Cu含量對(duì)黃銅接線端子組織和性能的影響

易軼杰，王振生，謝 億，李海星，劉維可，王鳳祥

(1.湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2.國網(wǎng)湖南電力有限公司電力科學(xué)研究院，長沙 410007；3.湖南國生新材料科技有限公司，湖南 湘潭 411199)

0 引言

變電站承擔(dān)著變換電壓等級(jí)、匯集電流、分配電能和調(diào)整電壓的重要作用[1]，是輸電線路中極為重要的一環(huán)，減少故障的發(fā)生對(duì)其安全運(yùn)行具有重要意義。“十三五”以來，我國也明確提出了提高供電質(zhì)量，著力解決配電網(wǎng)薄弱問題的發(fā)展規(guī)劃[2]。接線端子是變電站傳輸線路的重要組成部分，其主要作用是連接引線與高壓套管并固定引線。已有變電站主要使用鑄造H59接線端子，在我國已引發(fā)數(shù)起變壓器運(yùn)行事故。例如，2015年8月，我國某電站110 kV主變發(fā)生一起套管爆炸事故，接線端子龜裂為事故原因之一；2019年11月，山東濟(jì)南仁鳳鎮(zhèn)某變電站發(fā)生爆炸致使一死兩傷，起因?yàn)榻泳€端子等變壓器相關(guān)設(shè)備存在缺陷導(dǎo)致局部發(fā)熱，最終引發(fā)事故。由于鑄造H59接線端子使用性能不足，目前，新建變電站開始使用鍛造H59接線端子，然而，其使用可靠性還沒有得到充分驗(yàn)證。

鑒于接線端子的重要性，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了一些研究，呂中賓等[3]研究發(fā)現(xiàn)安裝施工時(shí)，引線的偏移量越大，接線端子所受應(yīng)力越大。鄭準(zhǔn)備等[4]研究發(fā)現(xiàn)接線端子的抗腐蝕性能因鍍層的材質(zhì)和厚度不同有較大差異。He等[5]研究發(fā)現(xiàn)隨著剛度的增加，接線端子的地震響應(yīng)逐漸降低。然而，在服役過程中，接線端子外抱箍表面開裂的問題仍沒有完全解決。接線端子開裂的主要原因在于長期裸露在室外環(huán)境工作，在雨水侵蝕、風(fēng)、振動(dòng)、引線重力等因素作用下，承受復(fù)雜的腐蝕受力狀態(tài)[6]。為了避免服役過程中出現(xiàn)故障，接線端子材質(zhì)必須具備優(yōu)異的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能和抗腐蝕性能。高強(qiáng)等[7]研究發(fā)現(xiàn)銅石墨材料的電阻率隨Cu含量而降低。鄧顯波等[8]研究發(fā)現(xiàn)隨Cu含量的增加，Al-Fe-Cu合金導(dǎo)電率降低，硬度增加。印準(zhǔn)等[9]研究發(fā)現(xiàn)隨著Cu含量的增加，鈷鉻鉬銅合金點(diǎn)蝕電位呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。Temel等[10]研究發(fā)現(xiàn)隨著Cu含量的升高，銅銀合金的拉伸強(qiáng)度增加。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者分別研究了Cu含量對(duì)銅合金的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能和抗腐蝕性能的影響，然而，銅合金接線端子需要同時(shí)具備以上3種性能，因此，本文從接線端子材質(zhì)的角度出發(fā)，對(duì)比研究了4種Cu含量接線端子的微觀組織、導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和抗腐蝕性能，為變電站用銅合金接線端子的選材提供了參考，對(duì)解決配電網(wǎng)薄弱問題具有重大意義，國內(nèi)外未有類似的研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 接線端子的制備方法

實(shí)驗(yàn)材料選取4種不同Cu含量的φ60 mm的H59、H70、H80和H90圓棒，熱鍛后空冷，制備成H59、H70、H80和H90接線端子，自然時(shí)效1年，其化學(xué)成分如表1所示。采用電鍍錫工藝表面鍍錫，工藝為：化學(xué)除油→水洗→電解除油→水洗→化學(xué)拋光→水洗→純水洗→硫酸活化，40 g/L SnSO4，100 mL/L H2SO4，40 mL/L BSnG-2007開缸劑，1 mL/L BSnG-2007輔助劑，Jc=1 A/dm2，θ=10～15 ℃，鍍層厚度控制在約10 μm。

表1 H59、H70、H80、H90銅合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 氨熏腐蝕試驗(yàn)

采用密閉容器測試4種接線端子的氨熏腐蝕性能，氨水溶液濃度為14 %，氨水溶液用量為每升容器總體積不少于166 mL，每平方分米試樣表面積不少于100 mL，試樣不相互接觸且不與氨水直接接觸，根據(jù)電力系統(tǒng)內(nèi)部檢驗(yàn)黃銅應(yīng)力氨熏法，試驗(yàn)時(shí)間定位為24 h。氨熏腐蝕對(duì)象為經(jīng)螺栓緊固的接線端子(圖1)與鍍錫接線端子以及未經(jīng)螺栓緊固的接線端子。氨熏腐蝕后，未鍍錫接線端子采用1∶2的硝酸溶液去除腐蝕產(chǎn)物，表面鍍錫接線端子用酒精超聲波清洗，干燥，采用著色探傷方法分析多種接線端子的抗腐蝕性能。

圖1 螺栓緊固的接線端子

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

線切割切取厚度2.5 mm的拉伸試樣(圖2)，表面研磨采用800號(hào)砂紙，丙酮超聲清洗、烘干。采用WDW-100C型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測試4種接線端子的拉伸性能，拉伸速率為2 mm/min。采用HB-3000型布氏硬度計(jì)測試4種接線端子的硬度，淬火鋼球壓頭直徑為5 mm，載荷為50 N，載荷保持時(shí)間15 s。

圖2 拉伸試樣尺寸規(guī)格

1.4 導(dǎo)電性能試驗(yàn)

采用FD102型電導(dǎo)率儀測量4種接線端子的電導(dǎo)率。

1.5 組織與形貌分析

線切割切取Φ10 mm×10 mm金相組織試樣，研磨拋光，丙酮超聲清洗、烘干。采用硝酸鐵10 g+水100 ml溶液腐蝕金相組織。利用配置了能譜儀(EDS)的SU5000型掃描電子電鏡(SEM)觀察4種接線端子的組織形貌和拉伸試樣斷口形貌。采用D/max-RBX射線衍射(XRD)分析4種接線端子的相組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 Cu含量對(duì)黃銅接線端子組織的影響

圖3為4種黃銅接線端子的微觀組織圖片?？梢园l(fā)現(xiàn)，低倍下(圖3(a))Cu含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)59%的H59合金呈現(xiàn)基體與塊狀組織腐蝕坑的特征，高倍下(圖3(b))，組織中還存在灰黑色的顆粒組織，腐蝕坑中存在未被腐蝕的金屬間化合物顆粒，這些金屬間化合物顆粒因耐蝕性較高而保留在基體中；XRD(圖4)與EDS分析表明，基體為Zn在Cu中的固溶體，簡稱(Cu，Zn)相，灰黑色的顆粒為Cu5Zn8金屬間化合物相，Cu5Zn8相不易受浸蝕，性硬而脆[8-9]；塊狀腐蝕坑為CuZn相，因含鋅量較高易受浸蝕，故浸蝕形成凹坑[10]。隨著Cu含量增多，Cu5Zn8和CuZn消失，Cu含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的H70合金呈現(xiàn)出基體與樹枝晶的特征，高倍下樹枝晶呈現(xiàn)條片狀特征，XRD(圖4)與EDS分析表明，基體為(Cu，Zn)相，樹枝晶為Cu0.64Zn0.36相。當(dāng)Cu含量增至質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%時(shí)，H80合金和H90合金均為(Cu，Zn)相。即隨著Cu含量增多，黃銅組織中的Cu-Zn金屬間化合物逐漸減少，(Cu，Zn)相逐漸增多。

圖3 多種銅合金的微觀組織形貌

圖4 多種銅合金的XRD圖譜

2.2 Cu含量對(duì)黃銅接線端子力學(xué)性能與導(dǎo)電性能的影響

表2為4種黃銅接線端子的力學(xué)性能與導(dǎo)電性能。可以發(fā)現(xiàn)，隨著Cu含量從質(zhì)量分?jǐn)?shù)59%逐漸增至90%，黃銅強(qiáng)度從384 MPa逐漸減低至325 MPa，延伸率呈先升高后降低的趨勢(shì)，H80的延伸率最高，導(dǎo)電率從19.9%IACS逐漸升高至34.1%IACS。由于(Cu，Zn)相的塑性好，隨著Cu基體中固溶的Zn含量增加，強(qiáng)度升高，當(dāng)Cu與Zn生成金屬間化合物相時(shí)，銅合金塑性下降，故低Cu含量的H59塑性最低。電導(dǎo)率是由合金元素對(duì)電子的散射作用大小來決定的，當(dāng)Zn固溶于Cu后，由于純凈的Cu基體中溶入了Zn元素，對(duì)電子的散射作用變大[11-13]，因此，隨著Cu含量的增多，固溶于Cu中的Zn減少，H59、H70、H80和H90的電導(dǎo)率逐漸升高。

表2 H59、H70、H80和H90合金的力學(xué)性能和電導(dǎo)率

2.3 Cu含量對(duì)黃銅接線端子腐蝕性能的影響

圖5為氨熏腐蝕后4種接線端子表面的著色探傷形貌。鑒于本文采用自然時(shí)效去除了接線端子的內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)螺栓緊固的接線端子抱箍外表面受到拉應(yīng)力作用，抱箍內(nèi)表面承受壓應(yīng)力；未經(jīng)螺栓緊固的接線端子，抱箍外表面和內(nèi)表面均不受應(yīng)力作用。研究發(fā)現(xiàn)，氨熏腐蝕后，無應(yīng)力工況下，除H59接線端子(圖5(a))抱箍外表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕缺陷特征外，H70、H80和H90接線端子抱箍外表面均未出現(xiàn)點(diǎn)蝕缺陷特征。壓應(yīng)力工況下，4種接線端子抱箍內(nèi)表面(圖5(b))未出現(xiàn)裂紋特征。拉應(yīng)力工況下，低銅含量的H59接線端子(圖5(c))抱箍外表面呈現(xiàn)密集的細(xì)裂紋和較嚴(yán)重的粗裂紋特征，表面鍍錫后(圖5(d))，抱箍外表面的細(xì)裂紋特征減弱、粗裂紋特征仍然顯著。隨著Cu含量逐漸增多，接線端子抱箍外表面的粗裂紋特征消失，H70接線端子抱箍外表面(圖5(e))呈現(xiàn)顯著的細(xì)裂紋特征，H80接線端子抱箍外表面(圖5(f))呈現(xiàn)毛細(xì)血管狀的萌生裂紋特征，沒有顯著裂紋現(xiàn)象，當(dāng)Cu含量增至質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%時(shí)，H90接線端子抱箍外表面(圖6(g))腐蝕裂紋特征消失。由于含Zn低于15%的黃銅在多種腐蝕介質(zhì)中有與紫銅完全相似的耐蝕性，Zn大于15%的黃銅，特別是(Cu，Zn)+CuZn的黃銅的應(yīng)力腐蝕問題較為突出[14]。故接線端子優(yōu)選H90材質(zhì)制備具有良好的應(yīng)用可靠性。

圖5 多種銅合金接線端子氨熏結(jié)果

2.4 Cu含量對(duì)黃銅接線端子拉伸試樣斷口形貌的影響

在壓應(yīng)力下，H68A合金和HAl77-2A合金氨熏均未發(fā)生破裂，在拉應(yīng)力下，氨熏均發(fā)生破裂[15]。隨著拉應(yīng)力的增大，穿晶腐蝕程度隨之增加[14]。這與本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。這是由于壓應(yīng)力有利于抑制或消除晶體中由于塑性變形引起的各種微觀破壞[16]，而拉應(yīng)力加劇晶體中由于塑性變形引起的各種微觀破壞，并促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展[17-18]。故氨熏腐蝕下，拉應(yīng)力是導(dǎo)致接線端子產(chǎn)生裂紋與開裂的主要原因。

進(jìn)一步分析拉伸試樣斷口形貌(圖6)，可以看出，低Cu含量的H59拉伸試樣斷口(圖6(a)(b))呈微孔聚集型斷裂形貌，微孔呈等軸狀，第二相粒子與微孔幾乎是一一對(duì)應(yīng)的，說明一個(gè)第二相粒子就是一個(gè)微坑的形核位置，第二相粒子對(duì)微坑的形核具有重要作用；另外，斷口還呈現(xiàn)冰糖狀沿晶斷裂和少量微裂紋特征。EDS分析表明，較大白色塊狀物為Cu5Zn8相，細(xì)小白色第二相晶粒為CuZn相和Cu5Zn8相。第二相粒子CuZn和Cu5Zn8相界處均呈現(xiàn)細(xì)小的微孔特征，這是由于CuZn和Cu5Zn8周圍堆積著位錯(cuò)環(huán)，在沒有外應(yīng)力作用時(shí)，它們處于平衡狀態(tài)，當(dāng)受到拉應(yīng)力作用后，平衡被打破，把位錯(cuò)環(huán)推向至第二相粒子(Cu5Zn8、CuZn)，當(dāng)一個(gè)或一對(duì)位錯(cuò)環(huán)到達(dá)Cu5Zn8/(Cu，Zn)和CuZn/(Cu，Zn)界面時(shí)，相界立即分離形成微孔。同時(shí)微孔的形成又導(dǎo)致后面的位錯(cuò)受到的排斥力大大降低，從而迅速推向新形成的微孔使其長大。另一方面，原來存在于位錯(cuò)環(huán)后面的位錯(cuò)源，由于原來堆積位錯(cuò)的約束消失而又重新活躍起來，產(chǎn)生新的位錯(cuò)環(huán)，并源源不斷地推向微孔，使微孔迅速發(fā)生不穩(wěn)定擴(kuò)展及聚合[19]。由于H59合金中存在大量的CuZn相和Cu5Zn8相，微坑的形核位置很多，斷口上形成的微坑尺寸較小、較淺，塑性較差；又由于Cu5Zn8性硬而脆，(Cu，Zn)具有良好的塑韌性，拉伸變形時(shí)，大塊Cu5Zn8和(Cu，Zn)變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致其相界更易產(chǎn)生微孔，微孔聚集形成微裂紋，沿Cu5Zn8/(Cu，Zn)相界擴(kuò)展，形成沿晶裂紋；拉應(yīng)力導(dǎo)致的H59合金相界產(chǎn)生微坑以及微裂紋，在氨熏腐蝕工況下，進(jìn)一步加劇了裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。因此，H59合金的塑性最低，抗應(yīng)力腐蝕能力不足。

圖6((c)(d))為H70拉伸試樣的斷口形貌，可以看出，斷口呈韌窩特征和解理斷裂特征，EDS分析發(fā)現(xiàn)解理斷裂處為金屬間化合物Cu0.64Zn0.36相和(Cu，Zn)相，韌窩處為(Cu，Zn)相，由于Cu0.64Zn0.36相為硬脆相，組織粗大，拉伸變形時(shí)，Cu0.64Zn0.36相與(Cu，Zn)相因變形不協(xié)調(diào)形成微孔，微孔聚集形成微裂紋，容易引起開裂，故Cu0.64Zn0.36相是導(dǎo)致H70合金發(fā)生解理斷裂的主要原因。高倍下可以發(fā)現(xiàn)，裂紋核心在(Cu，Zn)和Cu0.64Zn0.36相界處，以扇形的方式向四周擴(kuò)展，斷口上有許多細(xì)小、平行的河流狀臺(tái)階。由于拉應(yīng)力導(dǎo)致H70合金相界產(chǎn)生微坑，微坑在氨熏腐蝕工況下，發(fā)生裂紋并擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展至Cu0.64Zn0.36相發(fā)生解理斷裂；因此，H70合金的塑性較低，應(yīng)力腐蝕能力不足。

隨著Cu含量的增加，H80和H90的斷口(圖6(e)(f))均呈現(xiàn)韌窩特征，其中，H80斷口形貌呈現(xiàn)大量韌窩，且韌窩較深，故H80合金塑性更優(yōu)。由于H90組織中沒有Cu與Zn的金屬間化合物相，又由于H90是(Cu，Zn)相單相材料，具有優(yōu)異的塑韌性，故拉應(yīng)力沒有導(dǎo)致塑性變形引起的各種微觀破壞，在氨熏腐蝕工況下，具有優(yōu)異的抗氨熏腐蝕性能。可能源于H80的鋅含量大于15%，在氨熏腐蝕工況下，表面呈現(xiàn)毛細(xì)血管狀的裂紋特征，關(guān)于其應(yīng)力腐蝕問題有待于進(jìn)一步研究。

圖6 多種銅合金的斷面形貌

3 結(jié)論

1)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)59%的H59合金組織由(Cu，Zn)相、Cu5Zn8相和CuZn相組成，Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的H70合金組織由(Cu，Zn)相與樹枝晶狀Cu0.64Zn0.36相組成，Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%的H80合金和H90合金組織均為(Cu，Zn)相，即隨著Cu含量增多，黃銅組織中的Cu-Zn金屬間化合物逐漸減少，(Cu，Zn)相逐漸增多。

2)在拉應(yīng)力+氨熏腐蝕工況下，隨著Cu含量增多，黃銅接線端子抱箍外表面的裂紋特征減弱，Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至90%時(shí)，黃銅表面腐蝕裂紋特征消失。無應(yīng)力和壓應(yīng)力的氨熏工況下，黃銅接線端子均不產(chǎn)生裂紋。

3)低Cu含量的H59拉伸斷口呈現(xiàn)微孔聚集型斷裂、冰糖狀沿晶斷裂和少量微裂紋特征，H70拉伸斷口呈現(xiàn)韌窩和解理斷裂特征。Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于80%的黃銅合金中(Cu，Zn)/金屬間化合物界面產(chǎn)生的微孔是導(dǎo)致裂紋的主要原因，表面鍍錫不能完全抑制裂紋的產(chǎn)生。

4)高Cu含量的H80和H90拉伸斷口均呈現(xiàn)韌窩特征。H90合金組織均為(Cu，Zn)相，塑韌性優(yōu)異，拉應(yīng)力沒有導(dǎo)致合金表面的微觀破壞，抗氨熏腐蝕性能優(yōu)異。

5)隨著Cu含量增多，黃銅強(qiáng)度降低，延伸率先升高后降低，導(dǎo)電率升高，抗應(yīng)力腐蝕性能增強(qiáng)。故H90接線端子具有良好的應(yīng)用可靠性。