摘 要:AgCuV 合金導電滑環在進行超聲檢測時發現有內部缺陷的存在.采用化學成分分析、 超聲檢測、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法對 缺 陷 產 生 的 原 因 進 行 了 分 析.結 果 表 明: AgCuV 合金導電滑環經超聲檢測發現的內部缺陷是裂紋,脆性的含釩第二相與 AgCu合金基體的 結合力弱并且易碎,在應力集中處產生了微裂紋,微裂紋沿著第二相與基體結合力弱的部位擴展, 最終導致 AgCuV 合金導電滑環內部缺陷的產生.
關鍵詞:導電滑環;超聲檢測;AgCuV 合金;裂紋;元素偏析;第二相
中圖分類號:TG１４６ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００３５Ｇ０４
導電滑環是將靜止設備上的各種信號傳輸給旋 轉設備,以實現兩個相對轉動機構的圖像、數據信號 及動力傳遞的精密輸電裝置.近幾年該裝置已實現 了標準化、批量化生產,被廣泛應用于安防、工廠自 動化、電力、儀表、航空、軍事等機電設備[１Ｇ３].導電 滑環由滑環和滑絲兩個主要部分組成,其中對于滑 環,要求所用材料導電率高、導熱性能好、熔點高、電 阻溫度系數小的同時,還要具有較好的耐磨性和滑 動接觸特性[４Ｇ６].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[７],維氏硬度和抗 拉強度也較高,并且具有較低的電阻率[８Ｇ９],因此十 分適合用來制備導電滑環.
傳統的真空熔煉工藝,因熔鑄溫度高,澆鑄時縮 孔較大等特點[１０],釩很難直接熔鑄到 AgCu合金基 體中,且 熔 鑄 后 易 出 現 氣 孔、裂 紋 等 缺 陷 和 釩 在 AgCu合金基體中彌散不均等現象.導電滑環中若 存在內部缺陷,如裂紋、氣孔、夾雜等[１１],在導電滑 環的使用過程中可能會產生尖端放電或電磁干擾等 情況,影響電流的傳輸,導致信號丟失[１２Ｇ１３].隨著 導電滑環使用時間的增加,導電滑環的淺層缺陷逐 漸顯露,使得導電滑絲與導電滑環表面接觸不良,導 致導電滑環出現環火燒損事故.因此,在 AgCuV 合金導電滑環投入使用前,有必要對其進行超聲檢測,以保證導電滑環的質量.某 AgCuV 合金導電 滑環在超聲檢測時發現其內部有缺陷,筆者對其進 行了一系列檢驗及分析,以期此類缺陷不再產生.
１ 理化檢驗
１．１ 化學成分分析
依照 GB/T１５０７２．２－２００８«貴金屬合金化學分 析方法 銀合金中銀量的測定 氯化鈉電位滴定法»、 GB/T１５０７２．８－２００８«貴 金 屬 合 金 化 學 分 析 方 法 金、鈀、銀合金中銅量的測定 硫脲析出 EDTA 絡合 返滴定法»、GB/T１５０７２．１９－２００８«貴金屬合金化 學分析方法 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 等離子體原子發射光譜法»的要求,對該 AgCuV 合 金導電滑環進行化學成分分析,結果見表１.結果 表明該 AgCuV 合金導電滑環的銀、銅、釩及其他雜 質元素均符合 GJB９５３A－２００８«貴金屬及其合金 板、片、帶材規范»對 AgCuV 合金化學成分的要求.
１．２ 超聲檢測
使用 CＧSCANＧARS 型 掃 描 檢 測 系 統,依 照 GB/T２９７０－２０１６«厚 鋼 板 超 聲 檢 驗 方 法 »對 AgCuV 合金導電滑環的缺陷位置進行檢測.
AgCuV 合金導電滑環的厚度為５mm,外徑為 １２５ mm,內 徑 為 １２０ mm,其 形 狀 示 意 圖 如 圖 １ 所示.
傳統 的 手 持 接 觸 法 超 聲 檢 測,因 厚 度 ５~ １０mm板材的檢測區處在近場區范圍,很難保證得 到試樣 缺 陷 的 真 實 情 況[１４].目 前 對 于 厚 度 小 于 １０mm的板材,沒有相應的超聲波檢測國家標準,因 此也沒有相應的對比試塊.依據試塊設計原則,設 計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深度的對比試塊的平底孔反 射波進行比較,表２為設計的對比試塊的信息.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.
在超聲檢測前對試樣表面進行磨拋處理,選用 １０MHz的聚焦探頭進行水浸超聲檢測[１５],結果如 圖２所示,圖２中導電滑環上方的倒三角為焊接焊 口.將底波出現衰減的位置與導電滑環表面對應觀 察,若未有表面傷,則可判斷該位置為內部缺陷.
聯合 A 掃 曲 線,可 進 一 步 分 析 缺 陷 情 況, AgCuV 合金導電滑環的 A 掃曲線與 C 掃圖像如 圖３所示.可見 A 掃描曲線中底波衰減明顯,由此 可判斷該 AgCuV 合金導電滑環存在缺陷,并確定 了該 AgCuV 合金導電滑環的缺陷位置.
１．３ 金相檢驗
使用Zeiss型金相顯微鏡對 AgCuV 合金導電 滑環進行金相檢驗,依照 GB/T１３２９８－２０１５«金屬 顯微組織檢驗方法»進行金相試樣的制備與檢驗. 圖４為 AgCuV 合金導電滑環缺陷處的宏觀形貌.
在AgCuV合金導電滑環的缺陷處取樣,經磨拋后,置于金相顯微鏡下觀察,如圖５所示.可見裂 紋擴展方向平行于圓環表面,裂紋內部有明顯的分 叉現象,裂紋兩側不能完整地咬合在一起,且裂紋兩 側分布著較大的顆粒狀物質.
１．４ 掃描電鏡及能譜分析
使用 Hitachi型掃描電鏡(SEM)對 AgCuV 合 金導電滑環缺陷處進行分析,如圖６所示.可見裂 紋近似直線,沿著導電滑環縱向擴展且有分叉.可 以判斷此裂紋是線狀裂紋,將裂紋按 T 型分析法進 行分析,如圖６a)中所標,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 紋兩側彌散著５~１４μm 的黑色顆粒狀物質.
對裂紋兩側的顆粒狀物質進行能譜(EDS)分 析,分析結果如圖７所示.可見顆粒狀物質主要成 分是釩元素,由圖７b)還可見裂紋兩側存在釩元素 的偏析.
２ 分析與討論
AgCuV 合 金 導 電 滑 環 的 化 學 成 分 符 合 GJB ９５３A －２００８ 中 對 AgCuV 合 金 成 分 的 要 求. AgCuV 合金導電滑環內部裂紋的擴展方向并非垂 直于圓環表面,而是平行于圓環表面,裂紋內部有明 顯的分叉現象,并且裂紋的兩側不能完整地咬合在 一起.通過 C掃圖像可知,裂紋在距離焊縫較遠的 位置,不在焊縫或者熱影響區,由此可以推斷裂紋起 源于母材.裂紋兩側分布著較大的顆粒狀的物質,EDS分析顯示顆粒狀物質主要成分是釩元素,裂紋 兩側存在釩元素的偏析.
由于第二相與基體之間的結合力較弱,當受到 外力的作用時,容易在第二相和基體交界處,尤其在 第二相的尖角處產生應力集中.在應力集中處會較 早達到金屬的屈服點,引起塑性變形,當變形量超過 材料的極限變形程度,同時應力超過材料的極限強 度時便會在此處產生微裂紋.較大的第二相的存在 會使材料在很低的平均應力下產生裂紋,裂紋逐漸擴展.在均勻受力的情況下,裂紋總是沿著最小阻 力路線,即材料的薄弱環節處擴展.該 AgCuV 合 金導電滑環的裂紋就是沿著第二相與基體結合力弱 的部位擴展.
３ 結論及建議
AgCuV 合金導電滑環經超聲檢測發現的內部 缺陷是裂紋,脆性的含釩第二相與 AgCu合金基體 的結合力弱并且易碎,在應力集中處產生了微裂紋, 微裂紋沿著第二相與基體結合力弱的部位擴展,最 終導致 AgCuV 合金導電滑環內部缺陷的產生.
建議在 AgCuV 合金導電滑環澆鑄時加大冷卻 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、擠壓等粉末冶金技術來制 備 AgCuV 合金導電滑環.
參考文獻:
[１] 馬紅濤,吳昊,楊穩競．船載雷達導電滑環單路異常 排查及應 急 策 略 [J]．精 密 制 造 與 自 動 化,２０１８,４７ (１):１Ｇ３．
[２] 謝明,楊有才,黎玉盛,等．常用銀基電工觸頭材料及 無鎘新材料的開發[J]．貴金屬,２００６,２７(４):６１Ｇ６６．
[３] 郭治軍,鐘江英,戴長軍．淺談接觸電阻對導電滑環 的影響[J]．科技資訊,２０１８,１６(８):８５Ｇ８６．
[４] 耿星．精密導電滑環制造工藝方法及性能研究[D]． 大連:大連理工大學,２０１５．
[５] 盧錦明,邢立華,李耀娥,等．精密導電滑環的關鍵技 術及發展趨勢[J]．導航與控制,２０１５,１４(１):２０Ｇ２６．
[６] 周文韜．導電滑環的接觸力學特征與磨損壽命分析 [D]．湘潭:湘潭大學,２０１４．
[７] 龔東軍,肖春華,趙慶來．多環路精密導電滑環自動 化檢測系統設計開發[J]．科技創新與應用,２０１６,６ (１０):２０Ｇ２１．
[８] 申利鳳,曹艷彬．刀剪材料６Cr１３不銹鋼板冷軋后出 現微 裂 紋 的 原 因 分 析 [J]．理 化 檢 驗 (物 理 分 冊), ２０１７,５３(１２):９０４Ｇ９０８．
[９] 黃培云．粉末冶金原理[M]．北京:冶金工業出版社, １９９７．
[１０] 王新,徐成海,張楊．真空鑄造技術的研究現狀[J]．真 空,２００５,４２(１):６Ｇ１０．
[１１] 陳永泰,謝明,楊有才,等．粉末冶金銀銅釩合金的組 織與性能研究[J]．電工材料,２０１０,３８(１):２０Ｇ２２．
[１２] 丁健翔,孫正明,張培根,等．Ag基 觸 頭 材 料 的 研 究 現狀與展望[J]．材料導報,２０１８,３２(１):５８Ｇ６６．
[１３] 陳永泰,謝明,楊有才,等．銀銅釩合金耐磨損性能研 究[J]．貴金屬,２０１０,３１(１):１７Ｇ２０．
[１４] 陳麗君,馬振波,陳小新．６~１０mm 厚鋁合金板材超 聲波探傷方法的研究[J]．輕合金加工技術,２００５,３３ (６):３５Ｇ３７．
[１５] 陳全明．金屬材料及強化技術[M]．上海:同濟大學出 版社,１９９２．
[１６] 夏曉健,張孔林,林德源．電流互感器鋁合金法蘭開 裂失效分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１７,５３(１０): ７５４Ｇ７５６．