分水器銅閥斷裂原因分析

吳文祥++尚燦++陳旭東++洪松

摘 要：鉛黃銅因具有優良切削性能、耐磨性能且成本低廉而廣泛應用于各類閥體中。銅閥在使用過程中，會受到內應力和工作應力的共同作用，一旦斷裂失效會造成漏水事故的發生，產生嚴重后果。采用金相檢驗、硬度測試等方法對分水器銅閥斷裂原因進行了分析。結果表明，由于銅閥顯微組織中β相晶粒異常粗大，造成銅閥硬度增大、脆性增加，導致銅閥在加工及后續使用過程中產生裂紋而發生脆性斷裂。

關鍵詞：銅閥；富鉛相；斷裂

中圖分類號：TG146.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0079-02

鉛黃銅因具有優良切削性能、耐磨性能且成本低廉而廣泛應用于各類閥體中。銅閥在使用過程中，會受到內應力和工作應力的共同作用，一旦斷裂失效會造成漏水事故的發生，產生嚴重后果。目前，國內學者對銅閥斷裂原因進行了大量研究[1-3]。陳彩霞等人[1]發現鉛黃銅閥蓋熱處理不當，顯微組織α相沿著晶界呈網狀分布，導致RHPb56-4鉛黃銅空調水閥門在使用5個月后發生斷裂。莫明珍等人[2]研究發現，ZHPb59-1銅閥在加工應力和安裝應力的共同作用下，在潮濕的環境中短期會發生應力腐蝕開裂。

某型號地暖分水器銅閥在使用過程中發生斷裂，造成漏水事故。為了探明該銅閥斷裂的原因，本文對其進行了斷裂失效分析。

1 試驗材料與方法

斷裂失效的分水器銅閥宏觀形貌如圖1所示。將銅閥從左到右依次編號，分別為1#～6#，其中4#銅閥在螺紋處發生斷裂，其余銅閥連接完好。對4#銅閥進行外觀檢查，未發現其表面存在變形、劃傷等明顯外力作用痕跡。為了分析4#銅閥斷裂原因，隨機選取5#銅閥與4#銅閥作比對分析，對5#銅閥進行外力破壞試驗，使其在螺紋處發生斷裂。對4#銅閥和5#銅閥的斷口形貌、金相組織以及硬度進行比對分析。采用OLYMPUS BX51M光學顯微鏡和HVS-10維氏硬度計分別對銅閥螺紋處進行金相組織和維氏硬度檢驗。采用單反相機和 LEICA S8APO體視顯微鏡對銅閥斷口進行宏觀分析。斷口微觀形貌觀察和能譜分析在HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡上進行。

2 試驗結果

2.1 化學成分分析

將4#、5#銅閥切割、研磨、拋光后，依據GB/T 17359-2012《微束分析能譜法定量分析》采用掃描電子顯微鏡附帶的X射線能譜儀對銅閥材料進行成分分析，分析范圍為200×300μm，采集時間為100s，檢測結果如表1所示。由表1可知，4#、5#銅閥中Cu、Zn、Pb元素含量較為接近，4#銅閥中Sn含量高于5#銅閥。由于能譜分析區域較小，無法準確反映銅閥的實際成分，但由能譜分析結果可知，4#、5#銅閥均為鉛黃銅。

2.2 斷口分析

對4#銅閥斷口進行宏觀檢查發現，斷口位于銅閥連接的螺紋部位，斷口部位未見明顯塑性變形，斷口表面凹凸不平，如圖2（a）所示。5#銅閥斷口為外力破壞斷口，其宏觀形貌如圖2（b）所示。可以看出，5#銅閥斷口與4#銅閥斷口明顯不同，5#銅閥斷口較為平齊，無明顯氧化和腐蝕現象。

采用體視顯微鏡對圖2中4#銅閥斷口A區和B區進一步放大觀察，如圖3所示。A區存在明顯放射狀形貌，為斷裂源區，B區為相鄰螺紋根部連接處，為最后斷裂區。對圖2中C區進行掃描電子顯微鏡觀察，如圖4所示。可以看出，存在解理扇形花樣，為典型的脆性斷口特征。從扇形花樣可以看出，裂紋擴展方向為由上往下擴展。同時，在高倍掃描電鏡下可以觀察到大量平行的二次裂紋和孔洞，如圖4（b）所示。

為了探明孔洞的形成原因，將4#銅閥切割、研磨、拋光后在掃描電子顯微鏡高倍下觀察，如圖5所示。可以看出，4#銅閥基體內存在大量彌散分布、尺寸較小的第二相顆粒，這些顆粒尺寸一般在2μm以下。能譜分析表明，這些第二相顆粒為富鉛相。4#銅閥發生脆性斷裂后，斷口上富鉛相脫落，形成圖4（b）中所示的孔洞形貌。

對圖2中5#銅閥D區斷口進行微觀觀察，如圖6所示。從圖6可以看出，5#銅閥與4#銅閥微觀斷口形貌顯著不同，5#銅閥斷口出現大量韌窩，為典型的韌性斷口特征。同時，幾乎每個韌窩中都存在第二相顆粒，這些顆粒尺寸一般在2μm以下。對圖6中白色箭頭所指的顆粒進行能譜分析表明，這些顆粒中鉛含量很高，為富鉛相。

2.3 金相檢驗

對4#、5#銅閥斷口附近部位進行金相檢驗，結果如圖7所示，其中灰色相為β相，白色相為α相，黑色顆粒為富鉛相。由圖7可以看出，4#、5#銅閥的相組成均為α+β+Pb相，但4#銅閥顯微組織與5#銅閥明顯不同。4#銅閥顯微組織中β相晶粒異常粗大，α相呈針狀、塊狀沿β相晶界及晶內析出，而5#銅閥顯微組織中β相和α相數量較為均衡，組織較為細密。

2.4 硬度測試

依據GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》對4#、5#銅閥硬度進行測試。檢測結果顯示，4#銅閥硬度達到158HV5，而5#銅閥硬度僅為130HV5。

3 分析與討論

由能譜分析結果可知，4#斷裂銅閥和5#未斷裂銅閥的材料均為鉛黃銅，兩者基體中均含有大量尺寸較小、彌散分布的富鉛相。鉛幾乎不固溶于銅-鋅合金中，經過壓力加工，鉛以游離的質點分布于固溶體內，游離的鉛質點具有潤滑和減磨的作用，故鉛黃銅具有極高的切削性能，適宜于自動高速車床加工零件[4]。但如果銅閥材料中的鉛分布不均勻，發生偏析，形成大量條狀聚集的粗大游離鉛組織，會造成材料強度嚴重下降，易導致銅閥斷裂[5]。從4#、5#銅閥中富鉛相的形貌和分布可以看出，富鉛相都呈細小、彌散分布，因此，銅閥斷裂與富鉛相無關。

由金相檢驗結果可知，4#銅閥顯微組織為粗大的β相+呈針狀、塊狀沿β相晶界及晶內析出的α相+游離Pb相，而5#銅閥顯微組織中α相、β相較為細小、均勻。由于室溫下β相為硬脆相，所以4#銅閥的硬度明顯比5#銅閥的硬度高。由斷口分析可知，4#銅閥斷口為脆性斷口，5#銅閥在外力作用下的斷口為韌性斷口。

通過上述分析，可以推斷銅閥斷裂的主要原因是：由于銅閥顯微組織中β相晶粒異常粗大，造成銅閥硬度增大、脆性增加，導致銅閥在加工及后續使用過程中產生裂紋而發生脆性斷裂。

4 結語

分水器銅閥的斷裂屬于脆性斷裂。由于銅閥顯微組織中β相晶粒異常粗大，造成銅閥硬度增大、脆性增加，是銅閥發生脆性斷裂的根本原因。

參考文獻：

[1]陳彩霞，鄭楊艷.空調水銅閥斷裂原因分析及預防[J].金屬熱處理，2015.

[2]莫明珍等.銅閥應力腐蝕開裂分析[J].熱加工工藝，2014.

[3]張鳴等.鉛黃銅閥體開裂原因分析[J].材料研究與應用，2009.