AgCuV合金導電滑環內部缺陷產生原因分析

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

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[1-3]。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[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[12-13]。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/T 15072.2-2008《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/T 15072.8-2008《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/T 15072.19-2008《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》、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GJB 953A-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。

表1 AgCuV合金導電滑環的化學成分(質量分數)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，依照GB/T 2970-2016《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5 mm，外徑為125 mm，內徑為120 mm，其形狀示意圖如圖1所示。

圖1 AgCuV合金導電滑環示意圖Fig.1 Diagram of AgCuV alloy conductive slip ring

傳統的手持接觸法超聲檢測，因厚度5～10 mm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10 mm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。

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。

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

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。

圖3 AgCuV合金導電滑環的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合金導電滑環進行金相檢驗，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。

圖4 AgCuV合金導電滑環缺陷處宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of defects of AgCuV alloy conductive slip ring

圖5 AgCuV合金導電滑環裂紋微觀形貌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100 mm，在裂紋兩側彌散著5～14 μm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。

圖6 AgCuV合金導電滑環裂紋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EDS分析結果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。