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黄铜材料的火花塞衬套开裂，，，，，，，，原因竟是残余应力过大

发布时间：2021-04-02点击：2728

某气体机进行缸盖密封性水压试验时，，，，，，，，出现漏水问题，，，，，，，，拆检后发现火花塞衬套开裂。。。。。。衬套材料是铸造黄铜ZCuZn38（H62），，，，，，，，为工业上广泛使用的有色金属合金。。。。。。工艺流程是：铸造铜棒→热压力加工→机械加工→装试。。。。。。

一、试验方法

采用OBLF直读光谱仪对产生裂纹的衬套进行化学成分分析；；；；；；采用Zeiss Axio金相显微镜进行金相检验，，，，，，，，用线切割的方法截取样品。。。。。。采用配备有X射线能谱仪的Zeiss EVO18扫描电子显微镜对裂纹进行显微观察和微区成分分析。。。。。。

二、试验结果

2.1 化学成分测试用直读光谱检测衬套化学成分，，，，，，，，结果见表1。。。。。。符合GB/T 1176—2013《铸造铜及铜合金》要求。。。。。。

2.2 宏观观察

衬套有两条裂纹，，，，，，，，从衬套台肩沿轴向向下延伸，，，，，，，，裂纹较平直，，，，，，，，近乎平行，，，，，，，，台肩倒角部位残留有绿色密封胶。。。。。。裂纹向台肩内侧延伸并逐渐变窄，，，，，，，，如图1所示，，，，，，，，说明裂纹起源于台肩外壁处，，，，，，，，并向下和向内扩展。。。。。。

2.3 微观观察

通过电镜扫描，，，，，，，，可以看到靠近衬套外表面有一层絮状物，，，，，，，，如图2a、图2b所示。。。。。。并且可以看出整个裂纹断口显示为脆性断裂：冰糖状沿晶断裂，，，，，，，，少量部分穿晶，，，，，，，，且晶界有腐蚀产物及细小腐蚀坑，，，，，，，，腐蚀产物主要含O、Cu、Zn、Al，，，，，，，，如图2c、图2d所示。。。。。。人为撕裂的新鲜断口抛物线型韧窝断裂，，，，，，，，且韧窝清晰、洁净，，，，，，，，断裂形貌正常，，，，，，，，如图2e、图2f所示。。。。。。原始断口可见沿轴向的层片状条带。。。。。。

沿轴向研磨、抛光、腐蚀，，，，，，，，观察裂纹及金相组织情况，，，，，，，，如图3所示。。。。。。裂纹呈不规则连续状，，，，，，，，有分叉、尾部较尖锐呈树枝状，，，，，，，，与应力腐蚀裂纹的典型特征相吻合，，，，，，，，因而我们初步判定该裂纹是应力腐蚀裂纹。。。。。。金相组织为α相+极少量点状β相，，，，，，，，且组织中有明显的滑移线，，，，，，，，裂纹衬套带状组织明显。。。。。。

2.4 有限元分析

衬套为过盈配合，，，，，，，，过盈量：0.069~0.100mm，，，，，，，，有限元分析衬套装配应力（未安装火花塞），，，，，，，，图4为衬套装配态的***主应力云图，，，，，，，，亮色区域为拉应力区。。。。。�？？？？？杉诔奶滋ḿ缟戏酵獗谟氲菇峭獗诖拖妇蹦诒砻娴睦α洗螅�，，，，，，与实际裂纹起源位置一致。。。。。。衬套细颈内表面拉应力虽然较大，，，，，，，，但无密封胶，，，，，，，，无应力腐蚀条件。。。。。。

三、结论与分析

衬套毛坯在工艺温度650~800℃热压力加工成形后，，，，，，，，放置在空气中，，，，，，，，自然冷却至室温。。。。。。资料中介绍：所有黄铜在200~700℃之间均有一个脆性区，，，，，，，，热压力加工温度应不低于700℃。。。。。。下限温度偏低，，，，，，，，材料容易产生开裂倾向；；；；；；毛坯成形难度增加，，，，，，，，残余应力较大。。。。。。

衬套在机械加工过程中，，，，，，，，与刀具频繁接触、受力，，，，，，，，尺寸发生变化，，，，，，，，必然产生一定数量的残余应力；；；；；；数控机床精加工使用的切削液含有S、卤族元素等添加剂，，，，，，，，使得衬套在一定时间内处在潮湿、腐蚀环境中。。。。。。

衬套与缸盖之间是过盈配合，，，，，，，，压力装配后，，，，，，，，在衬套台肩上方外壁与倒角外壁处产生了较大的拉应力；；；；；；装配时涂在衬套台肩处的密封胶基料为甲基丙烯酸酯，，，，，，，，含有氨基催化剂，，，，，，，，为衬套提供了弱腐蚀工作环境。。。。。。缸盖进行水压密封试验时，，，，，，，，衬套台肩外壁处受力，，，，，，，，产生裂纹并迅速扩展；；；；；；衬套细颈内表面拉应力虽然较大，，，，，，，，但未接触密封胶，，，，，，，，应力腐蚀条件差。。。。。。

四、结束语

1）衬套裂纹机制为应力腐蚀沿晶脆性开裂。。。。。。

2）衬套裂纹集中出现在某月份，，，，，，，，之前未出现批量裂纹故障，，，，，，，，通过以上分析，，，，，，，，确定衬套存在批次质量问题，，，，，，，，衬套加工过程中残余应力过大，，，，，，，，导致衬套在装配后附加拉应力及密封胶（或加工过程中切削液）弱腐蚀环境下发生应力腐蚀开裂。。。。。。

来源：《金属加工（热加工）》杂志作者：关慧欢，，，，，，，，张怀青，，，，，，，，徐继东