熱鍛黃銅閥門開裂原因及熱脆機(jī)理分析

祝云霞

摘要：由于黃銅閥門在熱煉后發(fā)生了破裂的特殊現(xiàn)象，就需要采用物理和化學(xué)的方式來進(jìn)行分析，對黃銅閥門破裂的主要原因進(jìn)行研究和剖析。研究結(jié)果證實了：熱脆現(xiàn)象才是造成黃銅閥門沿晶破裂的最主要的原因。因為在熱鍛的過程中，鉛元素在晶界處產(chǎn)生了一種偏聚的現(xiàn)象，從而生成了一種富鉛的低熔點共晶相，使得晶界處減弱;同時在拉應(yīng)力的作用影響下，黃銅閥門的裂縫先由閥體表面起源，再沿主軸逐漸向長度方向延伸，最后產(chǎn)生了脆性裂縫。最后本文根據(jù)閥門裂縫的原因，給出了防治的措施。

關(guān)鍵字：黃銅;熱脆現(xiàn)象;熱鍛現(xiàn)象;閥門;沿晶開裂現(xiàn)象

黃銅具有硬度值較高、防銹蝕、耐溫度，以及優(yōu)良的表層加工性和導(dǎo)電能力等優(yōu)點，在水力發(fā)電、通訊、道路、油田化工行業(yè)以及大型容器生產(chǎn)等全行各業(yè)上都獲得了廣泛的使用。單相黃銅不適合熱加工處理，所以，人們往往選擇熱加工特性更好的雙向黃銅合金來制造熱鍛產(chǎn)物，如閥門、水嘴和管道聯(lián)接件等。但是，由于在熱鍛的流程中，黃銅制合金必須在高溫下經(jīng)受較大的溫度變化，加之熱鍛產(chǎn)物的構(gòu)造復(fù)雜性，很易形成冷隔、起皮、褶皺、顆粒粗大等問題。

熱鍛黃銅閥門存在問題的原因大部分是由于其構(gòu)造太過于復(fù)雜，而造成變形比較高所引起的。但目前，由于熱鍛工藝的使用時間一般不大于十年，再加上熱鍛工藝具有固態(tài)壓鑄的特性，而導(dǎo)致問題較不容易被人發(fā)覺。這樣，產(chǎn)品就算經(jīng)過檢測合格后，也會在實際使用過程中發(fā)生故障或損壞。不過對于上述問題，都能夠采取相應(yīng)的保護(hù)措施來進(jìn)行處理。

一、黃銅閥門缺陷產(chǎn)生的原因分析

1.1熱鍛棒料加熱方式的選擇不當(dāng)

熱鍛棒主要采用電爐、燃料噴燈、燃燒和中頻反應(yīng)等方法來實現(xiàn)加溫。但因為在加溫的過程中，電爐箱的溫度分配并不平衡，導(dǎo)致了銅棒容易發(fā)生融化的現(xiàn)象。所以，電爐加溫的方法現(xiàn)已不再被廣泛采用。與傳統(tǒng)燃料加溫和中頻加熱比較，其熱效果相當(dāng)?shù)牡?，而且其顆粒尺寸也相當(dāng)?shù)拇执?。并且在多次加溫以后，由于大部分的晶界都存在著熔融的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了顆粒過于粗大。而經(jīng)過了大量的試驗之后可以知道，在熱鍛的過程中所有的加溫方式在進(jìn)行了多次加溫以后，都會對鍛壓機(jī)件的總體品質(zhì)形成極大的危害。所以當(dāng)機(jī)件在熱鍛流程中，進(jìn)行了一次加溫而無法成形時才會考慮多次加溫，但是必須對于加熱的溫度和速度都要精確化。

1.2鍛件流線分布不順

在進(jìn)行熱鍛的生產(chǎn)過程中，因為出現(xiàn)模具、框架等等的設(shè)計不合理的現(xiàn)象，甚至還會出現(xiàn)熱鍛設(shè)備的噸位型號也并不合理的現(xiàn)象，就會導(dǎo)致熱鍛的各路支流設(shè)計出現(xiàn)了一種紊亂的情況，這樣就會使得熱鍛造過程中機(jī)械流線設(shè)計的分布不順。如果人工在使用的過程中發(fā)生了故障或是操作方法的不合理，就會使鍛件流線的分布也會不順。而出現(xiàn)鍛件流線的分布不順的情況就會直接降低毛坯的熱力學(xué)性能，也就是說可能會出現(xiàn)一種使毛坯的性能和設(shè)計的正好相反的情況，這都會給熱鍛的黃銅制品帶來極大的危險。

1.3折疊

在充型的過程中，黃銅合金的表層各種金屬物質(zhì)材料因為氧化反應(yīng)而混合在一起，這就導(dǎo)致黃銅產(chǎn)生了對折的現(xiàn)象。對折可以是由于有二個甚至更多的各種金屬物質(zhì)材料混合在一起所產(chǎn)生的現(xiàn)象，也可以是由于一個各種金屬物質(zhì)材料在高速流動的過程中，把其他的各種金屬物質(zhì)材料帶動起來所產(chǎn)生的各種金屬氧化物物質(zhì)材料混合在一起的折折現(xiàn)象。而假如變形的各種金屬物質(zhì)材料是由于回流或者是彎曲所產(chǎn)生的，甚至是折疊在了其他部分的各種金屬氧化物材質(zhì)中。那么出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能都由于黃銅棒原料的直徑尺寸高度、模型的設(shè)計情況、潤滑程度，甚至是對工人的動作沒有非常的嫻熟等因素所導(dǎo)致的。當(dāng)折疊的現(xiàn)象很嚴(yán)重時，例如在拋丸和機(jī)加工時，與黃銅合金表層處在粘連狀態(tài)的金屬表面會產(chǎn)生翹起甚至是剝落的現(xiàn)象，不過最為嚴(yán)重的區(qū)域依舊是在黃銅閥體表層的字體部位。強(qiáng)烈的折疊現(xiàn)象也會使金屬表面字體的筆畫缺失，這就足以可以表明折疊的結(jié)果是十分嚴(yán)重的。

1.4熱脆現(xiàn)象

熱脆現(xiàn)象是導(dǎo)致黃銅閥門沿晶開裂的主要原因，“熱脆”是指合金在加熱到且遠(yuǎn)未達(dá)到該成分合金的理論熔點的情況下，出現(xiàn)的一敲就散架的現(xiàn)象，并且在熱鍛的過程中，鉛元素在晶界處會發(fā)生偏聚的現(xiàn)象，形成富鉛的低熔點共晶相，使得晶界不斷弱化;且在拉應(yīng)力的作用下，裂紋從黃銅的閥體表面起源，并沿軸向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性開裂的情況發(fā)生。

二、分析與討論

2.1開裂原因分析

黃銅閥門的裂紋形式主要是沿晶脆性材料的裂紋。一般來說，黃銅晶界的鍵合力要大于晶界內(nèi)的鍵合力，因此只有當(dāng)材料晶界減弱時，裂紋線才會繼續(xù)沿著晶界不斷延伸，使得黃銅中晶界不斷減弱的原因主要包括了兩點，一就是在晶界上會出現(xiàn)夾雜的物質(zhì)，或者逐漸分解出了連續(xù)的脆性沉淀;二就是在金屬材料雜質(zhì)元素也就是磷、硫、錫、鉍、鉛等元素在晶界處偏聚;由于環(huán)境介質(zhì)原因，產(chǎn)生了銹蝕、高溫中的蠕變等等現(xiàn)象。而黃銅成品在長期服役的生產(chǎn)過程中，由于受到內(nèi)部應(yīng)力腐蝕的影響，往往也會產(chǎn)生了沿晶脆性材料裂紋的現(xiàn)象。另外在對與斷縫表面和顯微組織中殘留物質(zhì)的E D S的研究分析結(jié)果也顯示出了，鉛等元素在黃銅中的晶界處產(chǎn)生了偏聚的現(xiàn)象，而這種偏聚的現(xiàn)象是造成黃銅閥門的晶界不斷減弱的最主要的因素。而且再加上在熱鍛過程中所形成的拉應(yīng)力，以及在冷卻過程中的出現(xiàn)的殘余應(yīng)力的雙重影響下，就很容易會引起沿晶裂紋的產(chǎn)生與延伸，最后引起裂紋損壞失效。

2.2熱脆機(jī)理分析

黃銅閥門沿晶斷裂會出現(xiàn)的主要原因其時是在熱鍛中出現(xiàn)了熱脆的現(xiàn)像，因為有著較低溫度的共晶的熔化，就會使得黃銅晶界出現(xiàn)弱化、脆化的現(xiàn)象，所以就會從外部應(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力的雙重影響下產(chǎn)生了脆性斷裂的現(xiàn)象。鉛和黃銅都極易產(chǎn)生低于熔點的共晶組織，其共晶溫度只有三十六攝氏度，由于在熱鍛的過程中，是因為高溫擠壓成形的，所以在擠壓的速度與冷卻的過程中拉應(yīng)力作用的共同影響下，材料就輕易產(chǎn)生出沿共晶脆性方向斷裂的現(xiàn)象。因此，在對熱鍛過程中的黃銅閥門開裂的熱脆現(xiàn)象和對原材料的物理化學(xué)等等因素進(jìn)行分解時，會發(fā)現(xiàn)熱鍛過程中出現(xiàn)的不合理的高溫時間是和擠壓速度和冷卻速度有關(guān)的。

三、結(jié)論

綜上所述，在熱鍛流程中，不合理的熱鍛工藝造成了鉛元素向奧氏體晶界部集中，產(chǎn)生了富鉛的低溫度的共晶相，在熱拉應(yīng)力影響下，產(chǎn)生了沿晶微裂紋。因此要防止由熱鍛黃銅制品的熱脆現(xiàn)象，就必須注意控制原材料的雜質(zhì)元素含量以降低元素偏析，并建立了合適的熱鍛工藝，從而減少了擠出速度和淬火速度，使其避免產(chǎn)生更多的內(nèi)壓應(yīng)力。

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