电气与腐蚀试验对铜覆钢接地材料性能的影响分析

2021-01-25

世界有色金属 2020年20期

（全球能源互联网研究院有限公司，北京 102209）

铜覆钢材料是以钢作为芯体钢芯表面被铜层连续包覆形成的新型金属复合材料。铜覆钢的生产工艺主要有水平连铸、电镀和套管冷拉3种方式。目前在变电站接地网中大量使用铜覆钢作为接地材料，其特点主要有导电性能良好、抗腐蚀性能强、机械强度高、综合性能高、成本低等优点。由于接地材料长期暴露在腐蚀环境中，表面铜层会因腐蚀而变薄，同时要承受季节天气变换带来的温湿交替的影响。在变动站运行过程中要求接地材料耐大电流冲击，热稳定性高。因此，有必要对各个因素对铜覆钢接地材料性能造成的影响进行研究，以考核接地材料质量，为变电站接地网对铜覆钢材料的质量评价标准，设计施工和使用等提供参考依据。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验选择3根直径为14mm，长度为0.8米的铜覆钢圆钢作试样，

1.2 试验设备

PC36C直流电阻测量仪、SHT4206微机控制电液伺服万能材料试验机、SDJ404FA高低温湿交变试验箱、SDDL-25000大电流试验台、F200精密测温仪、BX51M金相显微镜等。

1.3 试验方案

依据DL/T 1312-2013标准，模拟铜覆钢圆钢实际使用环境对试样按顺序进行电流—温度循环试验、冰冻—融化试验、中性盐雾腐蚀试验、工频大电流试验，整个试验过程称为电气与腐蚀试验。每个试验前后测量试样电阻，整个试验结束后对试样的横截面组织进行观察，并进行拉伸试验。

（1）电流—温度循环试验

将试样和大电流试验台连接成回路，调整电流使试样温度逐渐升高并稳定在350℃±10℃，保温1小时后关闭电流使试样冷却到室温再进行下一个循环，共进行25次电流—温度循环试验。试验结束后将试样冷却至环境温度，然后测试电阻值。

（2）冰冻—融化试验

将进行电流—温度循环试验后的试样进行冰冻—融化试验。将试样放入盛水的容器中，水淹没试样并且使水面高出试样25mm。将容器放置在高低温湿交变试验箱中，先将试验冷却到-10℃以下保温4小时，然后升温到20℃以上保温4小时，共进行10次冰冻—融化试验。试验结束后将试样干燥并恢复到室温后测试电阻值。

（3）中性盐雾腐蚀试验

将冰冻—融化试验后的试样进行中性盐雾腐蚀试验。依据GB/T10125进行500小时中性盐雾腐蚀试验，试验结束后冲洗试样然后烘干，冷却到室温后测试电阻值。

（4）工频大电流试验

将盐雾试验后的试样进行工频大电流试验。模拟故障电流冲击，将试样与大电流试验台连接组成回路，对试样施加熔化电流值的90%，时间10s。样品冷却到100℃以后再进行下一次试验，共进行3次试验。试验结束后将试样冷却到室温测试电阻值。

2 试验结果与讨论

2.1 试验数据

（1）电阻值

试样电阻值测试数据如表1，试样经过电流—温度循环试验后电阻值变小-0.2%；经过冰冻—融化试验后电阻值增加0.2%；经过中性盐雾腐蚀试验后电阻值增加0.5%；经过工频大电流试验后电阻值变小；全部试验结束后电阻值较试验前增加0.5%。

表1 试验电阻值

（2）力学性能

试样经过全部试验后抗拉强度和屈服强度都有明显下降（见表2），试验前试验拉伸曲线未出现明显的屈服现象（见图1），试样断裂在夹持部分附近；经过试验后试样拉伸出现明显的屈服现象（见图2），断裂位置在试样中部。

表2 抗拉强度值

图1 试样未经电气与腐蚀试验拉伸试验曲线

图2 试样经电气与腐蚀试验后拉伸试验曲线

（3）显微组织

试样未经试验前组织是由多边形铁素体和少量珠光体组成，且珠光体成块状分布于铁素体晶界处（见图3），珠光体含量约为14%，铁素体晶粒度为7.5级；试验后组织为铁素体和珠光体（见图4），珠光体含量明显增多达到20%，铁素体晶粒度为7.0级。

图3 试验前钢芯金相显微组织

图4 试验后钢芯金相显微组织

2.2 讨论

（1）电阻值变化分析

铜覆钢接地材料是低碳钢钢芯表面镀铜或者由低碳钢和铜连铸连轧制作而成，本次试验试样是由连铸连轧而成的复合材料。试样的电阻由铜层和钢基体共同作用决定。铜的导电率较高，电阻值小，而低碳钢的导电率较低，铜覆钢的铜层要求不低于0.25mm，导电率≥15%。影响金属材料的导电性的因素有很多，包括温度、受力情况、冷加工、晶体缺陷、热处理等。铜覆钢原材由于冷加工变形，晶体内部存在缺陷从而使其电阻增加。试样经过电流—温度循环试验，表面铜层氧化脱落，使试样电阻增大；同时芯部钢芯由于经历回火过程，内应力降低，组织更加均匀，电阻减小，两种因素共同作用下使试样的电阻值有少量降低。

冰冻—融化试验中试样长时间在水中浸泡，并反复经过收缩和膨胀的过程，试样表面铜层继续脱落，同时表面铜层出现一定的腐蚀现象，这样使试样的电阻值增大。中性盐雾腐蚀试验，试样表面加速腐蚀，形成大量的腐蚀产物，电阻值有较大增加。工频大电流试验使样品表面的铜层大量氧化脱落，因此试样的电阻增大。

（2）力学性能变化分析

铜覆钢材料是由低碳钢芯和铜层组成的复合材料，其力学性能主要由钢芯决定。金属的室温拉伸曲线可以分为弹性变形阶段和塑性变形阶段，弹性变形阶段呈现为直线关系，符合胡克定律；当施加的应力超过材料的弹性极限后进入塑性变形阶段。低碳钢在室温拉伸时，首先发生弹性变形，接着是一个特别的流动平台，因此低碳钢室温拉伸具有明显的屈服点。

明显屈服点现象和材料的纯度以及试验温度有关。非常纯的a-Fe在拉伸时并没有明显的屈服现象，但只要a-Fe中含义微量杂质（如0.04%的C元素），就会出现明显的屈服现象。随着温度的升高，屈服极限急剧降低，明显屈服现象也消失。

此外流动带和应变时效现象也与明显屈服点现象密切相关。流动带是光滑的体心立方金属试样在拉伸后表面出现的斜线，大致与拉伸方向成45°角。由于晶体在屈服阶段的变形很不均匀，低碳钢进行室温拉伸时变形并不是同时进行的，首先在夹持端附近先发生塑性变形，该区域晶体不断流动直至显著硬化，然后引起相邻区域应力集中而产生塑性变形。因此铜覆钢原材料在拉伸试验时很容易在夹持端断裂。试样经过电流—温度循环试验和工频大电流冲击试验后，试样中部的强度出现明显的下降，因此屈服在中部发生，断裂位置一般出现在试样中部。

在室温环境下进行拉伸试验时，在低碳钢试样产生少量预变形后卸载应力，然后重新加载进行试验时，试样不会发生屈服现象。但是将试样在低温时效几个小时后再进行拉伸试验，就会重新出现屈服现象。这是由于位错和溶质原子相互作用造成的。拉伸试验时，试样受到外力的作用，位错逐渐摆脱溶质原子的钉扎，宏观表现为屈服。若试样产生预变形后卸载再进行拉伸试验，由于溶质原子不能很快重新聚集到位错周围形成钉扎，屈服现象消失，在经过低温时效后溶质原子C会重新形成气团对位错钉扎。

本次试验中，由于铜覆钢原材料经过加工硬化，拉伸试验时屈服现象消失，未出现明显的屈服点；试样经过电流—温度循环试验后，由于试样经过低温时效，屈服现象重新出现。

铜覆钢材料由连铸连轧工艺制作而成，金属经过冷加工变形后，其强度和硬度增加，塑性降低。冷加工会造成晶体内部形成晶格扭曲和点阵畸变，这些晶体缺陷在晶体内形成一定的弹性畸变能，从而形成一定的内应力。室温下，这种亚稳定状态会由于原子扩散缓慢而一直维持下去。对冷变形后的金属再进行加热时，金属内部的组织结构就会发生变化，进而引起性能的变化。因此，试样在电流—温度循环试验和工频大电流试验过程中温度升高，点缺陷移至晶界或位错处而消失，点缺陷合并；内应力降低，晶粒有一定的增大，宏观表现为屈服强度和抗拉强度降低。

（3）显微组织变化分析

铜覆钢原材料由低碳钢钢芯和铜层经过铸造轧制而成，芯部组织为多边形铁素体和块状珠光体。试样经电流—温度循环试验加热和350℃保温后，试样实际经历了低温回火过程，金相显微镜下观察组织并未发生明显的变化。试样经过工频大电流冲击试验，试样温度升高至700℃～800℃，然后缓慢冷却，实际经历快速加热至高温然后短时间的退火过程，退火过程中铁素体晶粒长大，晶界处珠光体含量增多。