渦輪式壓縮機(jī)引線銅管失效原因分析

況 敏,張吉阜,鄧春明,鄧暢光,陳煥濤

（廣東省科學(xué)院新材料研究所，廣東廣州510650）

隨著社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，消費(fèi)者對(duì)人居環(huán)境（如空調(diào)制冷制熱）、冷凍環(huán)境（如冰柜保鮮、冷庫(kù)冷藏、物流冷鏈）的需求越來(lái)越大．通常的制冷/冷凍系統(tǒng)都是由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件、蒸發(fā)器組成，通過(guò)管道串接成一個(gè)封閉的循環(huán)回路，在系統(tǒng)內(nèi)裝入一定量的制冷劑，制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)壓縮、冷凝、節(jié)流及蒸發(fā)四個(gè)基本環(huán)節(jié)完成一個(gè)制冷循環(huán)．壓縮機(jī)是制冷/冷凍系統(tǒng)的核心部件，被譽(yù)為制冷/冷凍系統(tǒng)的“心臟”，一臺(tái)壓縮機(jī)可以占到整臺(tái)空調(diào)成本的30%~40%，壓縮機(jī)連接的引出管線同樣成為制冷系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)．

近期在北方市場(chǎng)，接連出現(xiàn)由渦旋壓縮機(jī)引起的換熱器失效問(wèn)題，鑒于生產(chǎn)廠家已嚴(yán)格規(guī)范制作過(guò)程，為尋找失效原因，根除該類隱患，特進(jìn)行此次分析．

1 試樣及方法

1.1 試樣

在帶失效標(biāo)識(shí)的銅管片上，沿縱向截取遠(yuǎn)離失效標(biāo)識(shí)的部分銅管和橫向截取帶失效標(biāo)識(shí)的部分銅管，用環(huán)氧樹(shù)脂冷鑲嵌，待樹(shù)脂完全凝固后在連續(xù)更細(xì)的SiC砂紙上逐次研磨，再使用金剛石拋光膏拋光至鏡面．然后用化學(xué)浸蝕劑（FeCl3（5 g）+HCl（25 mL）+水（100 mL））浸蝕拋光試樣干燥后，進(jìn)行微觀組織分析．

1.2 檢驗(yàn)方法

采用LEICA DIM5000M光學(xué)顯微鏡和LEICA QWM550圖像分析儀，對(duì)失效銅管基體進(jìn)行微觀組織分析．采用Struers DuraScan-70維氏顯微硬度儀，測(cè)試失效件銅管基體各區(qū)域維氏顯微硬度．使用FEI NNS 450掃描電鏡（SEM）和EDAX Octanc Plus能譜儀（EDS）進(jìn)行微觀分析，觀察失效銅管標(biāo)識(shí)區(qū)域的表面形貌，并分析該區(qū)域成分，同時(shí)觀察失效銅管縱截面和橫截面形貌．

2 故障分析

2.1 背景介紹及宏觀觀察

壓縮機(jī)與制冷系統(tǒng)相連的線路引出端為銅管與鍍銅鋼管釬焊而成．壓縮機(jī)端為直徑28 mm的鍍銅鋼管，制冷線路端為直徑35 mm×1.2 mm的純銅管．將鍍銅鋼管插入銅管約8 mm后，對(duì)純銅管與鍍銅鋼管的套管部分周向施壓，使純銅管減徑至內(nèi)表面緊密貼合鍍銅鋼管，然后對(duì)套管進(jìn)行釬焊作業(yè)．

故障發(fā)生后經(jīng)氦檢發(fā)現(xiàn)，銅管存在泄漏，圖1為失效件外觀形貌圖．從圖1（a）可見(jiàn)，泄漏部位位于銅管減徑處．標(biāo)識(shí)泄漏部位后裁剪帶泄漏部位的銅管，截去正常部位，對(duì)帶泄漏點(diǎn)的弧形銅管片進(jìn)行宏觀觀察，標(biāo)識(shí)部位肉眼未發(fā)現(xiàn)裂紋孔等缺陷（圖1（b））．

圖1 失效件外觀形貌圖（a）失效位置；（b）失效處宏觀形貌Fig.1 Appearance and topography of failed parts（a）failure site；（b）macrograph of failure site

2.2 故障銅管基材成分分析

對(duì)被裁剪下來(lái)銅管的截掉部分進(jìn)行直讀光譜分析，分析結(jié)果列于表1．由表1可知，純銅管材質(zhì)符合GB/T5231-2012加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分中關(guān)于TP2要求．

表1 失效銅管基體直讀光譜分析結(jié)果表Table 1 Analysis results of failed copper tubes by direct reading spectral analysis

2.3 金相顯微分析檢查

截取平行于銅管軸線試樣，經(jīng)鑲嵌研磨拋光浸蝕后，對(duì)其進(jìn)行金相組織分析．圖2為銅管縱向金相組織形貌圖．從圖2可見(jiàn)：銅管外側(cè)存在一條平行于銅管軸線的條帶，條帶最外層厚約為60~90 μm，其金相組織為完全退火的單相α銅，晶粒平均直徑為0.017 mm；條帶次表層厚約20~40 μm，由單相α銅基底上布滿的氧化銅顆粒組成．銅管條帶內(nèi)側(cè)其余部分為完全退火態(tài)的單相α銅基體，銅管內(nèi)側(cè)基體的一部分晶粒較另一部分晶粒粗大，粗、細(xì)晶粒大致分布在一條與銅管軸線呈30 °方向的兩側(cè)，其中細(xì)晶分布在銅管與鋼管貼合的內(nèi)側(cè)，其平均晶粒直徑約為0.024 mm，而粗晶分布在銅管外側(cè)，其晶粒平均直徑約為0.054 mm．

圖2 銅管縱向金相組織圖（a）銅管外側(cè)的帶狀組織及左上側(cè)的粗晶和右下側(cè)的細(xì)晶；（b）銅管外側(cè)帶狀組織的高倍形貌Fig.2 Metallographic structure diagram of the longitudinal section of the failed copper pipe（a）the banded structure on the outside of the copper tube，the coarse grains on the upper left side，the fine grains on the lower right side；（b）the band on the outside of the copper tube high-magnification topography of the structure

截取垂直于銅管軸線試樣，經(jīng)鑲嵌研磨拋光后觀察發(fā)現(xiàn)，銅管外側(cè)間斷性地存在平行周向的條帶狀孔洞缺陷，缺陷有的為混合氧化銅顆粒的孔洞，有的為平行于周向的氧化銅條帶，有的為平行于周向的孔洞，條帶孔洞缺陷見(jiàn)圖3．

圖3 失效銅管橫截面金相組織圖（a）缺陷分布；（b）氧化銅條帶沿銅管外側(cè)周向分布；（c）孔洞帶沿銅管外側(cè)周向分布；（d）氧化夾雜物沿銅管外側(cè)周向分布Fig.3 Metallographic structure of the cross-section of the failed copper pipe（a）defect distribution；（b）copper oxide strips distributed along the outer circumference of the copper pipe；（c）hole strips distributed along the outer circumference of the copper pipe；（d）oxide inclusions along the copper pipe Outer circumferential distribution

浸蝕后觀察混合氧化銅顆粒的孔洞，其垂直于周向的裂紋．放大觀察發(fā)現(xiàn)，條帶基體上彌散分布有藍(lán)色氧化銅顆粒，條帶基體與銅管組織的晶粒密切相連（圖4）．

圖4 失效銅管外側(cè)缺陷高倍金相組織圖（a）氧化夾雜物孔洞上的裂紋；（b）條帶上的氧化銅顆粒Fig.4 High-magnification metallographic structure of the defect on the outside of the failed copper pipe（a）cracks on the holes of the oxide inclusions；（b）copper oxide particles on the strips

通過(guò)金相觀察，得出如下結(jié)論．縱向觀察發(fā)現(xiàn)：銅管經(jīng)釬焊后基體呈完全退火態(tài)，銅管內(nèi)側(cè)貼近鋼管處晶粒較其他部位細(xì)小；銅管基體整體連續(xù)，次表層由氧化銅顆粒組成的條帶分布在銅管基體上，條帶外側(cè)組織晶粒較內(nèi)側(cè)晶粒細(xì)?。畽M向觀察發(fā)現(xiàn)：銅管呈完全退火態(tài)，外側(cè)約60 μm深處存在呈環(huán)形分布的氧化銅顆粒富集帶，以及斷續(xù)分布的孔洞，孔洞破壞了銅管基體組織的連續(xù)性．

2.4 維氏顯微硬度測(cè)試

在縱向鑲嵌的金相試樣上測(cè)試銅片條帶處（最表層）、基體（細(xì)晶處）和焊接熱影響區(qū)（粗晶處）的維氏顯微硬度，測(cè)試結(jié)果列于表2.由表2可知，失效銅管維氏顯微硬度的順序?yàn)榛w（細(xì)晶處）＞條帶處（最表層）＞焊接熱影響區(qū)（粗晶處）．

表2 失效銅管維氏顯微硬度（HV0.05）值Table 2 Vickers microhardness value of failed copper pipe

失效銅管的維氏顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，按照GB/T1527-2006銅及銅合金拉制管中關(guān)于純銅管的力學(xué)性能-硬度試驗(yàn)要求可知，銅管起始硬度為特硬態(tài)（T），經(jīng)焊接后成為半硬態(tài)（Y2），氧化銅顆粒組成的條帶外側(cè)硬度為硬態(tài)（Y）．

2.5 掃描電鏡觀察及能譜分析

采用掃描電鏡對(duì)銅管表面標(biāo)識(shí)的失效部位進(jìn)一步觀察，圖5為失效銅管標(biāo)識(shí)部位表面缺陷．從圖5可見(jiàn)，未發(fā)現(xiàn)貫穿孔洞，標(biāo)識(shí)圈內(nèi)可見(jiàn)起始于黃銅釬料端（銅管末端）大致平行于銅管軸線的裂紋，裂紋長(zhǎng)約1 mm，裂紋起點(diǎn)、終點(diǎn)附近存在粘著脫落坑．

圖5 失效銅管標(biāo)識(shí)部位表面缺陷（a）銅管表面裂紋；（b）裂紋一端的脫落坑Fig.5 Surface defects at the identified location of the failed copper pipe（a）crack on the surface of the copper pipe；（b）shedding pit at one end of the crack

用能譜儀對(duì)脫落坑表面成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果列于表3．由表3可知，脫落坑表面含有C，O，Cu，F(xiàn)e和Cl元素，這說(shuō)明銅管表面裂紋與粘著脫落坑有關(guān)．

表3 失效銅管表面脫落坑內(nèi)能譜成分分析表Table 3 EDS analysis results in the shedding pit on the surface of the failed copper pipe

圖6 為失效銅管縮頸部位的缺陷．從圖6可見(jiàn)，在銅管縮徑部位發(fā)現(xiàn)平行于銅管軸向的流變線和垂直于流變線的微裂紋，這說(shuō)明銅管表面存在加工硬化導(dǎo)致的脆性裂紋．

圖6 失效銅管縮頸部位的缺陷（a）流變線；（b）垂直于流變線的裂紋Fig.6 Defects in the neck of the failed copper pipe（a）flowed line；（b）cracks perpendicular to the flowed line

觀察銅管橫截面，可見(jiàn)沿銅管外側(cè)存在一條缺陷帶（與金相觀察一致），缺陷距銅管表面約60~90 μm，其為混合氧化銅顆粒的孔洞，對(duì)其進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果列于表4．由表4可知，孔洞內(nèi)淺色部分含C，O和Cu，深色部分含C，O，Cu，Cl和Si，說(shuō)明銅管表層不僅含有夾雜而且含有夾渣．

表4 失效銅管橫截面孔洞內(nèi)淺色部分和深色部分能譜成分分析結(jié)果Table 4 EDS analysis results of the light and dark parts in the cross-section hole of the failed copper pipe w/%

電鏡觀察到，銅管表面減徑部分存在平行于銅管軸線的主裂紋、垂直于主裂紋的微裂紋和粘著脫落坑，粘著脫落坑內(nèi)殘留模具痕跡．截面觀察到，銅管外側(cè)存在環(huán)型缺陷帶，缺陷帶存在有斷續(xù)孔洞，孔洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)夾渣．表明，銅管外周存在缺陷，銅管減徑時(shí)銅管表面與模具間存在阻滯，模具有殘留物遺留在銅管表面．

3 分析與討論

由成分分析測(cè)試結(jié)果可知，銅管材質(zhì)符合GB/T5231-2012加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分關(guān)于TP2要求，由此可排除銅管基體材料成分對(duì)失效的影響．

宏觀觀察顯示，銅管失效部位位于銅管減徑開(kāi)始處．由于該處是銅管承受減徑模具正向拉伸和橫向壓應(yīng)力的應(yīng)力集中處，是銅管材料正向拉伸和橫向壓縮形變量最大處．

金相觀察顯示，銅管次表層存在的氧化物顆粒條帶和氧化物夾雜、孔洞等缺陷．一方面，缺陷切斷了銅管橫截面的材料組織連續(xù)性，使銅管分為內(nèi)外兩層，銅管在減徑時(shí)容易造成內(nèi)外層錯(cuò)動(dòng)滑移．另一方面，由于模具內(nèi)表面光潔度不足或銅管與模具間潤(rùn)滑不好，亦或減徑工藝與銅管硬度不匹配，在減徑時(shí)發(fā)生微動(dòng)磨損，造成大量垂直于模具運(yùn)動(dòng)方向的微裂紋，同時(shí)模具粘附帶銅管表面材料，造成銅管表面材料塊狀脫落．

維氏顯微硬度測(cè)試顯示，銅管減徑時(shí)基體為特硬態(tài)．由于特硬態(tài)銅管基體殘余應(yīng)力較高，材料難以承受再次形變，形變后在銅管表面萌生裂紋．銅管減徑過(guò)程非靜態(tài)形變，而是采用沖擊方式使銅管形變，這樣銅管表面萌生的裂紋將會(huì)在后續(xù)沖擊形變時(shí)擴(kuò)展，沿徑向擴(kuò)展的裂紋將實(shí)質(zhì)性降低銅管有效壁厚．壓縮機(jī)工作時(shí)銅管減徑處裂紋受外界交變應(yīng)力而發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)裂紋穿透銅管管壁時(shí)空調(diào)泄漏．

4 結(jié)論

（1）銅管失效性質(zhì)為材料疲勞失效．

（2）銅管失效原因：第一，銅管基材硬度太大，難以承受數(shù)次沖擊的減徑形變；第二，銅管表面與模具間潤(rùn)滑不良或減徑工藝與銅管硬度不匹配，致使銅管表面產(chǎn)生大量裂紋；第三，銅管基體（銅管外側(cè)）沿周向分布缺陷，降低銅管有效橫截面積．