Analyse der Rissursachen und des Mechanismus der thermischen Versprödung des Messingkugelhahns CW617N

Messing hat die Vorteile hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen, gute Verarbeitbarkeit und Leitfähigkeit und wird in Branchen wie Elektrizität, Kommunikation, Transportwesen, chemische Industrie und Behälterherstellung weit verbreitet verwendet. Einphasiges Kupfer (伪-Phase) ist nicht für die Heißverarbeitung geeignet. Daher werden häufig Zweiphasen-Messinglegierungen (伪+尾) mit besseren thermischen Verarbeitungseigenschaften verwendet, um warmgeschmiedete Produkte wie Ventile, Wasserhähne und Rohrverbinder herzustellen. Beim Warmschmieden müssen Messinglegierungen jedoch großen Verformungen bei hohen Temperaturen standhalten. Darüber hinaus ist die Struktur warmgeschmiedeter Produkte komplex, was leicht zu Defekten wie Kältebarrieren, Abblättern, Falten und groben Körnern führen kann.

Nach dem Warmschmieden brach ein zweiphasiger Kugelhahn aus Messing CW617N einer bestimmten Marke aufgrund thermischer Versprödung oder leckte bei der Dichtheitsprüfung. Als Reaktion auf dieses Phänomen untersuchte und analysierte der Autor die Rissmorphologie, den Ausbreitungsweg und die Ursache der Bildung und untersuchte den Heißsprödigkeitsmechanismus von Zweiphasen-Messinglegierungen, um Maßnahmen zu ergreifen, um zu verhindern, dass ähnliche Ausfälle erneut auftreten.

Das direkt anzeigende Spektrometer SPECTRO LAB LAVM10 wurde verwendet, um die chemische Zusammensetzung des gerissenen Ventilkörpers zu analysieren. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die chemische Zusammensetzung der Messinglegierung, die in dem Warmschmiedeventil verwendet wird, die Anforderungen der Norm EN 12164:2011 Kupfer und Kupferlegierungen – Stangen für die Zwecke der freien Bearbeitung erfüllt.

Nach der Lecksuche wurde festgestellt, dass sich der Riss im Ventilkörper befand und sich in axialer Richtung ausdehnte, wie in Abbildung 1a) gezeigt. Fangen Sie den gerissenen Teil des Ventilkörpers ab und beobachten Sie die Morphologie der Rissoberfläche. Aus Fig. 1b) und Fig. 1c) ist ersichtlich, dass es keine offensichtlichen plastischen Verformungen, Kratzer und Beulen in der Nähe des Risses gibt; Die Oberfläche des Risses ist flach und erweitert sich zickzackförmig. Daher wird vorläufig beurteilt, dass der Ventilkörper spröde und rissig ist.

Es ist zu erkennen, dass der rissfreie Bereich und die Mikrostruktur in der Nähe des Risses aus 伪-Phase (weiß) und 尾-Phase (schwarz) zusammengesetzt sind; die Korngröße ist grundsätzlich gleich, und es gibt keinen signifikanten Unterschied, alle sind gleichachsige Kristalle; Im Rissbereich ist keine anormale Mikrostruktur zu sehen. Aus Bild 2b) und Bild 2c) ist ersichtlich, dass sich sowohl der Hauptriss als auch der Nebenriss entlang der Korngrenze ausbreiten, d. h. die Bruchform interkristalline Rissbildung ist.

Der Riss wird entlang der Rissausbreitungsrichtung geöffnet, und die Mikromorphologie des Bruchs wird mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtet. Aus Fig. 3a) und Fig. 3b) ist ersichtlich, dass die Bruchfläche ohne plastische Verformung relativ flach ist; die Oberfläche der Bruchfläche ist blockig oder kandisartig, mit einer gewissen Menge an Sekundärrissen und ohne plastische Bruchmorphologie wie Grübchen. Es zeigt, dass die Ausfallart des Messingkugelhahns CW617N eine typische intergranulare Sprödrissbildung ist.

Um die Ursache des Risses entlang des Kristalls herauszufinden, wurde die Oberflächenmorphologie des Bruchs weiter vergrößert und beobachtet, und einige entlang der Korngrenze verteilte Substanzen wurden gesehen. Sie waren im SEM-Backscatter-Modus weiß und hell, wie in Abbildung 3c) gezeigt. Die Analyse des Energiespektrums (EDS) des weißen und hellen Farbmaterials zeigt, dass seine chemische Zusammensetzung hauptsächlich aus Bleielementen besteht, was darauf hinweist, dass das Phänomen der Bleisegregation an der Korngrenze aufgetreten ist.

Analyse der Ursachen von Rissen

Die Bruchanalyse zeigt, dass die Rissform des Kugelhahns aus Messing CW617N ein Sprödbruch entlang des Kristalls ist. Im Allgemeinen ist die Bindungskraft der Korngrenze höher als die Bindungskraft innerhalb des Korns. Nur wenn die Korngrenze geschwächt ist, breitet sich der Riss entlang der Korngrenze aus und verursacht einen Sprödbruch. Die Hauptgründe für die Schwächung von Materialkorngrenzen sind: Einschlüsse an den Korngrenzen oder durchgehende spröde Ausscheidungsphase; Verunreinigungselemente Phosphor, Schwefel, Arsen, Antimon, Zinn, Wismut, Blei usw. scheiden sich an den Korngrenzen aus; Faktoren der Umweltmedien Verursacht Korrosion, Kriechen bei hohen Temperaturen usw.

Während des Serviceprozesses von Messingprodukten treten aufgrund der Wirkung von Spannungskorrosion häufig spröde Risse entlang des Kristalls auf. Das ausgefallene Messingkugelventil CW617N in dieser Studie war jedoch nicht in Betrieb, und es gab keine interkristallinen ausgeschiedenen Phasen oder Einschlüsse in der Mikrostruktur in der Nähe der Risse, die den Einfluss von Umweltkorrosionsfaktoren und interkristallinen ausgeschiedenen Phasen beseitigen können oder Einschlüsse. Die Ergebnisse der EDS-Analyse der Reststoffe in der Bruchfläche und Mikrostruktur zeigen, dass es an der Korngrenze zu einer Bleiseigerung kommt, die der Hauptgrund für die Schwächung der Korngrenze des Messing-Kugelhahns CW617N ist. Gekoppelt mit der Wirkung der beim Warmschmiedeprozess entstehenden Zugspannungen oder der Eigenspannungen beim Abkühlprozess,

Analyse des thermischen Sprödmechanismus

CW617N-Messing-Kugelventil, das entlang des Kristalls reißt, ist hauptsächlich auf Heißsprödigkeit während des Heißschmiedens zurückzuführen. Das Heißversprödungsphänomen von Messing führt dazu, dass während des Heißumformprozesses zuerst das Eutektikum mit niedrigem Schmelzpunkt schmilzt, was zu einer Schwächung oder Versprödung der Korngrenze des Messings führt, und es unter Einwirkung äußerer Spannung zu einem Sprödbruch kommt. Der Massenanteil von Blei in dem im Ventil verwendeten Messingrohmaterial beträgt etwa 2 %, und die Löslichkeit von Blei in Messing beträgt weniger als 0,3 %, und das meiste davon liegt im Messing in Form von freien Bleipartikeln vor. Blei und Kupfer bilden leicht eine eutektische Struktur mit niedrigem Schmelzpunkt, und die eutektische Temperatur beträgt nur 326°C. Das Heißschmiedeverfahren ist Hochtemperatur-Strangpressen. Unter Einwirkung von Zugspannung während des Extrusions- und Abkühlprozesses, Das Material neigt zu Sprödbruch entlang des Kristalls, dh zu Heißsprödigkeit. Das Heißversprödungsphänomen beim Heißschmiedeverfahren von Messing hängt mit der Entmischung der chemischen Elemente des Rohmaterials, der unangemessen hohen Verweilzeit bei hohen Temperaturen, der Extrusionsgeschwindigkeit und der Abkühlgeschwindigkeit während des Heißschmiedeverfahrens zusammen.

Die Ausfallart des Messing-Kugelhahns CW617N ist intergranularer Rissausfall, der durch thermische Versprödung verursacht wird. Während des Warmschmiedeprozesses bewirkt der unvernünftige Warmschmiedeprozess, dass sich das Bleielement an der Korngrenze sammelt, um eine bleireiche, niedrigschmelzende eutektische Phase zu bilden, und unter der Einwirkung von Zugspannung werden die intergranularen Mikrorisse gebildet. Die Risse stammen von der Spannungskonzentration auf der Oberfläche des Ventilkörpers und dehnen sich entlang der axialen Richtung aus, was schließlich zu einem Bruchversagen führt.

Um die Heißsprödigkeit von warmgeschmiedetem Messing zu verhindern, sollte darauf geachtet werden, den Gehalt an Verunreinigungselementen in den Rohmaterialien streng zu kontrollieren, um die Elementtrennung zu verringern. Formulieren Sie einen angemessenen Heißschmiedeprozess, um zu verhindern, dass das Material lange Zeit im spröden Temperaturbereich von 300 ~ 400 ° C bleibt. Reduzieren Sie die Extrusionsgeschwindigkeit und die Abkühlrate, um keine höheren inneren Spannungen zu erzeugen.

Ausgewählt aus: „Physical and Chemical Inspection – Physics Volume“ Vol.55 2019.8