AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)部缺陷產(chǎn)生原因分析

(1. 北京有色金屬與稀土應(yīng)用研究所, 北京 100012; 2. 北京市電子信息用新型釬焊材料工程技術(shù)研究中心, 北京 100012)

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，以實現(xiàn)兩個相對轉(zhuǎn)動機構(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、軍事等機電設(shè)備[1-3]。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[4-6]。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[8-9]，因此十分適合用來制備導(dǎo)電滑環(huán)。

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[10]，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[11]，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[12-13]。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，有必要對其進行超聲檢測，以保證導(dǎo)電滑環(huán)的質(zhì)量。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，筆者對其進行了一系列檢驗及分析，以期此類缺陷不再產(chǎn)生。

1 理化檢驗

1.1 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》、GJB 950A.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)進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。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GJB 953A-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。

表1 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of AgCuV alloy conductive slip ring (mass fraction) %

1.2 超聲檢測

使用C-SCAN-ARS型掃描檢測系統(tǒng)，依照GB/T 2970-2016《厚鋼板超聲檢驗方法》對AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷位置進行檢測。

AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的厚度為5 mm，外徑為125 mm，內(nèi)徑為120 mm，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Fig.1 Diagram of AgCuV alloy conductive slip ring

傳統(tǒng)的手持接觸法超聲檢測，因厚度5～10 mm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情況[14]。目前對于厚度小于10 mm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)計原則，設(shè)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(yīng)深度的對比試塊的平底孔反射波進行比較，表2為設(shè)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(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Tab.2 Comparing block information mm

在超聲檢測前對試樣表面進行磨拋處理，選用10 MHz的聚焦探頭進行水浸超聲檢測[15]，結(jié)果如圖2所示，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。

圖2 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的底波C掃圖像Fig.2 The bottom wave C-scan image of AgCuV alloy conductive slip ring

聯(lián)合A掃曲線，可進一步分析缺陷情況，AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的A掃曲線與C掃圖像如圖3所示?？梢夾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。

圖3 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的A掃曲線與C掃圖像Fig.3 A-scan curve and C-scan image of AgCuV alloy conductive slip ring

1.3 金相檢驗

使用Zeiss型金相顯微鏡對AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)進行金相檢驗，依照GB/T 13298-2015《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(dǎo)電滑環(huán)缺陷處的宏觀形貌。

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。可見裂紋擴展方向平行于圓環(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)。

圖4 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)缺陷處宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of defects of AgCuV alloy conductive slip ring

圖5 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)裂紋微觀形貌Fig.5 Micro morphology of cracks of AgCuV alloy conductive slip ring:a) crack Ⅰ; b) crack Ⅱ; c) crack Ⅲ; d) crack Ⅳ; e) crack Ⅴ; f) crack Ⅵ

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(dǎo)電滑環(huán)缺陷處進行分析，如圖6所示?？梢娏鸭y近似直線，沿著導(dǎo)電滑環(huán)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(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100 mm，在裂紋兩側(cè)彌散著5～14 μm的黑色顆粒狀物質(zhì)。

對裂紋兩側(cè)的顆粒狀物質(zhì)進行能譜(EDS)分析，分析結(jié)果如圖7所示。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。

2 分析與討論

AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)的化學(xué)成分符合GJB 953A-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。

圖6 AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)裂紋SEM形貌Fig.6 SEM morphology of cracks of AgCuV alloy conductive slip ring:a) the whole of cracks; b) the middle of main crack; c) the tail of main crack; d) the end of secondary crack; e) the middle of secondary crack; f) the tail of secondary crack

圖7 顆粒狀物質(zhì)EDS分析結(jié)果Fig.7 EDS analysis result of granular materials:a) EDS analysis results; b) surface scanning image of cracks

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，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)合力弱的部位擴展。

3 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)。