熱鍛黃銅閥門開裂原因及熱脆機理分析

祝云霞

摘要：由于黃銅閥門在熱煉后發生了破裂的特殊現象，就需要采用物理和化學的方式來進行分析，對黃銅閥門破裂的主要原因進行研究和剖析。研究結果證實了：熱脆現象才是造成黃銅閥門沿晶破裂的最主要的原因。因為在熱鍛的過程中，鉛元素在晶界處產生了一種偏聚的現象，從而生成了一種富鉛的低熔點共晶相，使得晶界處減弱;同時在拉應力的作用影響下，黃銅閥門的裂縫先由閥體表面起源，再沿主軸逐漸向長度方向延伸，最后產生了脆性裂縫。最后本文根據閥門裂縫的原因，給出了防治的措施。

關鍵字：黃銅;熱脆現象;熱鍛現象;閥門;沿晶開裂現象

黃銅具有硬度值較高、防銹蝕、耐溫度，以及優良的表層加工性和導電能力等優點，在水力發電、通訊、道路、油田化工行業以及大型容器生產等全行各業上都獲得了廣泛的使用。單相黃銅不適合熱加工處理，所以，人們往往選擇熱加工特性更好的雙向黃銅合金來制造熱鍛產物，如閥門、水嘴和管道聯接件等。但是，由于在熱鍛的流程中，黃銅制合金必須在高溫下經受較大的溫度變化，加之熱鍛產物的構造復雜性，很易形成冷隔、起皮、褶皺、顆粒粗大等問題。

熱鍛黃銅閥門存在問題的原因大部分是由于其構造太過于復雜，而造成變形比較高所引起的。但目前，由于熱鍛工藝的使用時間一般不大于十年，再加上熱鍛工藝具有固態壓鑄的特性，而導致問題較不容易被人發覺。這樣，產品就算經過檢測合格后，也會在實際使用過程中發生故障或損壞。不過對于上述問題，都能夠采取相應的保護措施來進行處理。

一、黃銅閥門缺陷產生的原因分析

1.1熱鍛棒料加熱方式的選擇不當

熱鍛棒主要采用電爐、燃料噴燈、燃燒和中頻反應等方法來實現加溫。但因為在加溫的過程中，電爐箱的溫度分配并不平衡，導致了銅棒容易發生融化的現象。所以，電爐加溫的方法現已不再被廣泛采用。與傳統燃料加溫和中頻加熱比較，其熱效果相當的低，而且其顆粒尺寸也相當的粗大。并且在多次加溫以后，由于大部分的晶界都存在著熔融的現象，從而導致了顆粒過于粗大。而經過了大量的試驗之后可以知道，在熱鍛的過程中所有的加溫方式在進行了多次加溫以后，都會對鍛壓機件的總體品質形成極大的危害。所以當機件在熱鍛流程中，進行了一次加溫而無法成形時才會考慮多次加溫，但是必須對于加熱的溫度和速度都要精確化。

1.2鍛件流線分布不順

在進行熱鍛的生產過程中，因為出現模具、框架等等的設計不合理的現象，甚至還會出現熱鍛設備的噸位型號也并不合理的現象，就會導致熱鍛的各路支流設計出現了一種紊亂的情況，這樣就會使得熱鍛造過程中機械流線設計的分布不順。如果人工在使用的過程中發生了故障或是操作方法的不合理，就會使鍛件流線的分布也會不順。而出現鍛件流線的分布不順的情況就會直接降低毛坯的熱力學性能，也就是說可能會出現一種使毛坯的性能和設計的正好相反的情況，這都會給熱鍛的黃銅制品帶來極大的危險。

1.3折疊

在充型的過程中，黃銅合金的表層各種金屬物質材料因為氧化反應而混合在一起，這就導致黃銅產生了對折的現象。對折可以是由于有二個甚至更多的各種金屬物質材料混合在一起所產生的現象，也可以是由于一個各種金屬物質材料在高速流動的過程中，把其他的各種金屬物質材料帶動起來所產生的各種金屬氧化物物質材料混合在一起的折折現象。而假如變形的各種金屬物質材料是由于回流或者是彎曲所產生的，甚至是折疊在了其他部分的各種金屬氧化物材質中。那么出現這種現象可能都由于黃銅棒原料的直徑尺寸高度、模型的設計情況、潤滑程度，甚至是對工人的動作沒有非常的嫻熟等因素所導致的。當折疊的現象很嚴重時，例如在拋丸和機加工時，與黃銅合金表層處在粘連狀態的金屬表面會產生翹起甚至是剝落的現象，不過最為嚴重的區域依舊是在黃銅閥體表層的字體部位。強烈的折疊現象也會使金屬表面字體的筆畫缺失，這就足以可以表明折疊的結果是十分嚴重的。

1.4熱脆現象

熱脆現象是導致黃銅閥門沿晶開裂的主要原因，“熱脆”是指合金在加熱到且遠未達到該成分合金的理論熔點的情況下，出現的一敲就散架的現象，并且在熱鍛的過程中，鉛元素在晶界處會發生偏聚的現象，形成富鉛的低熔點共晶相，使得晶界不斷弱化;且在拉應力的作用下，裂紋從黃銅的閥體表面起源，并沿軸向擴展，最終導致脆性開裂的情況發生。

二、分析與討論

2.1開裂原因分析

黃銅閥門的裂紋形式主要是沿晶脆性材料的裂紋。一般來說，黃銅晶界的鍵合力要大于晶界內的鍵合力，因此只有當材料晶界減弱時，裂紋線才會繼續沿著晶界不斷延伸，使得黃銅中晶界不斷減弱的原因主要包括了兩點，一就是在晶界上會出現夾雜的物質，或者逐漸分解出了連續的脆性沉淀;二就是在金屬材料雜質元素也就是磷、硫、錫、鉍、鉛等元素在晶界處偏聚;由于環境介質原因，產生了銹蝕、高溫中的蠕變等等現象。而黃銅成品在長期服役的生產過程中，由于受到內部應力腐蝕的影響，往往也會產生了沿晶脆性材料裂紋的現象。另外在對與斷縫表面和顯微組織中殘留物質的E D S的研究分析結果也顯示出了，鉛等元素在黃銅中的晶界處產生了偏聚的現象，而這種偏聚的現象是造成黃銅閥門的晶界不斷減弱的最主要的因素。而且再加上在熱鍛過程中所形成的拉應力，以及在冷卻過程中的出現的殘余應力的雙重影響下，就很容易會引起沿晶裂紋的產生與延伸，最后引起裂紋損壞失效。

2.2熱脆機理分析

黃銅閥門沿晶斷裂會出現的主要原因其時是在熱鍛中出現了熱脆的現像，因為有著較低溫度的共晶的熔化，就會使得黃銅晶界出現弱化、脆化的現象，所以就會從外部應力和內部應力的雙重影響下產生了脆性斷裂的現象。鉛和黃銅都極易產生低于熔點的共晶組織，其共晶溫度只有三十六攝氏度，由于在熱鍛的過程中，是因為高溫擠壓成形的，所以在擠壓的速度與冷卻的過程中拉應力作用的共同影響下，材料就輕易產生出沿共晶脆性方向斷裂的現象。因此，在對熱鍛過程中的黃銅閥門開裂的熱脆現象和對原材料的物理化學等等因素進行分解時，會發現熱鍛過程中出現的不合理的高溫時間是和擠壓速度和冷卻速度有關的。

三、結論

綜上所述，在熱鍛流程中，不合理的熱鍛工藝造成了鉛元素向奧氏體晶界部集中，產生了富鉛的低溫度的共晶相，在熱拉應力影響下，產生了沿晶微裂紋。因此要防止由熱鍛黃銅制品的熱脆現象，就必須注意控制原材料的雜質元素含量以降低元素偏析，并建立了合適的熱鍛工藝，從而減少了擠出速度和淬火速度，使其避免產生更多的內壓應力。

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