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鉛黃銅

 

鉛黃銅是銅、鉛、鋅等有色金屬以一定配比而形成的合金，其因具有優(yōu)良的切削性能、出色的耐磨性能和高強度，被廣泛應(yīng)用于制造連接件、閥門、閥桿軸承等零部件。

 

鉛極少固溶于鉛黃銅，在其中以獨立相存在，以游離質(zhì)點分布在基體組織中晶界和晶內(nèi)，因而鉛既有潤滑作用又能使材料切屑成崩碎狀，可提高鉛黃銅的切削性和耐磨性。當鉛黃銅中鉛的質(zhì)量分數(shù)不超過3％時，鉛黃銅的切削性隨著鉛的質(zhì)量分數(shù)的增加而升高，但當鉛的質(zhì)量分數(shù)超過3％時，隨著鉛含量的增加，鉛黃銅的切削性不再升高且鉛的硬度、抗拉強度和斷后伸長率會降低。

 

事故背景

 

某CuZn39Pb3鉛黃銅接頭在表面鍍鎳處理后進行密封測試時在螺紋處發(fā)生開裂。為查明該鉛黃銅接頭開裂失效的原因，筆者對其進行了檢驗和分析。

 

理化檢驗

 

1、宏觀觀察

 

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，該鉛黃銅接頭螺紋處存在垂直于接頭端口的裂紋，如圖1所示。

 

圖1 失效鉛黃銅接頭不同部位的宏觀形貌

沿裂紋將接頭人為打開后觀察斷口的宏觀形貌，由圖2可見，斷口表面可分為2個區(qū)域：右側(cè)螺紋段金黃且發(fā)黑的原裂紋區(qū)(A區(qū)域)和左側(cè)白亮的人為斷口區(qū)(B區(qū)域)。從A區(qū)域可清晰看到裂紋由螺紋端口向螺母方向擴展。

 

圖2 鉛黃銅接頭斷口的宏觀形貌

 

2、掃描電鏡分析

 

在鉛黃銅接頭斷口表面取樣，使用FEI Sirion型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察試樣的形貌。

 

圖3 鉛黃銅接頭斷口表面的SEM形貌

 

由圖3可見，斷口呈現(xiàn)出沿晶斷裂的特征，在高倍下未發(fā)現(xiàn)鎳層滲透的跡象，這說明鉛黃銅接頭的開裂發(fā)生在其表面鍍鎳處理后。

 

圖4 鉛黃銅接頭斷口的橫截面取樣位置示意圖

 

在鉛黃銅接頭斷口的橫截面取樣，取樣位置如圖4所示。

 

圖5 鉛黃銅接頭斷口橫截面的SEM形貌

 

使用FEI Sirion型場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的形貌。由圖5可見，斷口沿晶界斷開且存在大量次生裂紋，次生裂紋沿晶界擴展，有少量游離晶粒形成，這說明材料晶界已被嚴重弱化，在應(yīng)力的作用下晶界開裂并連接擴展形成大的裂紋。

 

3、金相檢驗

 

在鉛黃銅接頭斷口取樣，試樣經(jīng)打磨、拋光，用體積分數(shù)為25％的硝酸水溶液浸蝕后，使用Olympus型金相顯微鏡觀察顯微組織。

 

圖6 鉛黃銅接頭斷口的顯微組織形貌

 

由圖6可見，鉛黃銅接頭材料的顯微組織中α相和β相分布較均勻，但α相含量明顯多于β相的，β相僅占約30％。鉛相以顆粒狀存在，且絕大部分鉛顆粒存在于晶界，幾乎無晶內(nèi)析出的鉛相。

 

4、能譜分析

 

使用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對鉛黃銅接頭斷口裂紋處進行面掃描微區(qū)成分分析，分析位置和分析結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

 

圖7 面掃描分析位置

 

圖8 面掃描分析結(jié)果

 

可見鉛以顆粒相存在，裂紋擴展路徑上的鉛顆粒已脫落(圖7箭頭所示)。

 

使用掃描電鏡附帶的能譜儀對圖7中裂紋擴展路徑上的1，2號位置及基體上的3號位置進行點掃描微區(qū)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。

 

表1 鉛黃銅接頭斷口裂紋處不同位置(如圖7所示)的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))％

 

由表1結(jié)合圖7可見，在裂紋擴展路徑上(1，2號位置處)雖然未觀察到鉛顆粒相，但其鉛含量明顯高于基體(3號位置處)的。推測這是由于原材料加工工藝存在問題導(dǎo)致部分鉛偏聚于晶界(少數(shù)位置存在錫)，雖鉛含量不足以聚集形成鉛顆粒相，但其嚴重弱化了晶界強度。

 

分析與討論

 

由金相檢驗結(jié)果可知，鉛黃銅接頭的顯微組織為α＋β雙相，鉛以顆粒相形式分布于晶界。材料α＋β兩相組織分布較均勻，但α相的含量明顯多于β相的，β相的質(zhì)量分數(shù)僅為30％。通常雙相鉛黃銅在熱加工過程中會充分利用β相良好的鉛溶解能力溶解大量的鉛，然后進行加工，冷卻后大量鉛相在晶內(nèi)析出，既提升了材料的切削性能，又減小了鉛對材料力學性能的不良影響。然而該失效鉛黃銅接頭顯微組織中β相含量較少，不足以溶解質(zhì)量分數(shù)高達3％的鉛，導(dǎo)致大量鉛顆粒聚集在晶界，甚至少量的鉛未能聚集成顆粒直接偏聚在晶界上，嚴重弱化了晶界強度，降低了材料的抗拉強度和塑性。

 

由掃描電鏡分析結(jié)果可知，斷口為沿晶斷裂，具有應(yīng)力延時斷裂的特征。裂紋源于螺口管壁最薄的螺紋處，當機加工殘余應(yīng)力以及裝配應(yīng)力超過了部分晶界的耐受極限時，該位置應(yīng)力集中嚴重，在晶界位置產(chǎn)生的微裂紋促進了裂紋的擴展。

 

由金相檢驗和能譜分析結(jié)果可知，裂紋擴展路徑上普遍存在鉛偏聚的問題。

 

選取6件與失效鉛黃銅接頭同批次的接頭，其中3件未經(jīng)熱處理，另外3件在300℃退火1h。根據(jù)ISO-6957：1988 Copper Alloys-Ammonia Test for Stress Corrosion Resistance對這6件鉛黃銅接頭進行應(yīng)力腐蝕測試，測試時間為216h。結(jié)果顯示未經(jīng)熱處理的3件鉛黃銅接頭中有2件開裂，經(jīng)退火處理后的3件鉛黃銅接頭均未開裂，這表明退火處理能有效地改善材料的韌性及塑性。

 

結(jié)論及建議

 

CuZn39Pb3鉛黃銅接頭顯微組織中大量鉛聚集于晶界，弱化了晶界強度，降低了材料的抗拉強度和塑性，當機加工殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力超過了部分晶界的耐受極限時，螺紋富鉛晶界處產(chǎn)生微裂紋，微裂紋連接擴展最終導(dǎo)致鉛黃銅接頭開裂。

 

建議對CuZn39Pb3鉛黃銅進行退火處理，可改善材料中鉛的分布，提高材料韌性及塑性，防止因鉛偏聚導(dǎo)致接頭力學性能降低。

 

作者：陳先艷，工程師，史陶比爾（杭州）精密機械電子有限公司