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,陳學林

(1.臺州學院物理與電子工程學院,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介質流動,并具有可動機構的機械產品的總稱,是保證內燃機工作可靠性和耐久性的重要零件,對內燃機的動力性和經濟性有很大的影響.但閥門的工作條件惡劣,排氣閥頭部要承受熾熱燃氣的高速沖刷,且不易散熱.此外,閥門在開啟和關閉的過程中,不斷受到沖擊載荷的作用.在高溫條件下,閥門還要經受侵蝕介質的腐蝕,密封面極易破壞[1].閥體、閥蓋和閥瓣是閥門的主要零件,直接承受介質壓力,所用材料必須具有能在規(guī)定介質溫度和壓力下達到所需的力學性能以及良好的冷、熱加工工藝性能[2-5].

錫黃銅C46500是美國ASTM標準的環(huán)保銅合金,鉛的質量分數不大于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、生產效率高、制件品質優(yōu)良以及適宜大批量生產等優(yōu)點,在浙江沿海一帶得到廣泛應用.然而,C46500閥門坯料在紅沖過程中經常出現裂紋(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坯料經過紅沖后表面產生裂紋的原因,為防止坯料開裂提供一定的理論基礎.

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

1 試 驗

取一個紅沖后帶有裂紋的C46500閥門,見圖2.可以發(fā)現表面有一條較細的裂紋,在此處取樣,然后將試樣用S-4800型掃描電鏡進行觀察,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調到800倍,得到裂紋的形貌，如圖3所示.由于加熱后進行了大量的變形,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.

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,裂紋內C和O元素的質量分數,分別是無裂紋處的2.8倍和2.9倍,遠遠高于無裂紋閥門的表面,同時還新增加了雜質元素K和Mo.而裂紋內Cu的質量分數則大幅度下降,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 裂紋的形成機理

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

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

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

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

4 結 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坯料的屈服強度有關,屈服強度越大,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.雜質的帶入,降低了材料的強度,增加了坯料的脆性,容易產生裂紋.可用位錯塞積理論解釋裂紋形成的機理.所以,制備C46500材料時應減少雜質的混入,以防止裂紋的產生.

參考文獻:

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