電氣與腐蝕試驗對銅覆鋼接地材料性能的影響分析

（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102209）

銅覆鋼材料是以鋼作為芯體鋼芯表面被銅層連續(xù)包覆形成的新型金屬復(fù)合材料。銅覆鋼的生產(chǎn)工藝主要有水平連鑄、電鍍和套管冷拉3種方式。目前在變電站接地網(wǎng)中大量使用銅覆鋼作為接地材料，其特點主要有導(dǎo)電性能良好、抗腐蝕性能強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、綜合性能高、成本低等優(yōu)點。由于接地材料長期暴露在腐蝕環(huán)境中，表面銅層會因腐蝕而變薄，同時要承受季節(jié)天氣變換帶來的溫濕交替的影響。在變動站運行過程中要求接地材料耐大電流沖擊，熱穩(wěn)定性高。因此，有必要對各個因素對銅覆鋼接地材料性能造成的影響進(jìn)行研究，以考核接地材料質(zhì)量，為變電站接地網(wǎng)對銅覆鋼材料的質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計施工和使用等提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗選擇3根直徑為14mm，長度為0.8米的銅覆鋼圓鋼作試樣，

1.2 試驗設(shè)備

PC36C直流電阻測量儀、SHT4206微機(jī)控制電液伺服萬能材料試驗機(jī)、SDJ404FA高低溫濕交變試驗箱、SDDL-25000大電流試驗臺、F200精密測溫儀、BX51M金相顯微鏡等。

1.3 試驗方案

依據(jù)DL/T 1312-2013標(biāo)準(zhǔn)，模擬銅覆鋼圓鋼實際使用環(huán)境對試樣按順序進(jìn)行電流—溫度循環(huán)試驗、冰凍—融化試驗、中性鹽霧腐蝕試驗、工頻大電流試驗，整個試驗過程稱為電氣與腐蝕試驗。每個試驗前后測量試樣電阻，整個試驗結(jié)束后對試樣的橫截面組織進(jìn)行觀察，并進(jìn)行拉伸試驗。

（1）電流—溫度循環(huán)試驗

將試樣和大電流試驗臺連接成回路，調(diào)整電流使試樣溫度逐漸升高并穩(wěn)定在350℃±10℃，保溫1小時后關(guān)閉電流使試樣冷卻到室溫再進(jìn)行下一個循環(huán)，共進(jìn)行25次電流—溫度循環(huán)試驗。試驗結(jié)束后將試樣冷卻至環(huán)境溫度，然后測試電阻值。

（2）冰凍—融化試驗

將進(jìn)行電流—溫度循環(huán)試驗后的試樣進(jìn)行冰凍—融化試驗。將試樣放入盛水的容器中，水淹沒試樣并且使水面高出試樣25mm。將容器放置在高低溫濕交變試驗箱中，先將試驗冷卻到-10℃以下保溫4小時，然后升溫到20℃以上保溫4小時，共進(jìn)行10次冰凍—融化試驗。試驗結(jié)束后將試樣干燥并恢復(fù)到室溫后測試電阻值。

（3）中性鹽霧腐蝕試驗

將冰凍—融化試驗后的試樣進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗。依據(jù)GB/T10125進(jìn)行500小時中性鹽霧腐蝕試驗，試驗結(jié)束后沖洗試樣然后烘干，冷卻到室溫后測試電阻值。

（4）工頻大電流試驗

將鹽霧試驗后的試樣進(jìn)行工頻大電流試驗。模擬故障電流沖擊，將試樣與大電流試驗臺連接組成回路，對試樣施加熔化電流值的90%，時間10s。樣品冷卻到100℃以后再進(jìn)行下一次試驗，共進(jìn)行3次試驗。試驗結(jié)束后將試樣冷卻到室溫測試電阻值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗數(shù)據(jù)

（1）電阻值

試樣電阻值測試數(shù)據(jù)如表1，試樣經(jīng)過電流—溫度循環(huán)試驗后電阻值變小-0.2%；經(jīng)過冰凍—融化試驗后電阻值增加0.2%；經(jīng)過中性鹽霧腐蝕試驗后電阻值增加0.5%；經(jīng)過工頻大電流試驗后電阻值變?。蝗吭囼灲Y(jié)束后電阻值較試驗前增加0.5%。

表1 試驗電阻值

（2）力學(xué)性能

試樣經(jīng)過全部試驗后抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有明顯下降（見表2），試驗前試驗拉伸曲線未出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象（見圖1），試樣斷裂在夾持部分附近；經(jīng)過試驗后試樣拉伸出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象（見圖2），斷裂位置在試樣中部。

表2 抗拉強(qiáng)度值

圖1 試樣未經(jīng)電氣與腐蝕試驗拉伸試驗曲線

圖2 試樣經(jīng)電氣與腐蝕試驗后拉伸試驗曲線

（3）顯微組織

試樣未經(jīng)試驗前組織是由多邊形鐵素體和少量珠光體組成，且珠光體成塊狀分布于鐵素體晶界處（見圖3），珠光體含量約為14%，鐵素體晶粒度為7.5級；試驗后組織為鐵素體和珠光體（見圖4），珠光體含量明顯增多達(dá)到20%，鐵素體晶粒度為7.0級。

圖3 試驗前鋼芯金相顯微組織

圖4 試驗后鋼芯金相顯微組織

2.2 討論

（1）電阻值變化分析

銅覆鋼接地材料是低碳鋼鋼芯表面鍍銅或者由低碳鋼和銅連鑄連軋制作而成，本次試驗試樣是由連鑄連軋而成的復(fù)合材料。試樣的電阻由銅層和鋼基體共同作用決定。銅的導(dǎo)電率較高，電阻值小，而低碳鋼的導(dǎo)電率較低，銅覆鋼的銅層要求不低于0.25mm，導(dǎo)電率≥15%。影響金屬材料的導(dǎo)電性的因素有很多，包括溫度、受力情況、冷加工、晶體缺陷、熱處理等。銅覆鋼原材由于冷加工變形，晶體內(nèi)部存在缺陷從而使其電阻增加。試樣經(jīng)過電流—溫度循環(huán)試驗，表面銅層氧化脫落，使試樣電阻增大；同時芯部鋼芯由于經(jīng)歷回火過程，內(nèi)應(yīng)力降低，組織更加均勻，電阻減小，兩種因素共同作用下使試樣的電阻值有少量降低。

冰凍—融化試驗中試樣長時間在水中浸泡，并反復(fù)經(jīng)過收縮和膨脹的過程，試樣表面銅層繼續(xù)脫落，同時表面銅層出現(xiàn)一定的腐蝕現(xiàn)象，這樣使試樣的電阻值增大。中性鹽霧腐蝕試驗，試樣表面加速腐蝕，形成大量的腐蝕產(chǎn)物，電阻值有較大增加。工頻大電流試驗使樣品表面的銅層大量氧化脫落，因此試樣的電阻增大。

（2）力學(xué)性能變化分析

銅覆鋼材料是由低碳鋼芯和銅層組成的復(fù)合材料，其力學(xué)性能主要由鋼芯決定。金屬的室溫拉伸曲線可以分為彈性變形階段和塑性變形階段，彈性變形階段呈現(xiàn)為直線關(guān)系，符合胡克定律；當(dāng)施加的應(yīng)力超過材料的彈性極限后進(jìn)入塑性變形階段。低碳鋼在室溫拉伸時，首先發(fā)生彈性變形，接著是一個特別的流動平臺，因此低碳鋼室溫拉伸具有明顯的屈服點。

明顯屈服點現(xiàn)象和材料的純度以及試驗溫度有關(guān)。非常純的a-Fe在拉伸時并沒有明顯的屈服現(xiàn)象，但只要a-Fe中含義微量雜質(zhì)（如0.04%的C元素），就會出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象。隨著溫度的升高，屈服極限急劇降低，明顯屈服現(xiàn)象也消失。

此外流動帶和應(yīng)變時效現(xiàn)象也與明顯屈服點現(xiàn)象密切相關(guān)。流動帶是光滑的體心立方金屬試樣在拉伸后表面出現(xiàn)的斜線，大致與拉伸方向成45°角。由于晶體在屈服階段的變形很不均勻，低碳鋼進(jìn)行室溫拉伸時變形并不是同時進(jìn)行的，首先在夾持端附近先發(fā)生塑性變形，該區(qū)域晶體不斷流動直至顯著硬化，然后引起相鄰區(qū)域應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形。因此銅覆鋼原材料在拉伸試驗時很容易在夾持端斷裂。試樣經(jīng)過電流—溫度循環(huán)試驗和工頻大電流沖擊試驗后，試樣中部的強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降，因此屈服在中部發(fā)生，斷裂位置一般出現(xiàn)在試樣中部。

在室溫環(huán)境下進(jìn)行拉伸試驗時，在低碳鋼試樣產(chǎn)生少量預(yù)變形后卸載應(yīng)力，然后重新加載進(jìn)行試驗時，試樣不會發(fā)生屈服現(xiàn)象。但是將試樣在低溫時效幾個小時后再進(jìn)行拉伸試驗，就會重新出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。這是由于位錯和溶質(zhì)原子相互作用造成的。拉伸試驗時，試樣受到外力的作用，位錯逐漸擺脫溶質(zhì)原子的釘扎，宏觀表現(xiàn)為屈服。若試樣產(chǎn)生預(yù)變形后卸載再進(jìn)行拉伸試驗，由于溶質(zhì)原子不能很快重新聚集到位錯周圍形成釘扎，屈服現(xiàn)象消失，在經(jīng)過低溫時效后溶質(zhì)原子C會重新形成氣團(tuán)對位錯釘扎。

本次試驗中，由于銅覆鋼原材料經(jīng)過加工硬化，拉伸試驗時屈服現(xiàn)象消失，未出現(xiàn)明顯的屈服點；試樣經(jīng)過電流—溫度循環(huán)試驗后，由于試樣經(jīng)過低溫時效，屈服現(xiàn)象重新出現(xiàn)。

銅覆鋼材料由連鑄連軋工藝制作而成，金屬經(jīng)過冷加工變形后，其強(qiáng)度和硬度增加，塑性降低。冷加工會造成晶體內(nèi)部形成晶格扭曲和點陣畸變，這些晶體缺陷在晶體內(nèi)形成一定的彈性畸變能，從而形成一定的內(nèi)應(yīng)力。室溫下，這種亞穩(wěn)定狀態(tài)會由于原子擴(kuò)散緩慢而一直維持下去。對冷變形后的金屬再進(jìn)行加熱時，金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化，進(jìn)而引起性能的變化。因此，試樣在電流—溫度循環(huán)試驗和工頻大電流試驗過程中溫度升高，點缺陷移至晶界或位錯處而消失，點缺陷合并；內(nèi)應(yīng)力降低，晶粒有一定的增大，宏觀表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低。

（3）顯微組織變化分析

銅覆鋼原材料由低碳鋼鋼芯和銅層經(jīng)過鑄造軋制而成，芯部組織為多邊形鐵素體和塊狀珠光體。試樣經(jīng)電流—溫度循環(huán)試驗加熱和350℃保溫后，試樣實際經(jīng)歷了低溫回火過程，金相顯微鏡下觀察組織并未發(fā)生明顯的變化。試樣經(jīng)過工頻大電流沖擊試驗，試樣溫度升高至700℃～800℃，然后緩慢冷卻，實際經(jīng)歷快速加熱至高溫然后短時間的退火過程，退火過程中鐵素體晶粒長大，晶界處珠光體含量增多。

3 結(jié)論

（1）電流—溫度循環(huán)試驗和工頻大電流試驗對試樣實施退火，使試樣鐵素體晶粒增大，珠光體含量增多。

（2）電氣與腐蝕整個試驗過程造成銅層的氧化腐蝕和大量脫落是試樣的電阻增大的主要原因。

（3）試樣經(jīng)歷退火過程，晶體內(nèi)部缺陷消失，內(nèi)應(yīng)力降低，使銅覆鋼材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，并出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象。