CuZn39Pb3鉛黃銅接頭螺紋處開裂失效分析

陳先艷,楊 坤,曹春蘭

(史陶比爾(杭州)精密機械電子有限公司,杭州310018)

鉛黃銅是銅、鉛、鋅等有色金屬以一定配比而形成的合金,其因具有優良的切削性能、出色的耐磨性能和高強度,被廣泛應用于制造連接件、閥門、閥桿軸承等零部件[1－3]。鉛極少固溶于鉛黃銅,在其中以獨立相存在,以游離質點分布在基體組織中晶界和晶內,因而鉛既有潤滑作用又能使材料切屑成崩碎狀,可提高鉛黃銅的切削性和耐磨性。當鉛黃銅中鉛的質量分數不超過3%時,鉛黃銅的切削性隨著鉛的質量分數的增加而升高,但當鉛的質量分數超過3%時,隨著鉛含量的增加,鉛黃銅的切削性不再升高,且鉛的硬度、抗拉強度和斷后伸長率會降低。某CuZn39Pb3鉛黃銅接頭在表面鍍鎳處理后進行密封測試時在螺紋處發生開裂。為查明該鉛黃銅接頭開裂失效的原因,筆者對其進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

宏觀觀察發現,該鉛黃銅接頭螺紋處存在垂直于接頭端口的裂紋,如圖1所示。沿裂紋將接頭人為打開后觀察斷口的宏觀形貌,由圖2可見,斷口表面可分為2個區域:右側螺紋段金黃且發黑的原裂紋區(A 區域)和左側白亮的人為斷口區(B 區域)。從A 區域可清晰看到裂紋由螺紋端口向螺母方向擴展。

1.2 掃描電鏡分析

在鉛黃銅接頭斷口表面取樣,使用FEI Sirion型場發射掃描電鏡(SEM)觀察試樣的形貌。由圖3可見,斷口呈現出沿晶斷裂的特征,在高倍下未發現鎳層滲透的跡象,這說明鉛黃銅接頭的開裂發生在其表面鍍鎳處理后。

圖1 失效鉛黃銅接頭不同部位的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of different parts of failue lead brass joint：a）inner wall of thread；b）outer wall of thread

圖2 鉛黃銅接頭斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of failure lead brass joint fracture

圖3 鉛黃銅接頭斷口表面的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of fracture surface of lead brass joint：a）at low magnification；b）at high magnification

在鉛黃銅接頭斷口的橫截面取樣,取樣位置如圖4所示。使用FEI Sirion型場發射掃描電鏡觀察試樣的形貌。由圖5可見,斷口沿晶界斷開且存在大量次生裂紋,次生裂紋沿晶界擴展,有少量游離晶粒形成,這說明材料晶界已被嚴重弱化,在應力的作用下晶界開裂并連接擴展形成大的裂紋。

圖4 鉛黃銅接頭斷口的橫截面取樣位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of cross section sampling location of lead brass joint fracture

圖5 鉛黃銅接頭斷口橫截面的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of cross section of lead brass joint fracture

圖6 鉛黃銅接頭斷口的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of lead brass joint fracture

1.3 金相檢驗

在鉛黃銅接頭斷口取樣,試樣經打磨、拋光,用體積分數為25% 的硝酸水溶液浸蝕后,使用Olympus型金相顯微鏡觀察顯微組織。由圖6 可見,鉛黃銅接頭材料的顯微組織中α相和β相分布較均勻,但α相含量明顯多于β相的,β相僅占約30%。鉛相以顆粒狀存在,且絕大部分鉛顆粒存在于晶界,幾乎無晶內析出的鉛相[4-5]。

1.4 能譜分析

使用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對鉛黃銅接頭斷口裂紋處進行面掃描微區成分分析,分析位置和分析結果分別如圖7和圖8所示。可見鉛以顆粒相存在,裂紋擴展路徑上的鉛顆粒已脫落(圖7箭頭所示)。

使用掃描電鏡附帶的能譜儀對圖7中裂紋擴展路徑上的1,2號位置及基體上的3號位置進行點掃描微區成分分析,分析結果如表1所示。由表1結合圖7可見,在裂紋擴展路徑上(1,2號位置處)雖然未觀察到鉛顆粒相,但其鉛含量明顯高于基體(3號位置處)的。推測這是由于原材料加工工藝存在問題導致部分鉛偏聚于晶界(少數位置存在錫),雖鉛含量不足以聚集形成鉛顆粒相,但其嚴重弱化了晶界強度。

圖7 面掃描分析位置Fig.7 Face scan analysis location

圖8 面掃描分析結果Fig.8 Results of face scan analysis：a）distribution of elements；b）Cu；c）Zn；d）Pb；e）O

表1 鉛黃銅接頭斷口裂紋處不同位置(如圖7所示)的EDS分析結果(質量分數)Tab.1 EDSanalysis results of different positions（shown in Fig.7）of lead brass joint fracture cracks（mass fraction） %

2 分析與討論

由金相檢驗結果可知,鉛黃銅接頭的顯微組織為α＋β雙相,鉛以顆粒相形式分布于晶界。材料α＋β兩相組織分布較均勻,但α相的含量明顯多于β相的,β相的質量分數僅為30%。通常雙相鉛黃銅在熱加工過程中會充分利用β相良好的鉛溶解能力溶解大量的鉛,然后進行加工,冷卻后大量鉛相在晶內析出,既提升了材料的切削性能,又減小了鉛對材料力學性能的不良影響[4-5]。然而該失效鉛黃銅接頭顯微組織中β相含量較少,不足以溶解質量分數高達3%的鉛,導致大量鉛顆粒聚集在晶界,甚至少量的鉛未能聚集成顆粒直接偏聚在晶界上,嚴重弱化了晶界強度,降低了材料的抗拉強度和塑性。

由掃描電鏡分析結果可知,斷口為沿晶斷裂,具有應力延時斷裂的特征。裂紋源于螺口管壁最薄的螺紋處,當機加工殘余應力以及裝配應力超過了部分晶界的耐受極限時,該位置應力集中嚴重,在晶界位置產生的微裂紋促進了裂紋的擴展。由金相檢驗和能譜分析結果可知,裂紋擴展路徑上普遍存在鉛偏聚的問題。

選取6件與失效鉛黃銅接頭同批次的接頭,其中3件未經熱處理,另外3件在300℃退火1 h。根據ISO-6957:1988Copper Alloys-Ammonia Test for Stress Corrosion Resistance對這6件鉛黃銅接頭進行應力腐蝕測試,測試時間為216 h。結果顯示未經熱處理的3件鉛黃銅接頭中有2件開裂,經退火處理后的3件鉛黃銅接頭均未開裂,這表明退火處理能有效地改善材料的韌性及塑性[6]。

3 結論及建議

CuZn39Pb3鉛黃銅接頭顯微組織中大量鉛聚集于晶界,弱化了晶界強度,降低了材料的抗拉強度和塑性,當機加工殘余應力和裝配應力超過了部分晶界的耐受極限時,螺紋富鉛晶界處產生微裂紋,微裂紋連接擴展最終導致鉛黃銅接頭開裂。

建議對CuZn39Pb3鉛黃銅進行退火處理,可改善材料中鉛的分布,提高材料韌性及塑性,防止因鉛偏聚導致接頭力學性能降低。