾雜等，在導(dǎo)電滑環(huán)的使用過程中可能會產(chǎn)生尖端放電或電磁干擾等情況，影響電流的傳輸，導(dǎo)致信號丟失。隨著導(dǎo)電滑環(huán)使用時間的增加，導(dǎo)電滑環(huán)的淺層缺陷逐漸顯露，使得導(dǎo)電滑絲與導(dǎo)電滑環(huán)表面接觸不良，導(dǎo)致導(dǎo)電滑環(huán)出現(xiàn)環(huán)火燒損事故。因此，在AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)投入使用前，有必要對其進(jìn)行超聲檢測，以保證導(dǎo)電滑環(huán)的質(zhì)量。

 

事故背景

 

某AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)在超聲檢測時發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部有缺陷，筆者對其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)及分析，以期此類缺陷不再產(chǎn)生。

 

理化檢驗(yàn)

 

01化學(xué)成分分析

 

依照GB/T 15072.2－2008«貴金屬合金化學(xué)分析方法 銀合金中銀量的測定 氯化鈉電位滴定法»、GB/T 15072.8－2008«貴金屬合金化學(xué)分析方法金、鈀、銀合金中銅量的測定硫脲析出EDTA絡(luò)合返滴定法»、GB/T 15072.19－2008«貴金屬合金化學(xué)分析方法銀合金中釩和鎂量的測定電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法»、GJB950A.1－2008«貴金屬及其合金微量元素分析方法第1部分:電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法»的要求，對該AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

 

表1 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

 

結(jié)果表明該AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的銀、銅、釩及其他雜質(zhì)元素均符合GJB953A－2008«貴金屬及其合金板、片、帶材規(guī)范»對AgCuV合金化學(xué)成分的要求。

 

02超聲檢測

 

使用C-SCAN-ARS型掃描檢測系統(tǒng)，依照GB/T 2970－2016«厚鋼板超聲檢驗(yàn)方法»對AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷位置進(jìn)行檢測。AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的厚度為5mm，外徑為125mm，內(nèi)徑為120mm，其形狀示意圖如圖1所示。

圖1 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)示意圖

 

傳統(tǒng)的手持接觸法超聲檢測，因厚度5~10mm板材的檢測區(qū)處在近場區(qū)范圍，很難保證得到試樣缺陷的真實(shí)情況。目前對于厚度小于10mm的板材，沒有相應(yīng)的超聲波檢測國家標(biāo)準(zhǔn)，因此也沒有相應(yīng)的對比試塊。依據(jù)試塊設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了與被檢測試樣具有相同聲程的試塊，然后對試樣的缺陷反射波與對應(yīng)深度的對比試塊的平底孔反射波進(jìn)行比較，表2為設(shè)計(jì)的對比試塊的信息。對比試塊與被檢測試樣具有相同的表面狀態(tài)和厚度，使用與被檢測試樣相同的材料制備，除人工缺陷外再無其他缺陷。

 

表2 對比試塊信息mm

 

在超聲檢測前對試樣表面進(jìn)行磨拋處理，選用10MHz的聚焦探頭進(jìn)行水浸超聲檢測，結(jié)果如圖2所示，

 

圖2 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的底波C掃圖像

 

圖2中導(dǎo)電滑環(huán)上方的倒三角為焊接焊口。將底波出現(xiàn)衰減的位置與導(dǎo)電滑環(huán)表面對應(yīng)觀察，若未有表面?zhèn)?，則可判斷該位置為內(nèi)部缺陷。聯(lián)合A掃曲線，可進(jìn)一步分析缺陷情況，AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的A掃曲線與C掃圖像如圖3所示。

 

圖3 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的A掃曲線與C掃圖像

 

可見A掃描曲線中底波衰減明顯，由此可判斷該AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)存在缺陷，并確定了該AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷位置。

 

03金相檢驗(yàn)

 

使用Zeiss型金相顯微鏡對AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)進(jìn)行金相檢驗(yàn)，依照GB/T 13298－2015«金屬顯微組織檢驗(yàn)方法»進(jìn)行金相試樣的制備與檢驗(yàn)。圖4為AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)缺陷處的宏觀形貌。

 

圖4 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)缺陷處宏觀形貌

 

在AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷處取樣，經(jīng)磨拋后，置于金相顯微鏡下觀察，如圖5所示。

 

圖5 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)裂紋微觀形貌

 

可見裂紋擴(kuò)展方向平行于圓環(huán)表面，裂紋內(nèi)部有明顯的分叉現(xiàn)象，裂紋兩側(cè)不能完整地咬合在一起，且裂紋兩側(cè)分布著較大的顆粒狀物質(zhì)。

 

04、掃描電鏡及能譜分析

 

使用Hitachi型掃描電鏡(SEM)對AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)缺陷處進(jìn)行分析，如圖6所示。

 

圖6 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)裂紋SEM形貌

 

可見裂紋近似直線，沿著導(dǎo)電滑環(huán)縱向擴(kuò)展且有分叉。可以判斷此裂紋是線狀裂紋，將裂紋按T型分析法進(jìn)行分析，如圖6a)中所標(biāo)，A為主裂紋，B和C為二次裂紋，O為裂紋源。裂紋全長約為100mm，在裂紋兩側(cè)彌散著5~14μm的黑色顆粒狀物質(zhì)。對裂紋兩側(cè)的顆粒狀物質(zhì)進(jìn)行能譜(EDS)分析，分析結(jié)果如圖7所示。

 

圖7 顆粒狀物質(zhì)EDS分析結(jié)果

 

可見顆粒狀物質(zhì)主要成分是釩元素，由圖7b)還可見裂紋兩側(cè)存在釩元素的偏析。

 

分析討論

 

AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的化學(xué)成分符合GJB953A－2008中對AgCuV合金成分的要求。AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展方向并非垂直于圓環(huán)表面，而是平行于圓環(huán)表面，裂紋內(nèi)部有明顯的分叉現(xiàn)象，并且裂紋的兩側(cè)不能完整地咬合在一起。通過C掃圖像可知，裂紋在距離焊縫較遠(yuǎn)的位置，不在焊縫或者熱影響區(qū)，由此可以推斷裂紋起源于母材。裂紋兩側(cè)分布著較大的顆粒狀的物質(zhì)，EDS分析顯示顆粒狀物質(zhì)主要成分是釩元素，裂紋兩側(cè)存在釩元素的偏析。

 

由于第二相與基體之間的結(jié)合力較弱，當(dāng)受到外力的作用時，容易在第二相和基體交界處，尤其在第二相的尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中處會較早達(dá)到金屬的屈服點(diǎn)，引起塑性變形，當(dāng)變形量超過材料的極限變形程度，同時應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度時便會在此處產(chǎn)生微裂紋。較大的第二相的存在會使材料在很低的平均應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展。在均勻受力的情況下，裂紋總是沿著最小阻力路線，即材料的薄弱環(huán)節(jié)處擴(kuò)展。該AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的裂紋就是沿著第二相與基體結(jié)合力弱的部位擴(kuò)展。

 

結(jié)論及建議

 

AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)經(jīng)超聲檢測發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷是裂紋，脆性的含釩第二相與AgCu合金基體的結(jié)合力弱并且易碎，在應(yīng)力集中處產(chǎn)生了微裂紋，微裂紋沿著第二相與基體結(jié)合力弱的部位擴(kuò)展，最終導(dǎo)致AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。

 

建議在AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)澆鑄時加大冷卻速率，使釩元素均勻分散在AgCu合金基體中；或者采用冷等靜壓、真空燒結(jié)、擠壓等粉末冶金技術(shù)來制備AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)。

 

作者：韓天棋，工程師，北京有色金屬與稀土應(yīng)用研究所