凝凍筒銅合金內筒開裂原因質量分析與探討

文/石生芳

冰激凌生產設備中，凝凍筒是關鍵部件之一，它的品質直接關乎冰激凌的產品質量穩定性。故從產品設計到設備維護，定期檢查是非常重要的工作。某公司在對凝凍筒做定期檢查時發現：凝凍筒近小法蘭一側內筒內表面有裂紋，裂紋基本呈環向分布，約占三分之一周長。

一、凝凍筒結構和材質

凝凍筒由內筒和外筒組合而成，筒內為制成的冰淇淋。它工作時需要承受不同的工作壓力。如，冰激凌通常工作壓力0.6 MPa～1.0 MPa，工作溫度-5 ℃；夾套內為氟利昂冷卻劑（R404），內筒工作壓力0.1 MPa，工作溫度-30 ℃～ -35 ℃。凝凍筒全長910 mm，外筒外徑φ126 mm，內筒內徑φ95.6 mm。內筒由H62銅合金加工成型，其內表面鍍有鉻層，鉻層厚0.15 mm，內筒外表面有臺階和螺旋翼片。外筒由Q235碳素結構鋼制成。凝凍筒兩端分別設有不同直徑的不銹鋼法蘭，大法蘭φ215 mm，小法蘭φ170 mm。法蘭與外筒熔焊連接，同時與內筒釬焊連接。本文采用宏觀檢驗、化學分析、硬度測量、金相分析、掃描電鏡分析及X射線能譜等多種檢測手段，查找凝凍器銅合金內筒開裂的質量原因。

1. 宏觀檢驗

內筒內表面的開裂區域呈環向分布，約占三分之一周長，開裂區位于夾套區的起始段，非法蘭與內筒的釬焊區，裂紋距凝凍筒內筒外端面約28 mm（圖1-a）,裂紋曲折、重迭、斷續環向分布，尾端較纖細，無明顯塑性變形，裂紋旁側有多條細裂紋，呈簇分布，在開裂處縱向截開后，可見裂紋由內筒外表面臺階轉角處起向內斜向擴展并貫穿壁厚，由此而形成內壁表面裂紋, 轉角為直角過渡，沒有圓角R的過渡（見圖1-b）,在內筒外表面臺階處可見沿轉角分布的裂紋，呈曲折、交錯重迭分布，與內壁裂紋相對應，裂紋打開后，裂面較粗糙，為典型脆性斷口，臺階轉角處分布著徑向的起伏條紋并向內壁鍍鉻層伸展，開裂是由內筒外表面臺階轉角起始向內壁發展的。

圖1 裂紋的位置和形貌

經檢測，成份與硬度都符合相關的標準要求。

2. 金相

① 內筒外表面臺階轉角開裂（未貫穿）處縱向截面

臺階轉角處開裂的裂紋形貌金相在顯微鏡低倍下可觀察到細裂紋從轉角表面向內曲折發展，主裂紋兩側有許多沿晶二次微裂紋，呈應力腐蝕裂紋形態；同時，在轉角表面主裂紋旁，可見到垂直表面的裂紋，二條匯聚成一條的裂紋，呈45°方向曲折向內發展；高倍下（見圖2），可見基體組織為α+β，β相呈帶狀沿軸向分布；主裂紋沿晶發展，局部沿β相延伸；在起始區域還可見到沿晶狀分叉。

圖2 裂紋沿晶狀發展形貌

② 裂面處縱向截面

裂面處縱向截面區域低倍下組織分布形貌，上側為銅制內筒的外表面臺階轉角面，下側為內筒內表面鍍鉻層，可見近裂面區段多處開裂，裂面呈斜向、曲折分布，與條帶分布的β相相關。裂面處縱向截面高倍下組織分布形貌（見圖3），在起始區和擴展區均可見裂紋沿晶擴展，基體組織為α+β，β相條帶狀軸向分布。

圖3 裂面組織分布形貌

3. 掃描電鏡和X射線能譜分析

① 內筒外表面臺階轉角開裂（未貫穿）區域

內筒外表面臺階端面區近裂紋區域腐蝕及開裂形貌從圖4中可見許多沿晶狀微裂紋，局部裂紋與腐蝕斑相伴，部分裂紋連貫成平行主裂紋的曲折狀微裂紋，開口相對較寬。對上述表面裂紋腐蝕斑區進行X射線能譜分析，可見除Cu、Zn基體主量峰線外，還可看到Hg（約 28.2%）峰線，表明開裂與汞鹽相關。在臺階外表面同樣可見沿晶狀微裂紋，相對細、淺一些，腐蝕相對輕微。

圖4 臺階端面上腐蝕及開裂形貌（SEI）

② 貫穿裂紋打開后裂面區域

貫穿裂紋打開后，在近外表面（臺階轉角處）裂面邊緣區形貌，可見裂面呈沿晶形態，起始邊緣與外表加工刀痕平行，且與刀痕及表面腐蝕斑相關。 在裂面中心區開裂形貌，呈沿晶脆性開裂形態，伴有團絮狀花樣，晶面上可見小孔洞，并可見沿晶二次裂紋。對上述裂面上團絮狀花樣區進行X射線能譜分析，可見明顯的Hg（約32.8%）峰線，表明團絮狀花樣區與汞鹽侵蝕有關。

三、討論

根據上述研究發現：凝凍筒內筒內部與夾套在工作壓力下，由于內外筒材料不同，線膨脹系數不同，受結構拘束度的影響，內筒承受拉應力，在內筒直角轉角處，存在應力集中，在腐蝕介質的作用下發生應力腐蝕開裂。

應力腐蝕開裂是金屬材料在拉應力和特定的腐蝕環境共同作用下而引起的，應力腐蝕開裂是在腐蝕介質、金屬材料、應力這三個因素同時起作用時才能發生，而發生開裂的腐蝕介質和金屬材料有特定的匹配關系。

開裂的凝凍筒具備了產生應力腐蝕開裂的三個必備因素：

1. 材料因素

黃銅對應力腐蝕是非常敏感的，一般認為鋅含量小于15%的黃銅具有較好的應力腐蝕抗力，隨著鋅含量的增加（直至40%），黃銅的應力腐蝕敏感性上升，凝凍筒黃銅制內筒H62鋅含量為37.07%，金相組織為典型的雙相組織，雙相組織對應力腐蝕的敏感性較單相組織高。據此，該凝凍筒具備了應力腐蝕的材料要素。

2. 應力來源

凝凍筒內筒內部與夾套均承受一定的工作壓力,加上內筒材料黃銅的線膨脹系數高于外筒材料碳鋼的線膨脹系數，受結構拘束的影響，內筒承受拉應力，而轉角處的直角結構, 使得該部位還存在很高的應力集中，更加容易誘發裂紋（滿足應力腐蝕的應力要素）。

3. 介質要素(環境)

應力腐蝕只有在某些金屬與介質的特定組合情況下才能發生，故，產生應力腐蝕開裂的一個主要因素是特定的腐蝕介質。據相關研究顯示：黃銅在氨和汞鹽中會發生應力腐蝕開裂，由此可見，黃銅與汞鹽是發生應力腐蝕的特定組合, X射線能譜分析發現內筒外表面存在汞鹽，因此，該凝凍筒具備了應力腐蝕的環境因素。

綜上所述，凝凍筒內筒開裂為應力腐蝕開裂，內筒外壁臺階轉角處不是圓滑過渡，致使應力集中明顯，從而加快了應力腐蝕開裂的速度。

四、結論與建議

該凝凍筒銅制內筒的材質化學成分符合H62的相關技術要求，但該凝凍筒內筒的H62黃銅在汞鹽介質和有效應力的共同作用下，使內筒產生應力腐蝕裂紋；裂紋起始于銅制內筒外壁臺階轉角處，而后向內部擴展，最終穿透壁厚，致使內筒開裂。

內筒外壁臺階轉角處不是圓滑過渡，致使應力集中明顯，從而加快了應力腐蝕開裂的速度。

建議轉角處增大圓角R值，避免過度的應力集中，并查明凝凍筒夾套內汞鹽的來源，避免再度發生設備裂紋的問題。