關于黃銅閥門的制造與質量控制

查昭

【摘 要】黃銅閥門在現代閥門制造中有著舉足輕重的作用，本文對黃銅閥門進行相應的研究，針對原材料、產品結構、安裝方法、使用環境等多個方面對黃銅閥門制造過程中所出現的缺陷進行了全面的分析，指出黃銅閥門自身所具有的缺陷，比如：組織疏松，顆粒大等，并對熱鍛黃銅閥門可靠性會產生影響的一些因素進行了探討，提出一些解決的方案。

【關鍵詞】黃銅閥門；缺陷；質量控制

通過對目前黃銅合金熱鍛產品的統計，顯示絕大多數的黃銅熱鍛產品都是五金產品，在這些產品之中，閥門、水嘴和銅管連接器件是這些產品中的主力。一般而言，黃銅熱鍛產品的構造相對比較的復雜，容易出現非常大的變形率，熱鍛過程中，就冷隔、起皮、折疊等等缺陷時有發生。因為熱鍛工藝在銅合金中使用歷史不足20年，外加熱鍛工藝“固態鑄造”所具有的的特性，熱鍛缺陷的發現有著很大的難度，一些經檢驗合格的產品，特別是使用的中后期，出現過的故障甚至失效，對于這些問題應該采取適當的措施進行適當的控制。本文針對黃銅閥門的自身缺陷和使用過程中的失效情況進行了分析，并且提出了解決方案。

一、黃銅原材料質量引起的熱鍛件缺陷

（一）化學成分和雜質的影響

在進行鍛造的過程中，鍛造棒中所含有的化學成分一些雜物的對于黃銅棒原材料中的Sb、Al等等元素對黃銅熱鍛有著非常大的危害性。通過對各項試驗的資料進行分析依據對客戶反饋的信息進行收集，可以發現如果黃銅棒料中Al的含量超過0.35%，Sb的含量超過0.015%，制造出來了產品就會非常的脆弱，在安裝和使用的時候，就容易出現開裂的狀況。不僅如此黃銅棒如果原材料的主成分，如Cu含量相對比較的低，相反Pb的含量相對較高，都很有可能造成缺陷。但是如果Cu的質量分數過低，低于了55%，Pb的含量超過了4%，就超過了標準的要求，很有可能導致塑性和可鍛性大大的降低，產品制造完成之后，毛坯塑性以及力學性能都會有很大幅度的下降，產品就很容易出現開裂和斷裂的現象。通過實驗可以發現，黃銅棒中雜質總和如果超過2.5%，開裂的情況就非常的明顯。黃銅棒原材料在進行熔煉的時候，進場大量使用銅屑以及飛邊等回用料。因此，很有可能使氧化物和夾雜物含量大大的增加，其結果就是黃銅棒本身的力學性能相對較低，產品的性能就難以保證，因此原材料的化學成分測試是必不可少的，同時也要做一些力學性能測試，有些特殊材料還要做耐脫鋅測試和氨薰測試。確保材料合格才可以繼續完成下一道工序。

（二）熱鍛棒料加熱方式的影響

對熱鍛棒料進行加熱，一般由以下的幾種方式：電爐加熱、中頻感應加熱等等。在目前電爐加熱方式已經不再使用，這主要的原因是電爐箱體內溫度不均勻，經常會出現高溫區域的部分銅棒受到高溫的影響而融化。通過大量的試驗發現，因為燃油加熱的熱效率比較的低，晶粒尺寸就會顯得更加的粗大，特別是經過二次加熱后一些晶界就會被熔化，晶粒相應的粗大。通過試驗發現，不管采用哪種加熱方式，如果進行二次加熱都會大大影響鍛件的品質，所以只有在一次熱鍛難以成型的產品中，二次加熱才可以被使用，就是使用二次成型的方式的時候，也應該對加熱溫度以及加熱速度實施準確的控制，但是一般情況下應該采用一次成型的鑄造工藝。

二、熱鍛成型過程中造成的黃銅閥門缺陷

黃銅閥門的閥體零件通過熱鍛，進行成型主要有以下的幾個過程，第一步：閥體中腔首先成型，第二步：閥體上緣以及左右兩側上翼緊接著成型，第三部：左右兩側以及閥體內腔繼續成型，第四部：外形和閥體內腔完全成型，在閥體的外緣四周伴隨著充型過程的進行逐步的“生長”。整個過程中，很容易出現以下兩種缺陷。

（一）鍛件流線分布不順

一般而言，鍛件流線分布不順是主要指的是由于設計不當、或者是熱鍛設備所選擇的噸位不是特別的合理等，從而導致了對毛坯進行鍛造的時候充型的各路支流容易出現交匯。工人在進行操作的時候，如果操作不當，涂抹的脫模劑的用量過多或者過少、型芯磨損、型腔龜裂都非常有可能使金屬出現不均勻的流動，這樣就會使鍛件流線的分布不是特別的順暢。如果流線的分布不順，毛坯的力學性能也會相應的降低，制造出來的性能很有可能和設計者的意愿有很大的差距，這所帶來的問題非常的嚴重。通過顯微鏡對黃銅閥體鍛件進行觀察，可以發現及時看起來非常光滑平整的表面也有一些流線不順的情況。

（二）折疊

折疊形成的原因是黃銅合金在進行充型的過程中和氧化的表層金屬融合在一起從而形成的，折疊的形成可以是由兩股也可以使多股金屬交匯產生的，一股金屬的急速大量流動也可以使鄰近的表層金屬發生流動，從而匯合形成折疊。如果變形金屬出現了彎曲或一部分的金屬出現了局部變形被壓入另一部分金屬折疊的情況，這些情況都和原料的高度比、模具設計、潤滑情況以及操作人員的技術熟練程度有著明顯的聯系。如果出現嚴重的折疊，很有可能使原本粘連的黃銅合金表層金屬在進行加工的過程中出現翹起以及脫落的情況，特別是閥體表面的凸起字體特別嚴重的時候，標識字體不完整的情況經常的出現。

三、熱鍛閥門常見的失效分析

（一）閥門開裂

1、由于熱鍛缺陷導致的開裂

在安裝和使用過程中，熱鍛閥門出現開裂比例一般占不合格品的50%左右，一般顯示為閥體安裝時六角部位會出現開裂，甚至是在成型的時候在分型面處出現開裂的情況。因此熱鍛過程中的加熱是關鍵，盡量避免出現過熱和過燒現象。過熱會導致金屬晶粒粗大，鍛造后熱處理過程中可以彌補；過燒會破壞晶粒間結合力，一鍛即碎，損失不可挽回。

熱鍛后的毛坯內部裂紋可用專用探傷設備去做測試。

2、環境因素導致的開裂。一些熱鍛黃銅閥門雖然不存在明顯的缺陷，但是還是出現了開裂，這種情況一般是因為特殊的環境因素導致的。比如安裝在中央空調冷卻水管路的熱鍛閥門，因為其管螺紋機在生產的過程中吸收了大量應力，以及安裝的時候沒有遵循進行同側扳鉗操作的操作細則，很容易使安裝的應力形成了疊加，一些特殊使用環境的影響，就很有可能使產品出現應力腐蝕開裂，因此產品的去應力退火是一種好的解決方案，具體的材料退火的溫度和保溫的時間是不同的，這需要工程設計人員進行試驗后來確認，筆者建議一般黃鍛材料的毛坯低溫退火在280oC-300 oC、保溫2-3小時 ；DZR材料的毛坯一般采用460 oC -480 oC、保溫2-4小時 在樣品開發階段以及批量生產時，都在去做氨薰測試來驗證產品的質量是否可靠。

3、壓力試驗結果不正確導致的開裂。很多的時候，試驗設備上的壓力表單位，和具體操作的工程安裝人員的通俗叫法有一些不一致的地方，特別是對于一些進口設備，在設備上就有多種壓力的量綱，外加一些工程單位對工程進行了層層轉包，一些進行管道工程以及安裝和調試的時候，相關操作人員的專業素質業績崗位能力欠缺，都有可能使壓力試驗結果不正確導致的開裂，所以產品需要清晰的標明的公稱壓力，防止超過額定壓力發生重大安全事故。

（二）斷裂

在熱鍛閥門在使用的過程中，出現斷裂比例占據了不合格產品中的25%左右。這些斷裂情況一般會出現在閥蓋以及閥體的壁厚相對比較薄弱的地方。斷裂產生的原因主要有產品結構設計、介質腐蝕斷裂、熱鍛成型過程缺陷、熱鍛模具設計不合理等等原因，因此在相關的產品結構設計以及相應的模具設計過程中，必須多工藝特點進行更多的考慮，在設計的時候盡量使用圓角過渡，特別對于閥體以及閥蓋分型面進行設計的時候，閥門分型面處斷裂最直接的產生原因是分型面和內外加工基準面出現了匯合，因此在操作的時候應該注意。

（三）凍裂

對于在一些特定情況下，黃銅閥門在使用的時候容易出現凍裂的情況。所以應該注意嚴寒季節必須對閥門進行必要的防護、存放以及使用。特別是在出口端完全封閉的情況下，如果遭遇冰凍天氣，水結冰在管道中發生了體積的膨脹，通過實驗發現產生了大于30MPA的膨脹應力，這個數量級產生的破壞，很有可能導致黃（下轉第284頁）（上接第285頁）銅產品，在其最薄弱的地方出現一些脹裂的情況。一些技術人員認為按照技術參數的標準，里面規定黃銅閥門的工作溫度的下限為-40℃，承受0 ℃以及結冰天氣應該是沒有什么問題的，但是對于-40℃這個限制主要是針對各種不一樣的介質來說的，而閥門正常工作最重要的基礎就是在任何低溫的時候，在管道里面都有流動的液體，并且處于流動狀態。

（四）閥門泄漏

熱鍛工藝有一個非常大的優勢就是制造出來的閥門致密度高，避免了一些滲漏現象的出現。一般情況下熱鍛閥門的應用中，泄漏的比例在不合格產品中占據了5%左右。這種現象出現的主要因為是管道安裝過程中，一般都是采用鍍鋅管，與之相對應黃銅熱鍛產品的硬度低，在旋合深度過長的時候，黃銅閥門密封面部位非常容易出現變形，因此出現了泄漏的情況。

參考文獻：

[1]盧愛華. 熱鍛黃銅閥門的缺陷和失效分析[J]. 特種鑄造及有色合金，2012，10：969-972.

[2]劉金林，付亞波，崔靜，陳學林. HPb58-3易切削鉛黃銅閥門材料表面變色原因研究[J]. 上海有色金屬，2013，01：24-27.

[3]王敏德. ZHA167—2.5鋁黃銅閥門的鑄造工藝[J]. 特種鑄造及有色合金，2007，02：47-48.

[4]周龍華，鄒森煥. 黃銅閥門低銅材料的研制[J].機械工程材料，2008，02：42-44.