黄铜材料的火花塞衬套开裂，原因竟是残余应力过大

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。

表1 衬套的化学成分（质量分数）  （%）

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。

图1 衬套裂纹的宏观形貌

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。

图2 衬套断口扫描电镜

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。

图3 裂纹处金相组织

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为衬套装配态的第一主应力云图，亮色区域为拉应力区。可见在衬套台肩上方外壁与倒角外壁处和细颈内表面的拉应力较大，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。

图4 衬套装配态的第一主应力云图

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。

参考文献：略。

来源：《金属加工（热加工）》杂志