El latón tiene las ventajas de alta resistencia, resistencia a la corrosión, resistencia a bajas temperaturas, buena capacidad de procesamiento y conductividad, y se ha utilizado ampliamente en industrias como la energía eléctrica, las comunicaciones, el transporte, la industria química y la fabricación de contenedores. El cobre monofásico (fase 伪) no es adecuado para el procesamiento en caliente. Por lo tanto, las aleaciones de latón de doble fase (伪+尾) con mejores propiedades de procesamiento térmico se utilizan a menudo para producir productos forjados en caliente, como válvulas, grifos y conectores de tuberías. Sin embargo, en el proceso de forja en caliente, las aleaciones de latón deben soportar grandes deformaciones a altas temperaturas. Además, la estructura de los productos forjados en caliente es compleja, lo que fácilmente puede producir defectos como barreras de frío, pelado, doblado y granos gruesos.
Después de la forja en caliente, cierta marca de válvula de bola de latón CW617N de fase dual se agrietó debido a la fragilización térmica o se filtró en la prueba de hermeticidad. En respuesta a este fenómeno, el autor inspeccionó y analizó la morfología de la grieta, la ruta de propagación y la causa de la formación, y estudió el mecanismo de fragilidad en caliente de las aleaciones de latón de doble fase para tomar medidas para evitar que vuelvan a ocurrir fallas similares.
Análisis de composición química
Se utilizó el espectrómetro de lectura directa SPECTRO LAB LAVM10 para analizar la composición química del cuerpo de la válvula agrietado. Los resultados se muestran en la Tabla 1. Se puede ver que la composición química de la aleación de latón utilizada en la válvula de forjado en caliente cumple con los requisitos de la norma EN 12164:2011 Cobre y aleaciones de cobre-varilla para fines de mecanizado libre.
Análisis de grietas
Después de la detección de la fuga, se encontró que la fisura estaba ubicada en el cuerpo de la válvula y se expandía en dirección axial, como se muestra en la Figura 1a). Intercepte la parte agrietada del cuerpo de la válvula y observe la morfología de la superficie de la grieta. Se puede ver en la Fig. 1b) y la Fig. 1c) que no hay deformaciones plásticas obvias, arañazos ni marcas de golpes cerca de la grieta; la superficie de la grieta es plana y se expande en forma de zigzag. Por lo tanto, se juzga preliminarmente que el cuerpo de la válvula está quebradizo y agrietado.
Inspección metalográfica
Tome una muestra con grietas en el cuerpo de la válvula, después de un esmerilado grueso, esmerilado fino y pulido, use una solución mixta de 16 g de cloruro errico+70 ml de ácido clorhídrico+220 ml de etanol absoluto para grabar durante 4~5 s. Se utilizó un microscopio metalúrgico Zeiss imager A1m para observar la morfología y distribución de las grietas, como se muestra en la Figura 2.
Se puede ver que el área libre de grietas y la microestructura cerca de la grieta están compuestas por la fase 伪 (blanca) y la fase 尾 (negra); el tamaño de grano es básicamente el mismo, y no hay diferencia significativa, todos son cristales equiaxiales; no se ve ninguna microestructura anormal en el área de la grieta. Se puede ver en la Figura 2b) y la Figura 2c) que tanto la fisura principal como la fisura secundaria se propagan a lo largo del límite de grano, es decir, la forma de fractura es fisuración intergranular.
Microscopio electrónico de barrido y análisis de espectro de energía
La fisura se abre a lo largo de la dirección de propagación de la fisura y la micromorfología de la fractura se observa mediante microscopio electrónico de barrido (SEM). Puede verse en la Figura 3a) y la Figura 3b) que la superficie de fractura es relativamente plana sin deformación plástica; la superficie de la superficie de la fractura es de bloques o azúcar de roca, con una cierta cantidad de grietas secundarias y sin morfología de fractura plástica como hoyuelos. Muestra que el modo de falla de la válvula de bola de latón CW617N es el típico agrietamiento frágil intergranular.
Para averiguar la causa de la fisura a lo largo del cristal, se amplió y observó aún más la morfología de la superficie de la fractura, y se observaron algunas sustancias distribuidas a lo largo del límite de grano. Eran blancos y brillantes en el modo de retrodispersión SEM, como se muestra en la Figura 3c). El análisis del espectro de energía (EDS) del material de color blanco y brillante muestra que su composición química es principalmente elemento de plomo, lo que indica que el fenómeno de la segregación de plomo se ha producido en el límite de grano.
Usando un microscopio electrónico de barrido para observar la muestra metalográfica, como se muestra en la Figura 4, es claramente visible que hay una gran cantidad de materia blanca brillante en el límite del grano. El análisis EDS muestra que ocurre en el límite de grano del área de la grieta principal y el área de la grieta secundaria. Segregación de plomo, que es consistente con los resultados del análisis de fractura.
Análisis y discusión
Análisis de las causas del agrietamiento.
El análisis de fractura muestra que la forma de agrietamiento de la válvula de bola de latón CW617N es una fractura frágil a lo largo del cristal. En términos generales, la fuerza de unión del límite del grano es mayor que la fuerza de unión dentro del grano. Solo cuando el límite de grano se debilita, la grieta se propagará a lo largo del límite de grano y causará una fractura frágil. Las razones principales del debilitamiento de los límites de grano del material incluyen: inclusiones en los límites de grano o fase de precipitación frágil continua; los elementos de impureza fósforo, azufre, arsénico, antimonio, estaño, bismuto, plomo, etc. se segregan en los límites de grano; factores ambientales del medio Provoca corrosión, fluencia a alta temperatura, etc.
Durante el proceso de servicio de los productos de latón, debido al efecto de la corrosión por tensión, a menudo se producen grietas frágiles a lo largo del cristal. Sin embargo, la válvula de bola de latón CW617N fallida en este estudio no estaba en servicio y no había fases precipitadas intercristalinas o inclusiones en la microestructura cerca de las grietas, lo que puede eliminar la influencia de los factores de corrosión ambiental y las fases precipitadas intercristalinas o inclusiones. Los resultados del análisis EDS de las sustancias residuales en la superficie de fractura y la microestructura muestran que hay una segregación de plomo en el límite de grano, que es la razón principal del debilitamiento del límite de grano de la válvula de bola de latón CW617N. Junto con el efecto de la tensión de tracción generada durante el proceso de forjado en caliente o la tensión residual durante el proceso de enfriamiento,
Análisis del mecanismo de fragilidad térmica
El agrietamiento de la válvula de bola de latón CW617N a lo largo del cristal se debe principalmente a la fragilidad en caliente durante la forja en caliente. El fenómeno de fragilización en caliente del latón significa que durante el proceso de trabajo en caliente, el eutéctico de bajo punto de fusión se derrite primero, lo que conduce al debilitamiento o fragilización del límite de grano del latón, y se produce una fractura frágil bajo la acción de la tensión externa. La fracción de masa de plomo en la materia prima de latón utilizada en la válvula es de aproximadamente el 2 %, y la solubilidad del plomo en el latón es inferior al 0,3 %, y la mayor parte existe en el latón en forma de partículas de plomo libres. El plomo y el cobre forman fácilmente una estructura eutéctica de bajo punto de fusión y la temperatura eutéctica es de solo 326 ºC. El proceso de forjado en caliente es moldeado por extrusión a alta temperatura. Bajo la acción de la tensión de tracción durante el proceso de extrusión y enfriamiento, el material es propenso a la fractura frágil a lo largo del cristal, es decir, fragilidad en caliente. El fenómeno de la fragilidad en caliente en el proceso de forjado en caliente del latón está relacionado con la segregación de elementos químicos de la materia prima, el tiempo de residencia irrazonable a alta temperatura, la velocidad de extrusión y la tasa de enfriamiento durante el proceso de forjado en caliente.
Conclusión y sugerencia
El modo de falla de la válvula de bola de latón CW617N es una falla por agrietamiento intergranular causada por fragilización térmica. Durante el proceso de forjado en caliente, el irrazonable proceso de forjado en caliente hace que el elemento de plomo se acumule en el límite del grano para formar una fase eutéctica rica en plomo de bajo punto de fusión y, bajo la acción de la tensión de tracción, se forman las microfisuras intergranulares. Las grietas se originan a partir de la concentración de tensión en la superficie del cuerpo de la válvula y se expanden a lo largo de la dirección axial, lo que finalmente conduce a la falla por fractura.
Para evitar la fragilidad en caliente del latón forjado en caliente, se debe prestar atención para controlar estrictamente el contenido de elementos de impureza en las materias primas para reducir la segregación de elementos; formular un proceso de forjado en caliente razonable para evitar que el material permanezca en el rango de temperatura frágil de 300~400˚� durante mucho tiempo; reduzca la velocidad de extrusión y la velocidad de enfriamiento, para no producir una mayor tensión interna.
Seleccionado de: "Inspección Física y Química - Volumen de Física" Vol.55 2019.8
