某汽車蓄電池用H65黃銅電纜端子開裂原因分析

薛喜才, 邵百明, 倪 雷, 朱玲斌, 賈尚華

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司 乘用車公司, 上海 201800)

汽車蓄電池電纜端子由黃銅沖壓成型，通過螺栓擰緊并固定在蓄電池電極上，主要起到緊固的作用。某汽車蓄電池電纜端子現(xiàn)場裝配后出現(xiàn)多起開裂故障，該蓄電池電纜端子的材料為H65黃銅，硬度狀態(tài)等級為Y2，成型工藝為：多道沖壓→整形→去毛刺→電鍍→裝配。抽取同批次庫存端子進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分端子也存在裂紋。

目前國內(nèi)關(guān)于黃銅開裂原因的研究較多。曹標(biāo)等[1]對黃銅角閥的開裂原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)角閥屬于應(yīng)力腐蝕開裂，裝配應(yīng)力過大是導(dǎo)致其開裂的主要原因。楊曉等[2]對H62黃銅套管開裂行為進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)是扭曲應(yīng)力、殘余應(yīng)力及環(huán)境共同作用引起了應(yīng)力腐蝕開裂。黃銅發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂具有季節(jié)性、脫鋅等特征[3]，特別是在南方潮濕高溫的環(huán)境中，如果黃銅零件冷加工后不退火或退火不及時(shí)，就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

為了查明該汽車蓄電池的H65黃銅電纜端子出現(xiàn)開裂的原因，筆者對其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀查

宏觀觀查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)開裂的端子形狀類似“卡箍”，裂紋出現(xiàn)在折彎區(qū)域，部分裂紋較長,長度達(dá)到2～3 mm；部分裂紋較細(xì)小，長度不到0.5 mm，如圖1所示。

圖1 蓄電池電纜端子的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of battery cable terminal

1.2 化學(xué)成分分析

對端子開裂部位取樣，采用Bruker Q4/UV型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢姸俗拥幕瘜W(xué)成分符合GB/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號和化學(xué)成分》對H65黃銅成分的要求。

表1 蓄電池電纜端子的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of battery cable terminal (mass fraction) %

1.3 斷口分析

將端子沿著裂紋人工打開，使用VHX-200E型體視顯微鏡觀察斷口形貌，如圖2所示?？梢姅嗫陬伾l(fā)暗，斷面平齊且附近無明顯的塑性變形，斷口表面有腐蝕產(chǎn)物覆蓋。采用EVO MA25型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。由圖3可見，斷口呈沿晶開裂特征并伴隨二次裂紋，斷口附近表面區(qū)域有腐蝕產(chǎn)物堆積，斷口內(nèi)部晶面有顆粒狀物質(zhì)覆蓋。

圖2 端子斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of terminal fracture

圖3 端子斷口不同部位的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of different parts of terminal fracture: a) near surface area; b) internal area

使用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)分別對斷口附近表面腐蝕產(chǎn)物和內(nèi)部晶面顆粒狀物質(zhì)進(jìn)行微區(qū)成分分析。由表2可見，斷口附近表面腐蝕產(chǎn)物中含有較多的錫元素，內(nèi)部晶面也含有錫元素，這說明在進(jìn)行鍍錫工藝前，端子已產(chǎn)生裂紋。由錫元素含量可推測裂紋為由表及里擴(kuò)展。在裂紋附近，除了錫元素以及基體材料中的銅、鋅元素外，還含有較多的氧元素，未檢測到其他腐蝕性元素如氯、硫等，這說明端子斷面的腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物。

1.4 金相檢驗(yàn)

在端子的開裂部位取樣，試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光，使用三氯化鐵鹽酸水溶液(FeCl3，HCl，H2O的體積比為1…3…12)浸蝕后，采用Axio Imager. A2m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖4可見，端子開裂部位組織中裂紋沿著晶界呈樹枝狀擴(kuò)展，裂紋形態(tài)與應(yīng)力腐蝕裂紋的相似[4]。由圖4a)可見，端子開裂部位的邊緣組織中存在變形的α相和β相[4]，組織內(nèi)部分布著大量的黑色滑移線，因此判斷邊緣區(qū)域由于組織變形存在較高的殘余應(yīng)力。由圖4b)和圖4c)可見，端子開裂區(qū)域與未開裂區(qū)域的心部顯微組織無明顯差異，均為等軸α+β相，且無明顯的冶金缺陷。

表2 端子斷口不同物質(zhì)的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 EDS analysis results of different material of terminal fracture (mass fraction) %

圖4 端子開裂部位不同位置的顯微組織Fig.4 Microstructure of cracking area on terminal atdifferent positions: a) edge; b) center of cracking area; c) center of uncracked area

1.5 硬度測試

在端子基體取樣，采用ZHVU-AH型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試，得到端子硬度測試結(jié)果為85，86，86 HV，符合JIS H3100—2006《銅及銅合金薄板、板材和帶材》對H65黃銅的硬度要求(85～145 HV)。

1.6 鹽霧模擬試驗(yàn)

為查明端子沖壓成型后殘余應(yīng)力對其性能的影響，同時(shí)為了加快試驗(yàn)速率，取同批次庫存正常端子共計(jì)5個(gè),在ZYQ-16型中性鹽霧箱(注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液)中進(jìn)行不同時(shí)長(24，48，96 h)的鹽霧模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)后在端子沖壓折彎部位取樣，試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光，使用三氯化鐵鹽酸水溶液(FeCl3，HCl和H2O的體積比為1∶3∶12)浸蝕后，采用Axio Imager. A2m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過24 h鹽霧模擬試驗(yàn)后，端子的沖壓折彎部位均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋；經(jīng)過48 h鹽霧模擬試驗(yàn)后，部分端子的沖壓折彎部位存在應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋長度約為0.55 mm，且表面存在脫鋅現(xiàn)象，如圖5所示；經(jīng)過96 h鹽霧模擬試驗(yàn)后，部分端子肉眼可觀察到宏觀裂紋。這說明在現(xiàn)有沖壓工藝條件下，端子對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性較高，在遇到腐蝕介質(zhì)時(shí)，時(shí)間越長發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的概率越大。

圖5 經(jīng)過48 h鹽霧模擬試驗(yàn)后正常端子的顯微組織Fig.5 Microstructure of normal terminal after 48 h salt spray simulation test

2 分析與討論

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，端子的化學(xué)成分、硬度及顯微組織均未有異常，這說明端子出現(xiàn)裂紋與上述因素?zé)o關(guān)。由斷口分析結(jié)果可知，端子斷口處的近表面及內(nèi)部均含有一定量的錫元素，這說明端子在進(jìn)行鍍錫工藝前已有裂紋。斷口顏色發(fā)暗，無明顯的塑性變形，斷口呈現(xiàn)沿晶開裂形貌且伴隨二次裂紋，這與應(yīng)力腐蝕斷口的特征較相似[4]。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，端子斷口附近區(qū)域的裂紋起源于端子表面，且呈樹枝狀向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋走向符合應(yīng)力腐蝕裂紋走勢[4]。從裂紋萌生位置和裂紋走向來看，裂紋主要分布在端子沖壓折彎部位，且從折彎處向端子內(nèi)部擴(kuò)展，這是由于沖壓折彎部位為端子變形量較大處，沖壓成型后該處存在較大的殘余拉應(yīng)力。由鹽霧模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過48，96 h鹽霧試驗(yàn)后，在端子的沖壓折彎部位有裂紋萌生，這表明端子在殘余應(yīng)力下，遇到Cl-，OH-等腐蝕介質(zhì)一段時(shí)間后會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋[5]。

應(yīng)力腐蝕開裂是金屬構(gòu)件在靜應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境共同作用下所形成的脆性開裂，其成形的必要條件包括一定的拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境[6]。黃銅冷加工后往往存在一定的殘余拉應(yīng)力或者外加拉應(yīng)力，且處于易引起鋅選擇性溶解的腐蝕介質(zhì)中，黃銅處于有氨、氧、水、二氧化硫的環(huán)境中，再加上黃銅易于脫鋅[7]，因而易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[8]。

通過調(diào)查出現(xiàn)裂紋端子的工藝流程卡，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中無退火工序，且表面鍍鋅工序采用的是委托外廠電鍍。端子的生產(chǎn)日期為2018年5月，電鍍時(shí)間為同年7月，端子放置時(shí)間為2個(gè)月，而此期間正是南方梅雨季節(jié)，氣溫較高且氣候潮濕。端子成型后應(yīng)力未能得到釋放，在殘余應(yīng)力和H2O，O2，CO2等腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論及建議

汽車蓄電池電纜端子沖壓成型后殘余應(yīng)力未得

到有效釋放，且端子在存儲期間接觸到H2O，O2，CO2等腐蝕介質(zhì)，導(dǎo)致其發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

建議對于冷加工件增加退火工藝，同時(shí)避免沖壓件在存儲期間接觸到腐蝕介質(zhì)，以降低發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的概率。