摘 要:某清洗机用双自封高液压气管接头在组装时出现裂纹,采用化学成分分析、金相检验、 力学性能试验等方法,对接头开裂的原因进行了分析.结果表明:接头开裂主要是由于接头材料在 冷拉成型后退火处理不当,导致组织中存在大量冷变形过程中形成的滑移线,造成材料强度和硬度 都较高,材料脆性增大塑性减小,从而使接头在组装过程中因受力发生开裂. 

关键词:双自封高液压气管;接头;冷变形;滑移线;退火 

中图分类号:TH１３１．３ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６４３Ｇ０３

清洗机用双自封高液压气管接头在用定力扭矩 扳手组装时发生卡壳,经检查发现接头的螺纹端部 出现了长度约为３mm 的裂纹,如图１所示.接头 整体呈阶梯状,其中螺纹部位材料为 HPb６３Ｇ３铅黄 铜,是由规格为?１２mm 的冷拉制铜棒经退火后加 工得到.螺纹部位之外较粗的部分被注塑封裹处 理.开 裂 处 螺 纹 规 格 为 M８ mm,螺 纹 管 壁 厚 ０．８mm.为查明开裂形成的原因,笔者对开裂的接 头以及同批次的原材料取样进行检验和分析,以期 找到有效的措施避免类似失效的再次发生.

１ 理化检验 

１．１ 化学成分分析 

从接头开裂的螺纹部位取样,用 MAXxLMM１４型SPECTRO直读光谱仪进行化学成分分析,结果如 表１所示.可见开裂接头的化学成分均符合GB/T ５２３１－２０１２«加工铜及铜合金牌号和化学成分»对 HPb６３Ｇ３黄铜成分的技术要求.

１．２ 金相检验 

截取垂直于开裂面的剖面试样,经磨制、抛光后,用三氯化铁盐酸水溶液(５g三氯化铁＋５０mL 盐酸＋１００mL蒸溜水)浸蚀,使用 DMI３０００M 型光 学显微镜进行观察.由图２可见,试样剖面的裂纹 贯穿螺纹管壁,裂纹尾端尖细,属于典型的应力裂 纹;裂纹两侧组织无明显异常,高倍下观察到显微组 织为α相和铅颗粒[１],晶内存在大量冷变形滑移线.

１．３ 硬度试验 

采用 DIA TESTER２RC型 WOLPERT 硬度计 在与接头开裂部位材料同批次的 HPb６３Ｇ３铅黄铜棒 上取样,对试样横截面进行布氏硬度测试.铜棒规格 为?１２mm,标尺选用 HBW２．５/１８７．５,加载时间为 １５s.得到同批次铜棒的硬度实测值为７２．８,７１．３, ７２．７HBW２．５/１８７．５,平 均 值 为７２．３HBW２．５/１８７．５, 均高于行业图纸规范要求的６５~６９HBW２．５/１８７．５ 范围的最高值. 

１．４ 拉伸试验 

在与接头开裂部位材料同批次的 HPb６３Ｇ３铅 黄铜棒上取拉伸试样,按照 GB/T２２８．１－２０１０«金 属材料 拉伸试验 第１部分:室温试验方法»,采用CMT５３０５型万能拉伸试验机进行室温拉伸试验, 结果见表２.可见试样的抗拉强度比 GB/T４４２３－ ２００７«铜及铜合金拉制棒»对 HPb６３Ｇ３黄铜的技术 要求值高５８MPa.

２ 分析与讨论 

由上述理化检验结果可知,与接头开裂部位材 料同批次的 HPb６３Ｇ３铅黄铜棒的硬度超出图纸规 范要求,其抗拉强度比 GB/T４４２３－２００７标准规定 值高５８MPa;组织中存在冷变形滑移线.HPb６３Ｇ３ 铅黄铜棒中铅的质量分数小于３６％,是典型的单相 α铅黄铜[１].该材料是面心立方(FCC)结构,具有 较多的滑移系,在冷变形加工过程中,受外力作用时 极易发生滑移变形,从而在晶内出现大量滑移线[２], 经再结晶退火处理后形成孪晶组织[１].而对接头开 裂部位进行金相检验发现,显微组织中只存在冷变 形滑移线,没有退火孪晶组织,这表明该接头所用 HPb６３Ｇ３铅黄铜棒的冷拉制变形工艺正常,但是退 火处理不够,造成其强度和硬度偏高,从而其脆性增 大,塑性减小,导致接头在组装时受力而开裂[３].

由于该批次 HPb６３Ｇ３铅黄铜棒为国外进口,如 果退回原厂重新加工所需周期太长,且其采购量很 大,成本较高,因此需要找到有效的补救办法.综 上,笔者认为最有效的办法是对铅黄铜棒进行再结 晶退火处理.但由于此前铅黄铜经过拉制冷变形和 不充分的退火处理,其组织和应力状态较复杂,因此 再结晶退火温度的选择非常关键.需要注意的是, 再结晶温度不是恒定的温度,其与变形程度密切相 关[４].同时,由于铅黄铜在拉制冷变形后晶粒变形 大,位错密度高,组织不稳定,向低能量变化的倾向 更大,由此推断铅黄铜棒的再结晶温度较低.但是, 如果温度太低达不到再结晶温度,铅黄铜不会再结 晶形核或者形核速度非常缓慢;如果再结晶温度太 高,晶粒会在形核后快速长大,从而弱化铅黄铜的力 学性能[５Ｇ６]. 

为找到经济有效的退火工艺,笔者选取同批次 铅黄铜棒４截,长度均为２００mm,在２６０,３００,３５０, ４００℃下分别退火处理１h,再按上述步骤进行布氏 硬度测试和室温拉伸试验,试验结果如表３所示. 可见随着退火温度的升高,试样的布氏硬度和抗拉 强度均出现下降趋势;３００ ℃和３５０ ℃下试样的抗 拉强度较适中,略高于标准要求;４００ ℃下试样的抗 拉强度低于标准要求.

用金相检验方法观察不同温度退火处理后试样 的显微组织.由图３可见,当退火温度为２６０ ℃时, 试样组织中存在冷变形滑移线,所以其抗拉强度偏 高,仍有开裂的风险;当退火温度为３００ ℃和３５０ ℃ 时,试样组织为均匀的α相＋铅颗粒;当退火温度为 ４００ ℃时,试样组织正常,但是晶粒有长大倾向.

３ 结论及建议 

该开裂接头的 HPb６３Ｇ３铅黄铜部位成分满足标准 要求,但硬度超标,抗拉强度超出标准值较多;该部位 显微组织存在冷变形滑移线,表明退火处理不充分. 

HPb６３Ｇ３铅黄铜棒在３００ ℃和３５０ ℃下退火 处理１h均可达到理想的力学性能,但综合考虑其 力学性能和成本因素,建议实际生产中在３００ ℃下 对其退火处理１h,可有效解决接头开裂问题.

参考文献: 

[１] 洛阳铜加工厂中心实验室金相组．铜及铜合金金相 图谱[M]．北京:冶金工业出版社,１９８３:１Ｇ２． 

[２] 李炯辉．金属材料金相图谱[M]．北京:机械工业出版 社,２００６:１５２７． 

[３] 崔刚．H６８黄铜弹壳开裂原因分析[J]．理化检验(物 理分册),２０１３,４９(３):１８５Ｇ１８８． 

[４] 钟卫佳．铜加工技术实用手册[M]．北京:冶金工业出 版社,２００７:８２０Ｇ８２１． 

[５] 王笑天．金属 材 料 学 [M]．北 京:机 械 工 业 出 版 社, １９８７:３９Ｇ４０． 

[６] 郭亮,金献忠,黄世杰,等．铅黄铜阀芯部件开裂分析 [J]．理化检验(物理分册),２０１３,４９(９):６２５Ｇ６２７．

文章来源——材料与测试网