继电器底座锡青铜引脚断裂失效分析

＊杨礼林 张弦 杨广舟

（内蒙古科技大学 材料与冶金学院 内蒙古 014000）

锡青铜具有良好的焊接性能、易切削加工、无磁性和低温脆性，受到冲击时不会产生火花，在制作耐磨零件和弹性元件方面用途广泛[1-2]。锡青铜在电气、电子工业中应用广、用量大，占总消费量一半以上。常用于各种电缆和导线，电机和变压器的开关以及印刷线路板，在机械和运输车辆制造中，用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等。由于锡青铜镀层具有镀层质量稳定，粘合力强，耐腐蚀和耐老化性能良好，符合环保要求的优点，能更好的满足材料使用要求，成为最为广泛的合金镀层。

文中继电器底座锡青铜（CuSn4表面镀Sn）引脚在工作中（2～3年后）断裂失效，正常设计寿命8～10年。该工件安装在电子线束箱内，运用在和谐号动车机车上，温湿度随运营线路和具体地点会有波动，在震动环境下工作。目前发现共有8件断裂，断裂引脚不固定且随机，断裂位置均为引脚折弯处。本文通过1件正常工件和1件断裂失效工件进行微观及宏观分析，结合工件服役环境，通过对比来确定断裂位置及失效原因，并提出预防改进措施。

1.试验方法

试验工件材料成分为CuSn4表面镀Sn，线切割线切割横向（径向）截取断口样，断口试样经超声波丙酮清洗后干燥，使用ZEISS EVO18场发射扫描电子显微镜及能谱仪对试样断口进行分析。使用FOUNDRY-MASTER直读光谱仪对试样的化学成分进行分析。断口成分分析后，在断口附近截取金相试样，经打磨与抛光后，在BX53M蔡司金相显微镜下观察抛光态断口形貌，然后使用硝酸冰醋酸水溶液侵蚀，对显微组织进行观察与分析，以确定试样的显微组织是否合格。借助402MVD显微维氏硬度计对失效零件和正常零件（对比件）的硬度进行检测，以确定失效零件硬度。

2.试验分析

(1)宏观分析

由于锡青铜材质成分直接影响到产品的各项性能，严重的会直接导致其产生断裂，首先对继电器底座锡青铜引脚的化学成分按照《铜及铜合金化学分析方法》（GB/T 2151）中的技术要求进行比较，如表1所示化学成分符合国标技术要求。

表1 锡青铜引脚化学成分(质量分数/%)

该引脚呈弯曲状，宏观形貌见图1（a）所示，断裂处位于引脚弯折处（如图1（b）（c）中箭头指向处）。

图1 引脚宏观形貌

(2)微观分析

①硬度测试

按照国标GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验》，借助402MVD显微维氏硬度计对失效零件和正常零件（对比件）的硬度检测，检测结果如表2所示。从表中可看出，失效零件的硬度和正常零件硬度相当，符合企业的技术硬度要求。

表2 硬度检测结果

②非金属夹杂物分析

未腐蚀的金相经磨抛后将其表面在光学显微镜下放大100倍后，观察基体处和引脚弯折处非金属夹杂物，其非金属夹杂物形貌如图2所示，参照《钢中非金属夹杂物含量的测定标准》（GB/T 10561-2005）进行评定，未见较大且明显夹杂物，因此判断试样的非金属夹杂物符合企业技术要求。

图2 非金属夹杂物形貌

③显微组织

参照国标《金属显微组织检验方法》（GB/T 13298-2015）使用蔡司金相显微镜对基体与引脚折弯处组织进行观察，得到经硝酸冰醋酸水溶液侵蚀后的形貌如图3所示，经观察基体组织为细小孪晶α相和其他杂质相，并依据《金属平均晶粒度测定方法》（GB/T 6394-2017）对试样晶粒度进行评级，其平均晶粒度为11级，符合技术要求。

图3 显微组织形貌

④断口金相组织分析

借助蔡司金相显微镜对磨抛后的试样进行观察，其断口周边抛光态形貌如图4（a）所示，观察到有两处异常处（①和②），并对异常处分别进行局部放大，如图4（b）（c）所示。经观察引脚镀锡层厚度为4～5，断口周边未见氧化和其他缺陷。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后组织形貌如图5（a）所示，对图5（a）中①和②进行局部放大，如图5（b）（c）所示。图5（b）观察到变形组织集中，并向外扩展，因此判断变形组织集中的地方为裂纹源，断裂源在引脚弯曲内 侧[3-6]。图5（c）为正常拉伸组织。

图4 断口抛光态形貌

图5 断口周边组织形貌

⑤断口形貌分析

对断口进行放大观察，断面呈纤维状，暗灰色，较平整，纹路清晰。断口形貌如图6（a）所示。借助ZEISS EVO18电子扫描显微镜对工件进行扫描电镜分析，得到如图6（b）所示的断面SEM形貌图，因为疲劳断裂断口特征非常明显，能清楚的显示出裂纹的发生（断裂源区）、发展（扩展区）和最后断裂（终断区）三个组成部分，所以初步判断此零件失效的原因是疲劳断裂[7-9]。

图6 断口形貌图

借助场发射电子显微镜，观察断裂源区SEM形貌，如图7（a）所示。断裂源区局部放大（白色线圈内），如图7（b）所示。观察裂纹源区SEM形貌，发现有呈不明显波浪状走向的条纹（白色线条所示）符合疲劳断裂裂纹源区形貌[10]。

图7 断裂源区SEM形貌

观察断裂扩展区SEM形貌，如图8（a）和8（b）所示，放大图中观察到一系列基本上相互平行的条纹，裂纹呈明显波浪状走向，并于裂纹局部扩展方向相垂直，这是疲劳断裂中疲劳辉纹的主要特征[11]。

图8 裂纹扩展区SEM形貌

观察断裂终断区SEM形貌，如图9（a）和如图9（b）所示。观察到有明显的韧窝组织形貌，符合正常的拉伸断裂形貌，属于塑性拉伸断裂[12-13]。

图9 裂纹终断区SEM形貌

3.结论与建议

（1）失效工件锡青铜引脚的化学成分、非金属夹杂物、硬度值、晶粒度、基体显微组织及镀层厚度均符合标准要求，不属于造成引脚断裂的原因。

（2）对引脚弯折处断口进行观察时，发现有变形组织集中趋势，扩展形成裂纹源区；断口可以分为裂纹源区、扩展区、终断裂区，并在扩展区观察到疲劳辉纹形貌，判定此断裂为疲劳断裂，又结合失效零件的工作环境存在无规律且长时间震动的情况，最终判定工件失效类型为微振疲劳断裂。

（3）建议优化引脚的结构设计及加工方式，避免结构或加工缺陷导致裂纹产生；严格控制加工工艺，提高组织均匀性，减少杂质相产生；提高材料冶金质量，合理搭配材料强度、塑性和韧性。