摘 要:AgCuV 合金導(dǎo)電滑環(huán)在進(jìn)行超聲檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)有內(nèi)部缺陷的存在.采用化學(xué)成分分析、 超聲檢測、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法對 缺 陷 產(chǎn) 生 的 原 因 進(jìn) 行 了 分 析.結(jié) 果 表 明: 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.

關(guān)鍵詞:導(dǎo)電滑環(huán);超聲檢測;AgCuV 合金;裂紋;元素偏析;第二相

中圖分類號(hào):TG１４６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００３５Ｇ０４

導(dǎo)電滑環(huán)是將靜止設(shè)備上的各種信號(hào)傳輸給旋 轉(zhuǎn)設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相對轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的圖像、數(shù)據(jù)信號(hào) 及動(dòng)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(dòng)化、電力、儀表、航空、軍事等機(jī)電設(shè)備[１Ｇ３].導(dǎo)電 滑環(huán)由滑環(huán)和滑絲兩個(gè)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(shí),還要具有較好的耐磨性和滑 動(dòng)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(qiáng)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(dǎo)電滑環(huán).

傳統(tǒng)的真空熔煉工藝,因熔鑄溫度高,澆鑄時(shí)縮 孔較大等特點(diǎn)[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(huì)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(hào)丟失[１２Ｇ１３].隨著 導(dǎo)電滑環(huán)使用時(shí)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.某 AgCuV 合金導(dǎo)電 滑環(huán)在超聲檢測時(shí)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.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 化學(xué)成分分析

依照 GB/T１５０７２．２－２００８«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/T１５０７２．８－２００８«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/T１５０７２．１９－２００８«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.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.

１．２ 超聲檢測

使用 CＧSCANＧARS 型 掃 描 檢 測 系 統(tǒng),依 照 GB/T２９７０－２０１６«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 １２５ mm,內(nèi) 徑 為 １２０ mm,其 形 狀 示 意 圖 如 圖 １ 所示.

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[１４].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.

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[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.

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.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.

１．３ 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/T１３２９８－２０１５«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.

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(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).

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(jìn)行分析,如圖６所示.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.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(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(shí),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(huì)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(shí)應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng) 度時(shí)便會(huì)在此處產(chǎn)生微裂紋.較大的第二相的存在 會(huì)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.

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(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(shí)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).

參考文獻(xiàn):

[１] 馬紅濤,吳昊,楊穩(wěn)競．船載雷達(dá)導(dǎo)電滑環(huán)單路異常 排查及應(yīng) 急 策 略 [J]．精 密 制 造 與 自 動(dòng) 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(fā)[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(dǎo)電滑環(huán) 的影響[J]．科技資訊,２０１８,１６(８):８５Ｇ８６．

[４] 耿星．精密導(dǎo)電滑環(huán)制造工藝方法及性能研究[D]． 大連:大連理工大學(xué),２０１５．

[５] 盧錦明,邢立華,李耀娥,等．精密導(dǎo)電滑環(huán)的關(guān)鍵技 術(shù)及發(fā)展趨勢[J]．導(dǎo)航與控制,２０１５,１４(１):２０Ｇ２６．

[６] 周文韜．導(dǎo)電滑環(huán)的接觸力學(xué)特征與磨損壽命分析 [D]．湘潭:湘潭大學(xué),２０１４．

[７] 龔東軍,肖春華,趙慶來．多環(huán)路精密導(dǎo)電滑環(huán)自動(dòng) 化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)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(xiàn)微 裂 紋 的 原 因 分 析 [J]．理 化 檢 驗(yàn) (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(yè)出版社, １９９７．

[１０] 王新,徐成海,張楊．真空鑄造技術(shù)的研究現(xiàn)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(xiàn)狀與展望[J]．材料導(dǎo)報(bào),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(shù),２００５,３３ (６):３５Ｇ３７．

[１５] 陳全明．金屬材料及強(qiáng)化技術(shù)[M]．上海:同濟(jì)大學(xué)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(yàn)(物理分冊),２０１７,５３(１０): ７５４Ｇ７５６．

<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>56卷>2期(pp:35-38)>