環(huán)保閥門材料C46500坯料裂紋形成的原因

侯玲玲,付亞波,黃圓圓,陳學(xué)林

(1.臺州學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,浙江 臺州 318000; 2.玉環(huán)縣方正銅業(yè)有限公司,浙江 臺州 317605)

0 前 言

閥門是用來控制管道內(nèi)介質(zhì)流動,并具有可動機(jī)構(gòu)的機(jī)械產(chǎn)品的總稱,是保證內(nèi)燃機(jī)工作可靠性和耐久性的重要零件,對內(nèi)燃機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性有很大的影響.但閥門的工作條件惡劣,排氣閥頭部要承受熾熱燃?xì)獾母咚贈_刷,且不易散熱.此外,閥門在開啟和關(guān)閉的過程中,不斷受到?jīng)_擊載荷的作用.在高溫條件下,閥門還要經(jīng)受侵蝕介質(zhì)的腐蝕,密封面極易破壞[1].閥體、閥蓋和閥瓣是閥門的主要零件,直接承受介質(zhì)壓力,所用材料必須具有能在規(guī)定介質(zhì)溫度和壓力下達(dá)到所需的力學(xué)性能以及良好的冷、熱加工工藝性能[2-5].

錫黃銅C46500是美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保銅合金,鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.20%,具有較好的耐腐蝕性和耐磨性,切削性能和力學(xué)性能好,適合作為制造環(huán)保閥門的坯料.紅沖是閥門加工過程中的一道重要工序,具有成本低、生產(chǎn)效率高、制件品質(zhì)優(yōu)良以及適宜大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),在浙江沿海一帶得到廣泛應(yīng)用.然而,C46500閥門坯料在紅沖過程中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋(如圖1所示),降低了成品率,也給閥門的使用造成了安全隱患,容易導(dǎo)致事故.所以研究坯料的裂紋形成原因具有重要的意義[6].

本文主要研究C46500坯料經(jīng)過紅沖后表面產(chǎn)生裂紋的原因,為防止坯料開裂提供一定的理論基礎(chǔ).

圖1 開裂的閥門樣品Fig.1 A valve specimen with cracks

1 試 驗(yàn)

取一個紅沖后帶有裂紋的C46500閥門,見圖2.可以發(fā)現(xiàn)表面有一條較細(xì)的裂紋,在此處取樣,然后將試樣用S-4800型掃描電鏡進(jìn)行觀察,加速電壓為15 kV,工作距離為15.5 mm.

圖2 取樣的閥門坯料Fig.2 Sampled valve billet

2 結(jié)果與討論

2.1 裂紋形貌

找到裂紋所在位置,將掃描電鏡的放大倍數(shù)調(diào)到800倍,得到裂紋的形貌，如圖3所示.由于加熱后進(jìn)行了大量的變形,表面劃痕和氧化皮較多,坯料發(fā)生塑性變形的痕跡可見.但是,在縱向有一處與基體金屬不連續(xù)的區(qū)域,形成了寬約60 μm、長約100 μm的裂紋,穿透了整個坯料,與周圍基體金屬存在明顯區(qū)別,其中堆集了許多雜質(zhì).

圖3 裂紋形貌Fig.3 The micrograph of a crack

2.2 能譜分析

通過掃描電鏡自帶的能譜儀分析得到閥門無裂紋表面的各元素含量,見表1(見下頁).成分分析的位置見圖4所示的譜圖2.裂紋內(nèi)的各種元素含量見表2(見下頁).成分分析的位置見圖4(見下頁)所示的譜圖1.

將表2與表1對比發(fā)現(xiàn),裂紋內(nèi)C和O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù),分別是無裂紋處的2.8倍和2.9倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無裂紋閥門的表面,同時還新增加了雜質(zhì)元素K和Mo.而裂紋內(nèi)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則大幅度下降,甚至不含Zn.由此可推斷,各種氧化物和碳元素的存在是造成閥門開裂的原因之一,這些元素的增加可能是在鑄造C46500坯料的過程中帶入的.

3 裂紋的形成機(jī)理

裂紋的形成機(jī)理可以解釋為:基體中的C和O形成的化合物是一種脆性物質(zhì),強(qiáng)度較低,可視為在合金基體中產(chǎn)生了微小的孔洞,割斷了基體的連續(xù)性,成為應(yīng)力集中源,構(gòu)成弱化微區(qū).在滑移面上的切應(yīng)力作用下,位錯在此處受阻形成位錯塞積.當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時,塞積頭處的位錯互相擠緊，聚合成為一定尺寸的裂紋或孔洞.如果塞積處的應(yīng)力集中不能被塑性變形所松馳,則塞積頭處的最大拉應(yīng)力能夠等于理論斷裂強(qiáng)度而形成裂紋,這就是位錯塞積理論[7].由于形成脆性夾雜物的強(qiáng)度低,造成位錯無法繼續(xù)滑移而在此塞積,應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度就形成了上述提到的裂紋.所以,制備C46500材料時應(yīng)減少雜質(zhì)的混入,防止裂紋的產(chǎn)生.

表1 無裂紋位置的元素化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions at places other than cracks

表2 有裂紋位置的元素化學(xué)成分Tab.2 Chemical compositions at cracks

圖4 能譜分析位置Fig.4 The energy spectrum analysis

4 結(jié) 論

研究了C46500坯料裂紋形成的原因,通過掃描電鏡觀察和能譜分析,得出以下結(jié)論:

(1)C46500坯料在形成裂紋前發(fā)生了塑性變形,裂紋的形成與C46500坯料的屈服強(qiáng)度有關(guān),屈服強(qiáng)度越大,越不容易形成裂紋.

(2)裂紋處C和O元素的含量要明顯高于無裂紋閥門表面,主要原因是裂紋處含有大量的C元素和氧化物,各種氧化物和碳元素的存在是造成閥門開裂的原因之一.雜質(zhì)的帶入,降低了材料的強(qiáng)度,增加了坯料的脆性,容易產(chǎn)生裂紋.可用位錯塞積理論解釋裂紋形成的機(jī)理.所以,制備C46500材料時應(yīng)減少雜質(zhì)的混入,以防止裂紋的產(chǎn)生.

參考文獻(xiàn):

[1] 徐曉,顏波,張河清.閥門堆焊產(chǎn)生氣孔和裂紋原因的分析[J].焊接,2000(5):24-26.

[2] 陳國楨,肖柯則,姜不居.鑄件缺陷和對策手冊[K].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[3] 何瑞珍.不銹鋼閥門的鑄造工藝[J].鑄造技術(shù),2005,26(10):988-989.

[4] 李良巧.機(jī)械可靠性設(shè)計與分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[5] Chatterjee S K,Sengupta S P.An X-ray fourier line shape analysis in cold-worked hexagonal metals[J].JMaterSci,1975,10:1093-1104.

[6] 武彩虹,韓靜濤.熱軋帶鋼邊部”翹皮”缺陷分析[J].塑性工程學(xué)報,2005,12(6):23-27.

[7] 束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.