黃銅藥筒失效分析

丁昌勝，樊志罡，紀(jì) 紅，杜風(fēng)貞

(1.遼寧錦華機(jī)電有限公司，遼寧 葫蘆島 125125;2.北京有色金屬研究總院，北京 100088)

0 引言

46 黃銅是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)民用及國防軍工領(lǐng)域的一類銅合金材料，材料牌號較多，H62是常見的牌號，這類黃銅在使用過程中發(fā)生應(yīng)力腐蝕是其最常見的失效形式［1-2］。某企業(yè)生產(chǎn)的黃銅藥筒服役過程中發(fā)生爆裂失效，該失效件是采用46 黃銅鑄坯經(jīng)切削去皮獲得一定尺寸的毛坯餅，再經(jīng)多道次深拉形成的薄壁圓筒形零件，內(nèi)裝化學(xué)反應(yīng)藥劑，反應(yīng)生成高溫高壓氣體做功。失效樣品是1992年生產(chǎn)并服役的零件，用戶在2014年使用過程中在靠近藥筒底部處發(fā)生破裂，形成的高溫?zé)煔庠斐闪瞬僮魅藛T及設(shè)備較為嚴(yán)重的損傷。其他用戶也反映該企業(yè)生產(chǎn)部分批次零件中出現(xiàn)類似問題，引起企業(yè)的高度重視，統(tǒng)計(jì)顯示，全國用戶共發(fā)生了6 起同類質(zhì)量事故，發(fā)生問題的部位均在藥筒底部處。由于發(fā)生開裂泄漏危害大，嚴(yán)重時會傷及操作者及整機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行，又因該類型失效未見相關(guān)報(bào)道，為此，通過查找事故的根本原因，找到根本解決方案，以減小該類事故的發(fā)生概率，提高產(chǎn)成品率，具有較高的分析研究價值。

本研究針對失效樣品及通過超聲無損檢測查出的1 例存在內(nèi)裂紋的再制品樣品，進(jìn)行化學(xué)成分分析、金相顯微組織觀察、掃描電鏡形貌分析及能譜微區(qū)成分分析等測試，結(jié)合對該企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場工藝流程全過程調(diào)研結(jié)果，找出該產(chǎn)品在使用過程中產(chǎn)生開裂的根本原因，并對后續(xù)的零件的加工工藝提出改進(jìn)建議。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 失效樣品形貌宏觀觀察

失效樣品形態(tài)如圖1 所示，缺陷源距樣品底部30～50 mm 位置，沿冷拔方向擴(kuò)展，開裂總長度約250 mm，裂紋尖端呈“Y”型，裂紋下部處呈熔融狀，垂直方向上看，開裂方向與樣品徑向呈45°(圖1d 的箭頭所指處)。這一開裂缺陷表層因失效時產(chǎn)生的瞬時高溫高壓而產(chǎn)生化學(xué)損傷，在樣品裂紋表面及附近區(qū)域形成黑色腐蝕痕跡。

1.2 化學(xué)成分分析

失效件所用材質(zhì)為46 黃銅，從失效件底部靠近缺陷起始部位取樣做化學(xué)成分分析，試驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值見表1?？梢娛悠坊瘜W(xué)成分及易引發(fā)開裂失效的雜質(zhì)元素均符合規(guī)定要求，化學(xué)成分合格。

圖1 失效樣品裂紋形態(tài)Fig.1 Crack morphology of the failure sample

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Results of chemical composition analysis (mass fraction/%)

1.3 金相顯微組織及斷口形貌分析

1)失效樣品斷口附近金相組織分析。

圖2 為失效樣品靠近裂紋位置的金相顯微組織，可知其顯微組織為α +β 兩相組織構(gòu)成，α 相為Zn 在Cu 中的固溶體，呈亮白色，是基體相，β相為Cu-Zn 化合物為基的固溶體，Cu 含量較高，顏色較深且容易被浸蝕，該相為第二相［3］。組織晶粒細(xì)小，不同部位變形量不同，晶粒拉長程度有差異，未見明顯的夾雜物缺陷。

2)失效樣品的斷口形貌分析。

對失效樣品失效位置的形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)失效樣品裂紋整體長約250 mm，大部分區(qū)域斷面與表面切向呈45°，即45°最大剪切應(yīng)力處開裂，裂紋底部部分?jǐn)嗝姘l(fā)生熔融噴濺，斷口表面存在輕微腐蝕，導(dǎo)致底部裂紋斷面微觀特征不復(fù)存在;在該熔融區(qū)域較靠上位置(該處壁厚約4.5 mm)處，在裂縫靠近底部熔融部分上邊約10 mm 處開始出現(xiàn)1 條長約30 mm 的臺階，疑為缺陷造成的，呈長條管束狀缺陷，宏觀形貌如圖3 所示。

對存在臺階位置的斷面進(jìn)行掃描電鏡斷口分析，由于斷面經(jīng)過高溫氣體腐蝕，存在明顯的氧化和脫鋅痕跡，但是斷口基本形貌仍然存在。通過掃描電鏡觀察斷口顯微形貌特征，可見該臺階處斷面宏觀微觀形貌均不同于其他部位，該處帶有明顯的方向性，呈條狀延伸，中間稍寬，兩端漸窄，較寬處缺陷距離外表面1.24 mm，缺陷寬度達(dá)1.23 mm，此處總壁厚為4.78 mm，缺陷占壁厚的比例為1/4。放大觀察可見，缺陷處存在擠壓收縮形成的條狀棱，存在微觀腐蝕痕跡，其他位置的斷面呈45°剪切斷裂，斷面較平滑，撕裂韌窩形態(tài)雖已被腐蝕，但是還能看到其輪廓痕跡(圖4)。

3)超聲探傷樣品斷面缺陷分析。

圖2 失效樣品縱向、橫向微組織形貌Fig.2 Microstructure of failure sample

圖3 失效樣品斷口處臺階缺陷宏觀形貌Fig.3 Macro-morphology of the defect at the failure fracture

通過對該廠庫存成品進(jìn)行超聲探傷篩查，發(fā)現(xiàn)1 例根部存在疑似隱含裂紋的樣品，作為對比分析樣品，并對該缺陷位置取樣拉斷進(jìn)行斷面觀察。可見疑似缺陷呈明顯條狀臺階式，與斷口其他位置的斷裂方式有較大區(qū)別。通過測量可知，該疑似缺陷部分長度超過10 mm(圖5)。

圖4 失效樣品斷口處缺陷SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of the defect at the failure sample fracture

圖5 超聲探傷樣品缺陷斷面宏觀形貌Fig.5 Macro-morphology of the defects at the contrast sample fracture

對該斷口進(jìn)行掃描電鏡斷口形貌分析，可見該隱含缺陷在工件壁厚內(nèi)呈管束狀，沿工件拉伸方向延伸，并由下而上逐漸變窄，缺陷邊緣距離樣品外表面約0.75 mm，缺陷最大寬度約為0.5 mm，期間夾雜著細(xì)小的裂紋，缺陷與周邊組織有明顯的界限，缺陷斷面高倍下呈長條胞狀高低起伏形態(tài)(圖6)。能譜分析未見腐蝕痕跡(圖7)，其斷面形貌與其他位置斷面呈韌窩狀塑性開裂形態(tài)特征的顯著區(qū)別。圖8 顯示為缺陷處橫截面金相高倍顯微組織形貌，裂紋呈不完全閉合形態(tài)，裂紋部分段區(qū)呈管狀空腔。

1.4 氨薰試驗(yàn)

圖6 對比樣品斷口缺陷處SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of the defect at the contrast sample fracture

圖7 超聲檢測樣品缺陷處EDS 成分分析Fig.7 SEM morphology and EDS results of the defect at the contrast sample fracture

圖8 裂紋處橫截面金相組織Fig.8 Cross section microstructure near the crack of contrast sample

在許多材料應(yīng)用過程中，應(yīng)力腐蝕危害非常大［4-6］，黃銅對應(yīng)力腐蝕敏感，容易發(fā)生“季裂”，因此黃銅制品生產(chǎn)機(jī)械壓力加工完成后要去應(yīng)力退火，防止產(chǎn)品日后使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂［6-7］。由于失效樣品內(nèi)外涂敷環(huán)氧樹脂，作為產(chǎn)品防腐的手段，因此要驗(yàn)證其是否發(fā)生應(yīng)力腐蝕，需要首先通過溶劑去除環(huán)氧樹脂漆，并對失效樣品同批次未使用樣品進(jìn)行氨薰試驗(yàn)，以了解其產(chǎn)品宏觀內(nèi)應(yīng)力問題。通過氨薰試驗(yàn)顯示，該批次產(chǎn)品并沒有發(fā)現(xiàn)氨薰裂紋，說明其宏觀內(nèi)應(yīng)力水平較低，抗腐蝕能力是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的。

2 分析與討論

通過各項(xiàng)分析測試可知，化學(xué)成分、顯微組織、宏觀內(nèi)應(yīng)力檢查均正常;斷口分析顯示，失效樣品斷面整體較長，在靠近根部處存在一長條狀異常斷裂臺階，該臺階高倍下形態(tài)呈管束狀，與其他位置斷面形態(tài)也有顯著區(qū)別。對利用超聲檢測發(fā)現(xiàn)問題的對比樣品也進(jìn)行了斷面分析，該缺陷位于距底部約30 mm 處，隱藏在樣品內(nèi)部，打開裂紋后發(fā)現(xiàn)該處呈長條帶狀分布，與拉伸方向相同，具有明顯的方向性，缺陷寬度隨著壁厚變薄而變小，缺陷處微區(qū)成分無異常，斷面清潔無污染，能譜分析顯示無腐蝕氧化痕跡，微觀上裂紋斷面呈胞狀高低起伏形態(tài)，明顯區(qū)別于具有撕裂韌窩狀的新打開斷面形貌特征。失效的樣品斷口上存在的缺陷類型與通過檢測得到的樣品缺陷類型及微觀特征非常相似。

對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，熔鑄車間內(nèi)鑄錠表皮及皮下存在肉眼可見少量空洞，這些空洞基本呈球形，直徑部分達(dá)6 mm，內(nèi)壁圓滑新鮮，顏色與新鮮黃銅基體顏色相同，疑似熔鑄形成的皮下氣孔。氣孔產(chǎn)生原因很多，常見原因是熔煉過程中，物料潮濕、排氣時間不足，及熔鑄拉坯速度較快有關(guān)［8-9］。生產(chǎn)中排除氣孔的手段是在鑄錠截成坯料并機(jī)加工去皮的過程中通過用肉眼識別，存在明顯肉眼可見的氣孔的坯料則作為廢品挑出，但是隱藏在內(nèi)部的和表面暴露較少的氣孔很難被發(fā)現(xiàn)，直接被帶到下一道工序中，帶有這類缺陷的部分產(chǎn)品在隨后拉拔過程中可能因發(fā)生斷裂而淘汰，也可能一直隱藏在最終產(chǎn)品中。隨著沖壓和冷拉拔的進(jìn)行，產(chǎn)品頂部變形量較大，氣孔也隨之變形，大氣孔會直接導(dǎo)致樣品破裂而報(bào)廢，筒身上的較小氣孔可能會隨著變形而產(chǎn)生閉合或者部分閉合，但樣品筒靠近底部區(qū)域因變形量小，氣孔會隨著拉拔而變形成為長條帶狀缺陷，不能完全閉合或者冷焊合。這些隱含長條帶狀裂紋減小局部區(qū)域的有效壁厚，降低其承載能力，成為產(chǎn)品工作瞬間的薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)該隱含裂紋較寬較長時，工作過程中可能會引起黃銅藥筒的爆裂失效。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)該企業(yè)并未引入超聲無損檢測手段進(jìn)行質(zhì)量控制，無法在最終端對缺陷進(jìn)行有效的篩選。通過對超聲檢測有缺陷樣品的缺陷成因進(jìn)行了分析，可見這一管束狀內(nèi)裂紋缺陷斷面無任何氧化腐蝕等現(xiàn)象，表面較為光滑，推理認(rèn)為該缺陷是因冶金過程鑄造形成的皮下隱含氣孔經(jīng)拉伸變形形成的，這是最有可能造成該產(chǎn)品使用過程中發(fā)生開裂失效的根本原因。目前該企業(yè)采用優(yōu)化熔鑄工藝，如強(qiáng)化物料烘烤工藝管理、延長熔煉排氣時間、適當(dāng)降低拉坯速率、增加各工序的無損檢驗(yàn)力度等措施，特別是在產(chǎn)品成型后的每一再制品進(jìn)行超聲無損檢測，能有效篩選出隱含缺陷的最終產(chǎn)品，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和成品率，同時顯著降低藥筒爆裂的事故概率，提高了產(chǎn)品使用的安全性。

3 結(jié)論

1)熔鑄工藝不當(dāng)造成熔鑄鑄錠形成的皮下隱含氣孔，是最可能導(dǎo)致黃銅藥筒工作過程中失效的根本原因。

2)依據(jù)該企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出的建議有:優(yōu)化熔鑄工藝或通過技術(shù)改造，減少鑄坯內(nèi)氣孔缺陷，提高產(chǎn)品成品率;利用無損檢測等手段，在坯料階段篩選排除存在缺陷的坯料，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，降低該類事故發(fā)生概率。

3)通過跟蹤該企業(yè)半年的生產(chǎn)實(shí)際，驗(yàn)證了黃銅藥筒失效開裂的主要原因分析的結(jié)論是正確的，提出的建議及技術(shù)改造方案是切實(shí)有效的，建議的實(shí)施方法不僅降低了其產(chǎn)品風(fēng)險，還提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

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