铅黄铜截止阀安装板断裂分析及对策

陈沛霞

[摘要]从铅黄铜截止阀生产工艺出发，经过对铅黄铜截止阀安装板断裂故障件件使用EDX进行成份分析、金相显微镜以及电镜对断口进行微观分析，推断其失效机理并提出解决对策。分析表明：改造喷灯加热设备以及将喷灯加热改为中频炉或者隧道炉的方式方法可提高截止阀胚料加热均匀性，大大提高锻压过程的一致性。本文分析结果对有效解决铅黄铜截止阀脆断问题有重要指导意义。

[关键词]截止阀；锻压工艺；锻压温度；铅黄铜

The Analysis& Countermeasure of  Installation Baseboard-Brittle Fracture on Lead Brass Stop Valve

Chen Peixia

(GREE Electrical Appliance, Inc., Zhuhai, 519070, China)

Abstract: Consider both the manufacture technics and the investigation by EDX composition analysis, the metallograph and electric mirror fracture analysis. It can be inferred the failure mechanism and put forward the countermeasure. The analytic result shows that, both renovate the heating equipment and change the blowtorch heating equipment int the intermediate frequency heating equipment or the tube heating equipment can improve the heating uniformity. Besides, it could be used to improve the process capability of forging the stop valve. The analytic result of this text is very meaningful to resolve the medium temperature-brittle fracture on lead brass stop valve.

Key words: stop valve; forging; forging temperature ; lead brass;

1.前言

截止阀是空调系统中比较重要的零件，主要用于连接室内机与室外机、开通以及关闭系统、以及抽真空或者灌注的作用。空调用截止阀材质一般是C3771或HPb59-1铅黄铜锻造而成，锻造相关工序过程能力直接决定了截止阀批稳定性，如果过程波动较大将导致个别阀体出现断裂等质量问题，造成一次合格率低，同时给客户也造成不良影响。同时，截止阀应用在室外机中，一般使用两个及以上，若出现质量问题，维修难度大，需要回收、重灌冷媒也导致维修成本高。截止阀主要失效模式为阀体开裂、阀芯软密封失效、后盖螺母密封失效、焊漏等，阀体开裂为主要故障。本文从一件安装脚板孔裂的典型故障件的分析出发，就导致黄铜截止阀开裂最常见一种失效模式进行原因分析并提出预防方案。

2、铅黄铜截止阀生产工艺调研

2.1总体工艺

要推测以及分析出铅黄铜安装板断裂失效原因及机理，离开对生产工艺的调研是不科学的，为此作者就铅黄铜截止阀生产工艺进行行业调研，该行业大体的工艺流程如下：

车皮→下料→毛胚加热→锻压→切飞边→退火→喷丸→机加工→清洗→烘干→焊管→总装→空调厂家使用。

2.2与安装板断裂相关工序

失效样件安装板断裂主要与毛胚加热、锻压、退火以及机加工孔相关。下面将逐一介绍相关工序的作用及其目的：

2.2.1毛胚加热主要作用是将毛胚加热到终锻温度到始锻温度之间，既要保证毛坯不过热过烧，也要保证毛胚金属可以成型不出现锻造缺陷，是一个非常重要的过程，主要控制毛坯的加热温度以及时间参数；

2.2.2锻压是将加热后的毛胚置于锻压模具当中，在压力作用下使加热金属流动填充模具内腔成型。锻压模具的设计非常重要，模膛的分模面上有一圈飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。飞边须在模锻冷却后切除。

2.2.3锻造过程中的毛胚均会产生残余内应力，如不及时消除，将在后续的冷加工过程中有开裂的倾向。退火的主要目的就是消除或者降低应力，使截止阀避免出现应力断裂；

2.2.4安装孔是在截止阀锻压毛坯的基础上，通过机加工最终成型；

2.2.5因空调厂家仓储、运输以及使用环节不规范也可能造成安装孔板断裂。

3.安装板断裂失效分析

3.1材料成分分析

经了解故障截止阀使用的材料为C3771牌号的黄铜棒，对故障截止阀用EDX进行成分扫描，主要成分含量见表1。测试结果表明成分符合标准要求[1]。

元素	含量(%)	元素	含量(%)
Cu	57.46	Zn	39.23
Pb	2.06	余量	1.25

表1 截止阀成分测试结果

3.2断口宏观分析

从故障截止阀断口的宏观形貌可看出裂纹为由安装孔向外部扩展，裂纹形状较规则，未有明显扭曲变形现象，断口形貌局部放大见图1左。

开裂截止阀断口表面已呈金黄色，与阀体清洗后其表面相似，根据图1右，截止阀的加工工艺也可说明此不良现象是在清洗之前就已经存在，而与后道空调厂家安装以及客户使用没有相关性。由宏观裂纹形貌结合截止阀的生产工艺流程可以分析出，裂纹应该在清洗工艺前已经产生，在光亮清洗后，断口恢复到与截止阀外观一样的黄铜本色。与此次截止阀断裂强相关的工序为：坯料加热、锻压、退火。

图1 断裂情况

3.3 断口微观分析

3.3.1断口金相分析

为进一步分析原因，对断口进行金相分析，光亮部分为α相针状组织，组织存在过热、晶粒异常长大的现象，沿晶界分布，黑色为β相，如下图2；

图2断口组织×100倍基体β相+针状α相

由于Pb几乎不能固溶于铜锌合金中，几乎以游离态在晶界中，只有少量能固溶于β相，在α相中溶解度极小。而针状的α相不利于锻压，同时由于β相较少，不利于Pb固溶，即固溶的Pb较少。那么Pb与Cu形成Cu-Pb低熔点共晶体分布于α相晶界中，从而削弱了晶间结合力，在锻压时容易开裂。此外组织存在过烧，晶粒粗大将会使截止阀机械性能显著降低。因黄铜具有的固有特性为：退火无法消除晶粒粗大的现象。因此，只能通过控制锻压温度来控制锻后晶粒长大的情况。该断裂截止阀安装板处金相组织中布满大量的针状α相，且已经出现晶粒粗大的现象，因此，容易出现脆性断裂。

3.3.2断口扫描电镜分析

对断口进行扫描电镜分析，从电镜中可看到断口为明显的脆性裂口，裂纹形貌如河流花样，为准解理裂纹，断口附近也无腐蚀产物，电镜分析可证明此次断裂为脆性断裂。

图3 断口扫描电镜分析

3.4失效分析总结

根据宏观断口、微观金相组织以及电镜分析可锁定本次失效的主要原因为是锻压温度过高导致局部晶粒粗大，引起的脆性断裂[2]。经了解该失效样件的生产厂家锻坯加热方式为喷灯加热，喷灯加热很难避免的火口朝向问题导致加热不均匀，坯棒温度较高部位，由于过长时间加热，晶粒粗大以及表面氧化增加。同时，由于模具安装板部位空间较窄，坯棒在锻造流动过程中的阻力较大，最终形成过烧开裂。而后续的机加工过程中，在冲制安装孔的冲力作用下，会使开裂的程度加剧，裂纹宽度增加，形成本次开裂现象。

4.解决方案和总结

此次截止阀安装脚板断裂的原因是：使用喷灯加热，导致黄铜锻坯加热不均局部过热，导致组织过烧，锻压开裂。经机加工安装孔后，此处完全断裂。为了达到使毛胚加热均匀的目的，经过生产改善验证，可以采取如下方案解决此问题：

4.1为避免火焰直接喷射到配料上引起胚料局部过烧，可以在胚料上覆盖一层薄铁皮，用于均热；

4.2由喷灯加热方式改用中频炉加热，中频隧道炉可有效控制加热的温度以及时间，以杜绝局部过热造成的隐患。但因其用电量较大，且升温时间较久，因此，更适合连续作业。同时，需注意炉温达到工艺要求后方可开始生产，生产前20件冷模产品往往存在一定风险，；

4.3由喷灯加热方式改用小型隧道炉加热，将锻压坯料排列整齐，以确保坯料加热后受热均匀，另外可以在隧道炉的不同部位设置热电偶来来实时监控炉内温度场的均匀性；

经过实践验证，选用以上三个措施之一，均可以降低或者杜绝因加热胚料不均导致的开裂问题，因加热不均原因造成截止阀断裂故障明显降低。

参考文献

[1]吕炎，锻件缺陷分析与对策.机械工业出版社，1999

[2]田荣璋，王祝堂.铜合金及其加工手册.中南大学出版社,2002