H62制紧固座开裂原因分析

于 淼

(南京机电液压工程研究中心，南京 211102）

0 引言

紧固座由H62黄铜制成，是液压泵上的零件，主要起紧固作用。原材料为退火态。零件工艺路线为:冲→车→钳→去应力退火。去应力热处理制度:280℃，2 h。零件形如碗状，装配过程中在碗口处发现存在多条深约1～2 mm裂纹，贯穿零件截面(图1)。进一步对库房零件检查，发现绝大部分零件存在裂纹。一旦在使用过程中零件破裂，碎块将对液压泵产生灾难性的后果。为找出裂纹产生的原因，进行了一系列检测分析。国内外对应力腐蚀的研究已经很多。工业材料如钛、铜、镁、铝合金及各种钢均发现有应力腐蚀开裂现象［1］。与其他合金相比，黄铜应力腐蚀具有季节性特征，往往发生在闷热潮湿的季节，在企业组织生产中往往被忽视。本研究对此类零件失效行为的分析对同类材料的失效分析与保证生产有一定的借鉴意义。

1 试验过程与结果

1.1 断口形貌及成分分析

将零件沿裂纹处打开，在体视显微镜下观察，断口如图2所示，断口平齐、发暗，未见明显的塑形变形。将打开断口在扫描电子显微镜下观察，为解理和沿晶的形貌，晶面较光滑，伴随有二次裂纹(图2～图3)。

图1 碗口开裂的直线状裂纹形貌Fig.1 Macro morphology of the linear cracks at edge

图2 断口宏观形貌Fig.2 Macro morphology of corrosion fracture

图3 断口沿晶+解理及二次裂纹微观形貌Fig.3 SEM morphology of fracture with intergranular，cleavage and the second crack

对断口发暗的部位进行能谱半定量分析(图 4)，以确定腐蚀产物。结果为:42.45C，5.32O，36.03 Cu，16.19 Zn(质量分数 /%)。除了零件材料本身的元素，主要还有O，腐蚀产物为氧化物。除了O，未检测到其他腐蚀性元素，一般金属应力腐蚀断口经常会检测到Cl、S等腐蚀性元素。由H62制成的紧固座断口上只检测到了O，此为与其他金属材料相比，H62的应力腐蚀特点。

1.2 金相组织及成分检查

对零件进行金相组织检查，零件经镶嵌、打磨、抛光后经三氯化铁盐酸水溶液腐蚀，吹干后在光学显微镜下观察，结果见图5～图7。由图5可以看出，裂纹深度约1.8 mm，图6为裂纹处(碗口)的组织，为大量变形的α及黑色点状β，其上分布着大量的滑移线。图7为非碗口处的组织，为等轴α及黑色点状β［2］，零件材料金相组织未见异常。

图8为裂纹微观分布，裂纹是沿晶和穿晶的混合形貌，且存在分叉的现象，这也是应力腐蚀裂纹扩展的特征［3］。

图4 断口EDS谱Fig.4 EDS spectrum of fracture

图5 直线状裂纹深度Fig.5 Depth of the linear crack

图6 碗口处变形α及黑色点状β组织Fig.6 Microstcture with great deformed α and black spot β at edge

图7 非碗口处等轴α及黑色点状β组织Fig.7 Microstcture with equiaxed α and black spot β beside the edge

图8 裂纹沿晶及穿晶分布形貌Fig.8 Intergranular and transgranular distribution of crack

对零件成分进行分析，结果见表1。化学成分符合技术要求，说明零件材料化学成分不是造成该类开裂的因素。

2 分析与讨论

由以上分析结果可以看出，零件化学成分及金相组织均未见异常。断口平齐，没有明显的塑性变形痕迹，断口发暗。微观形貌为沿晶和解理，伴随着二次裂纹。零件的裂纹走势为沿晶和穿晶的混合形貌［4］。从裂纹的位置和深度看，裂纹主要分布在碗口处，即零件成型时变形量最大的部位，冲压后存在较大的残余应力。

从以上分析来看，裂纹符合应力腐蚀的特征。进一步检查生产记录卡时发现，零件6月份冲压成型，去应力的时间已经是9月份。从冲压成型到去应力，零件放置了3个月的时间，此期间正是南方闷热潮湿的季节。H62具有较强的应力腐蚀破裂倾向［3］，因多发生在潮湿的雨季里，又称为“季裂”［5］，这种季节裂纹主要受环境及气候影响较大，如空气的潮湿情况等［6］。即使含 Zn量少于40%的黄铜，当夏季久存于潮湿之处，在显微组织中可以找出晶间裂纹［7］。

应力腐蚀是金属在腐蚀性介质和应力协同作用下产生的一种低应力腐蚀性断裂，其形成条件是要有一定的腐蚀环境和金属内必须有拉应力［8］。加工黄铜的应力腐蚀往往是存有冷加工的残余应力，或外加拉应力且处于易引起锌选择性溶解的腐蚀介质，如含氨、氧、水分、铵盐、SO2、汞盐、硝酸、硫酸气氛、尿液等，再加上铜合金本身易于脱锌等3个因素引起的［9］。

表1 零件化学成分(质量分数 /%)Table 1 Chemical compositions of the fastening base(mass fraction/%)

冷作硬化的材料和制件应及时去应力退火，此紧固座冲压成型后应力未得到及时消除，结合能谱分析结果，零件应该是在残余应力和腐蚀介质即潮湿大气中水分、O2及CO2的共同作用下发生应力腐蚀开裂。

在冲压后增加一道去应力工序，减少零件从冲压到去应力的时间，未见类似情况再次发生。

3 结论

1)紧固座失效模式为应力腐蚀开裂。

2)零件化学成分、金相组织均未见异常，零件冲压成型后放置时间过长，残余应力未得到及时消除，在残余应力和腐蚀介质即闷热潮湿大气中水分、O2及CO2的共同作用下发生了应力腐蚀开裂。

［1］吴培远，杨武鸣.机辅零件失效及缺陷分析［M］.航空与航天，1985:99.

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

［3］颜鸣皋，赵先存，钟培道，等.中国航空材料手册(第3卷)［M］.北京:中国标准出版社，1989:62.

［4］张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:国防工业出版社，2008:192－194.

［5］王晓伟.黄铜件镀银后开裂故障分析［J］.电镀与环保，2002，22(3):40 －41.

［6］孙浩.黄铜季裂研究［J］.锅炉制造，2009，(6):52.

［7］朱家琛，李德臣.马氏体逆变与顺变 黄铜季裂与锌“哭”［J］.铸造技术，2004，(2):145 －147.

［8］郑玱.油箱壁板裂纹分析［J］.失效分析与预防，2007，2(1):38－41.

［9］李炯辉，林德成.金属材料金相图谱［M］.北京:机械工业出版社，2006:1487.