热锻黄铜阀门开裂原因及热脆机理分析

祝云霞

摘要：由于黄铜阀门在热炼后发生了破裂的特殊现象，就需要采用物理和化学的方式来进行分析，对黄铜阀门破裂的主要原因进行研究和剖析。研究结果证实了：热脆现象才是造成黄铜阀门沿晶破裂的最主要的原因。因为在热锻的过程中，铅元素在晶界处产生了一种偏聚的现象，从而生成了一种富铅的低熔点共晶相，使得晶界处减弱;同时在拉应力的作用影响下，黄铜阀门的裂缝先由阀体表面起源，再沿主轴逐渐向长度方向延伸，最后产生了脆性裂缝。最后本文根据阀门裂缝的原因，给出了防治的措施。

关键字：黄铜;热脆现象;热锻现象;阀门;沿晶开裂现象

黄铜具有硬度值较高、防锈蚀、耐温度，以及优良的表层加工性和导电能力等优点，在水力发电、通讯、道路、油田化工行业以及大型容器生产等全行各业上都获得了广泛的使用。单相黄铜不适合热加工处理，所以，人们往往选择热加工特性更好的双向黄铜合金来制造热锻产物，如阀门、水嘴和管道联接件等。但是，由于在热锻的流程中，黄铜制合金必须在高温下经受较大的温度变化，加之热锻产物的构造复杂性，很易形成冷隔、起皮、褶皱、颗粒粗大等问题。

热锻黄铜阀门存在问题的原因大部分是由于其构造太过于复杂，而造成变形比较高所引起的。但目前，由于热锻工艺的使用时间一般不大于十年，再加上热锻工艺具有固态压铸的特性，而导致问题较不容易被人发觉。这样，产品就算经过检测合格后，也会在实际使用过程中发生故障或损坏。不过对于上述问题，都能够采取相应的保护措施来进行处理。

一、黄铜阀门缺陷产生的原因分析

1.1热锻棒料加热方式的选择不当

热锻棒主要采用电炉、燃料喷灯、燃烧和中频反应等方法来实现加温。但因为在加温的过程中，电炉箱的温度分配并不平衡，导致了铜棒容易发生融化的现象。所以，电炉加温的方法现已不再被广泛采用。与传统燃料加温和中频加热比较，其热效果相当的低，而且其颗粒尺寸也相当的粗大。并且在多次加温以后，由于大部分的晶界都存在着熔融的现象，从而导致了颗粒过于粗大。而经过了大量的试验之后可以知道，在热锻的过程中所有的加温方式在进行了多次加温以后，都会对锻压机件的总体品质形成极大的危害。所以当机件在热锻流程中，进行了一次加温而无法成形时才会考虑多次加温，但是必须对于加热的温度和速度都要精确化。

1.2锻件流线分布不顺

在进行热锻的生产过程中，因为出现模具、框架等等的设计不合理的现象，甚至还会出现热锻设备的吨位型号也并不合理的现象，就会导致热锻的各路支流设计出现了一种紊乱的情况，这样就会使得热锻造过程中机械流线设计的分布不顺。如果人工在使用的过程中发生了故障或是操作方法的不合理，就会使锻件流线的分布也会不顺。而出现锻件流线的分布不顺的情况就会直接降低毛坯的热力学性能，也就是说可能会出现一种使毛坯的性能和设计的正好相反的情况，这都会给热锻的黄铜制品带来极大的危险。

1.3折叠

在充型的过程中，黄铜合金的表层各种金属物质材料因为氧化反应而混合在一起，这就导致黄铜产生了对折的现象。对折可以是由于有二个甚至更多的各种金属物质材料混合在一起所产生的现象，也可以是由于一个各种金属物质材料在高速流动的过程中，把其他的各种金属物质材料带动起来所产生的各种金属氧化物物质材料混合在一起的折折现象。而假如变形的各种金属物质材料是由于回流或者是彎曲所产生的，甚至是折叠在了其他部分的各种金属氧化物材质中。那么出现这种现象可能都由于黄铜棒原料的直径尺寸高度、模型的设计情况、润滑程度，甚至是对工人的动作没有非常的娴熟等因素所导致的。当折叠的现象很严重时，例如在抛丸和机加工时，与黄铜合金表层处在粘连状态的金属表面会产生翘起甚至是剥落的现象，不过最为严重的区域依旧是在黄铜阀体表层的字体部位。强烈的折叠现象也会使金属表面字体的笔画缺失，这就足以可以表明折叠的结果是十分严重的。

1.4热脆现象

热脆现象是导致黄铜阀门沿晶开裂的主要原因，“热脆”是指合金在加热到且远未达到该成分合金的理论熔点的情况下，出现的一敲就散架的现象，并且在热锻的过程中，铅元素在晶界处会发生偏聚的现象，形成富铅的低熔点共晶相，使得晶界不断弱化;且在拉应力的作用下，裂纹从黄铜的阀体表面起源，并沿轴向扩展，最终导致脆性开裂的情况发生。

二、分析与讨论

2.1开裂原因分析

黄铜阀门的裂纹形式主要是沿晶脆性材料的裂纹。一般来说，黄铜晶界的键合力要大于晶界内的键合力，因此只有当材料晶界减弱时，裂纹线才会继续沿着晶界不断延伸，使得黄铜中晶界不断减弱的原因主要包括了两点，一就是在晶界上会出现夹杂的物质，或者逐渐分解出了连续的脆性沉淀;二就是在金属材料杂质元素也就是磷、硫、锡、铋、铅等元素在晶界处偏聚;由于环境介质原因，产生了锈蚀、高温中的蠕变等等现象。而黄铜成品在长期服役的生产过程中，由于受到内部应力腐蚀的影响，往往也会产生了沿晶脆性材料裂纹的现象。另外在对与断缝表面和显微组织中残留物质的E D S的研究分析结果也显示出了，铅等元素在黄铜中的晶界处产生了偏聚的现象，而这种偏聚的现象是造成黄铜阀门的晶界不断减弱的最主要的因素。而且再加上在热锻过程中所形成的拉应力，以及在冷却过程中的出现的残余应力的双重影响下，就很容易会引起沿晶裂纹的产生与延伸，最后引起裂纹损坏失效。

2.2热脆机理分析

黄铜阀门沿晶断裂会出现的主要原因其时是在热锻中出现了热脆的现像，因为有着较低温度的共晶的熔化，就会使得黄铜晶界出现弱化、脆化的现象，所以就会从外部应力和内部应力的双重影响下产生了脆性断裂的现象。铅和黄铜都极易产生低于熔点的共晶组织，其共晶温度只有三十六摄氏度，由于在热锻的过程中，是因为高温挤压成形的，所以在挤压的速度与冷却的过程中拉应力作用的共同影响下，材料就轻易产生出沿共晶脆性方向断裂的现象。因此，在对热锻过程中的黄铜阀门开裂的热脆现象和对原材料的物理化学等等因素进行分解时，会发现热锻过程中出现的不合理的高温时间是和挤压速度和冷却速度有关的。

三、结论

综上所述，在热锻流程中，不合理的热锻工艺造成了铅元素向奥氏体晶界部集中，产生了富铅的低温度的共晶相，在热拉应力影响下，产生了沿晶微裂纹。因此要防止由热锻黄铜制品的热脆现象，就必须注意控制原材料的杂质元素含量以降低元素偏析，并建立了合适的热锻工艺，从而减少了挤出速度和淬火速度，使其避免产生更多的内压应力。

参考文献：

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