凝凍筒銅合金內(nèi)筒開裂原因質(zhì)量分析與探討

文/石生芳

冰激凌生產(chǎn)設(shè)備中，凝凍筒是關(guān)鍵部件之一，它的品質(zhì)直接關(guān)乎冰激凌的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。故從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到設(shè)備維護(hù)，定期檢查是非常重要的工作。某公司在對凝凍筒做定期檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)：凝凍筒近小法蘭一側(cè)內(nèi)筒內(nèi)表面有裂紋，裂紋基本呈環(huán)向分布，約占三分之一周長。

一、凝凍筒結(jié)構(gòu)和材質(zhì)

凝凍筒由內(nèi)筒和外筒組合而成，筒內(nèi)為制成的冰淇淋。它工作時(shí)需要承受不同的工作壓力。如，冰激凌通常工作壓力0.6 MPa～1.0 MPa，工作溫度-5 ℃；夾套內(nèi)為氟利昂冷卻劑（R404），內(nèi)筒工作壓力0.1 MPa，工作溫度-30 ℃～ -35 ℃。凝凍筒全長910 mm，外筒外徑φ126 mm，內(nèi)筒內(nèi)徑φ95.6 mm。內(nèi)筒由H62銅合金加工成型，其內(nèi)表面鍍有鉻層，鉻層厚0.15 mm，內(nèi)筒外表面有臺(tái)階和螺旋翼片。外筒由Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼制成。凝凍筒兩端分別設(shè)有不同直徑的不銹鋼法蘭，大法蘭φ215 mm，小法蘭φ170 mm。法蘭與外筒熔焊連接，同時(shí)與內(nèi)筒釬焊連接。本文采用宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)分析、硬度測量、金相分析、掃描電鏡分析及X射線能譜等多種檢測手段，查找凝凍器銅合金內(nèi)筒開裂的質(zhì)量原因。

1. 宏觀檢驗(yàn)

內(nèi)筒內(nèi)表面的開裂區(qū)域呈環(huán)向分布，約占三分之一周長，開裂區(qū)位于夾套區(qū)的起始段，非法蘭與內(nèi)筒的釬焊區(qū)，裂紋距凝凍筒內(nèi)筒外端面約28 mm（圖1-a）,裂紋曲折、重迭、斷續(xù)環(huán)向分布，尾端較纖細(xì)，無明顯塑性變形，裂紋旁側(cè)有多條細(xì)裂紋，呈簇分布，在開裂處縱向截開后，可見裂紋由內(nèi)筒外表面臺(tái)階轉(zhuǎn)角處起向內(nèi)斜向擴(kuò)展并貫穿壁厚，由此而形成內(nèi)壁表面裂紋, 轉(zhuǎn)角為直角過渡，沒有圓角R的過渡（見圖1-b）,在內(nèi)筒外表面臺(tái)階處可見沿轉(zhuǎn)角分布的裂紋，呈曲折、交錯(cuò)重迭分布，與內(nèi)壁裂紋相對應(yīng)，裂紋打開后，裂面較粗糙，為典型脆性斷口，臺(tái)階轉(zhuǎn)角處分布著徑向的起伏條紋并向內(nèi)壁鍍鉻層伸展，開裂是由內(nèi)筒外表面臺(tái)階轉(zhuǎn)角起始向內(nèi)壁發(fā)展的。

圖1 裂紋的位置和形貌

經(jīng)檢測，成份與硬度都符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2. 金相

① 內(nèi)筒外表面臺(tái)階轉(zhuǎn)角開裂（未貫穿）處縱向截面

臺(tái)階轉(zhuǎn)角處開裂的裂紋形貌金相在顯微鏡低倍下可觀察到細(xì)裂紋從轉(zhuǎn)角表面向內(nèi)曲折發(fā)展，主裂紋兩側(cè)有許多沿晶二次微裂紋，呈應(yīng)力腐蝕裂紋形態(tài)；同時(shí)，在轉(zhuǎn)角表面主裂紋旁，可見到垂直表面的裂紋，二條匯聚成一條的裂紋，呈45°方向曲折向內(nèi)發(fā)展；高倍下（見圖2），可見基體組織為α+β，β相呈帶狀沿軸向分布；主裂紋沿晶發(fā)展，局部沿β相延伸；在起始區(qū)域還可見到沿晶狀分叉。

圖2 裂紋沿晶狀發(fā)展形貌

② 裂面處縱向截面

裂面處縱向截面區(qū)域低倍下組織分布形貌，上側(cè)為銅制內(nèi)筒的外表面臺(tái)階轉(zhuǎn)角面，下側(cè)為內(nèi)筒內(nèi)表面鍍鉻層，可見近裂面區(qū)段多處開裂，裂面呈斜向、曲折分布，與條帶分布的β相相關(guān)。裂面處縱向截面高倍下組織分布形貌（見圖3），在起始區(qū)和擴(kuò)展區(qū)均可見裂紋沿晶擴(kuò)展，基體組織為α+β，β相條帶狀軸向分布。

圖3 裂面組織分布形貌

3. 掃描電鏡和X射線能譜分析

① 內(nèi)筒外表面臺(tái)階轉(zhuǎn)角開裂（未貫穿）區(qū)域

內(nèi)筒外表面臺(tái)階端面區(qū)近裂紋區(qū)域腐蝕及開裂形貌從圖4中可見許多沿晶狀微裂紋，局部裂紋與腐蝕斑相伴，部分裂紋連貫成平行主裂紋的曲折狀微裂紋，開口相對較寬。對上述表面裂紋腐蝕斑區(qū)進(jìn)行X射線能譜分析，可見除Cu、Zn基體主量峰線外，還可看到Hg（約 28.2%）峰線，表明開裂與汞鹽相關(guān)。在臺(tái)階外表面同樣可見沿晶狀微裂紋，相對細(xì)、淺一些，腐蝕相對輕微。

圖4 臺(tái)階端面上腐蝕及開裂形貌（SEI）

② 貫穿裂紋打開后裂面區(qū)域

貫穿裂紋打開后，在近外表面（臺(tái)階轉(zhuǎn)角處）裂面邊緣區(qū)形貌，可見裂面呈沿晶形態(tài)，起始邊緣與外表加工刀痕平行，且與刀痕及表面腐蝕斑相關(guān)。 在裂面中心區(qū)開裂形貌，呈沿晶脆性開裂形態(tài)，伴有團(tuán)絮狀花樣，晶面上可見小孔洞，并可見沿晶二次裂紋。對上述裂面上團(tuán)絮狀花樣區(qū)進(jìn)行X射線能譜分析，可見明顯的Hg（約32.8%）峰線，表明團(tuán)絮狀花樣區(qū)與汞鹽侵蝕有關(guān)。

三、討論

根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn)：凝凍筒內(nèi)筒內(nèi)部與夾套在工作壓力下，由于內(nèi)外筒材料不同，線膨脹系數(shù)不同，受結(jié)構(gòu)拘束度的影響，內(nèi)筒承受拉應(yīng)力，在內(nèi)筒直角轉(zhuǎn)角處，存在應(yīng)力集中，在腐蝕介質(zhì)的作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

應(yīng)力腐蝕開裂是金屬材料在拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境共同作用下而引起的，應(yīng)力腐蝕開裂是在腐蝕介質(zhì)、金屬材料、應(yīng)力這三個(gè)因素同時(shí)起作用時(shí)才能發(fā)生，而發(fā)生開裂的腐蝕介質(zhì)和金屬材料有特定的匹配關(guān)系。

開裂的凝凍筒具備了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的三個(gè)必備因素：

1. 材料因素

黃銅對應(yīng)力腐蝕是非常敏感的，一般認(rèn)為鋅含量小于15%的黃銅具有較好的應(yīng)力腐蝕抗力，隨著鋅含量的增加（直至40%），黃銅的應(yīng)力腐蝕敏感性上升，凝凍筒黃銅制內(nèi)筒H62鋅含量為37.07%，金相組織為典型的雙相組織，雙相組織對應(yīng)力腐蝕的敏感性較單相組織高。據(jù)此，該凝凍筒具備了應(yīng)力腐蝕的材料要素。

2. 應(yīng)力來源

凝凍筒內(nèi)筒內(nèi)部與夾套均承受一定的工作壓力,加上內(nèi)筒材料黃銅的線膨脹系數(shù)高于外筒材料碳鋼的線膨脹系數(shù)，受結(jié)構(gòu)拘束的影響，內(nèi)筒承受拉應(yīng)力，而轉(zhuǎn)角處的直角結(jié)構(gòu), 使得該部位還存在很高的應(yīng)力集中，更加容易誘發(fā)裂紋（滿足應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力要素）。

3. 介質(zhì)要素(環(huán)境)

應(yīng)力腐蝕只有在某些金屬與介質(zhì)的特定組合情況下才能發(fā)生，故，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的一個(gè)主要因素是特定的腐蝕介質(zhì)。據(jù)相關(guān)研究顯示：黃銅在氨和汞鹽中會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，由此可見，黃銅與汞鹽是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的特定組合, X射線能譜分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)筒外表面存在汞鹽，因此，該凝凍筒具備了應(yīng)力腐蝕的環(huán)境因素。

綜上所述，凝凍筒內(nèi)筒開裂為應(yīng)力腐蝕開裂，內(nèi)筒外壁臺(tái)階轉(zhuǎn)角處不是圓滑過渡，致使應(yīng)力集中明顯，從而加快了應(yīng)力腐蝕開裂的速度。

四、結(jié)論與建議

該凝凍筒銅制內(nèi)筒的材質(zhì)化學(xué)成分符合H62的相關(guān)技術(shù)要求，但該凝凍筒內(nèi)筒的H62黃銅在汞鹽介質(zhì)和有效應(yīng)力的共同作用下，使內(nèi)筒產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋；裂紋起始于銅制內(nèi)筒外壁臺(tái)階轉(zhuǎn)角處，而后向內(nèi)部擴(kuò)展，最終穿透壁厚，致使內(nèi)筒開裂。

內(nèi)筒外壁臺(tái)階轉(zhuǎn)角處不是圓滑過渡，致使應(yīng)力集中明顯，從而加快了應(yīng)力腐蝕開裂的速度。

建議轉(zhuǎn)角處增大圓角R值，避免過度的應(yīng)力集中，并查明凝凍筒夾套內(nèi)汞鹽的來源，避免再度發(fā)生設(shè)備裂紋的問題。