繼電器底座錫青銅引腳斷裂失效分析

＊楊禮林 張弦 楊廣舟

（內蒙古科技大學 材料與冶金學院 內蒙古 014000）

錫青銅具有良好的焊接性能、易切削加工、無磁性和低溫脆性，受到沖擊時不會產生火花，在制作耐磨零件和彈性元件方面用途廣泛[1-2]。錫青銅在電氣、電子工業中應用廣、用量大，占總消費量一半以上。常用于各種電纜和導線，電機和變壓器的開關以及印刷線路板，在機械和運輸車輛制造中，用于制造工業閥門和配件、儀表、滑動軸承、模具、熱交換器和泵等。由于錫青銅鍍層具有鍍層質量穩定，粘合力強，耐腐蝕和耐老化性能良好，符合環保要求的優點，能更好的滿足材料使用要求，成為最為廣泛的合金鍍層。

文中繼電器底座錫青銅（CuSn4表面鍍Sn）引腳在工作中（2～3年后）斷裂失效，正常設計壽命8～10年。該工件安裝在電子線束箱內，運用在和諧號動車機車上，溫濕度隨運營線路和具體地點會有波動，在震動環境下工作。目前發現共有8件斷裂，斷裂引腳不固定且隨機，斷裂位置均為引腳折彎處。本文通過1件正常工件和1件斷裂失效工件進行微觀及宏觀分析，結合工件服役環境，通過對比來確定斷裂位置及失效原因，并提出預防改進措施。

1.試驗方法

試驗工件材料成分為CuSn4表面鍍Sn，線切割線切割橫向（徑向）截取斷口樣，斷口試樣經超聲波丙酮清洗后干燥，使用ZEISS EVO18場發射掃描電子顯微鏡及能譜儀對試樣斷口進行分析。使用FOUNDRY-MASTER直讀光譜儀對試樣的化學成分進行分析。斷口成分分析后，在斷口附近截取金相試樣，經打磨與拋光后，在BX53M蔡司金相顯微鏡下觀察拋光態斷口形貌，然后使用硝酸冰醋酸水溶液侵蝕，對顯微組織進行觀察與分析，以確定試樣的顯微組織是否合格。借助402MVD顯微維氏硬度計對失效零件和正常零件（對比件）的硬度進行檢測，以確定失效零件硬度。

2.試驗分析

(1)宏觀分析

由于錫青銅材質成分直接影響到產品的各項性能，嚴重的會直接導致其產生斷裂，首先對繼電器底座錫青銅引腳的化學成分按照《銅及銅合金化學分析方法》（GB/T 2151）中的技術要求進行比較，如表1所示化學成分符合國標技術要求。

表1 錫青銅引腳化學成分(質量分數/%)

該引腳呈彎曲狀，宏觀形貌見圖1（a）所示，斷裂處位于引腳彎折處（如圖1（b）（c）中箭頭指向處）。

圖1 引腳宏觀形貌

(2)微觀分析

①硬度測試

按照國標GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗》，借助402MVD顯微維氏硬度計對失效零件和正常零件（對比件）的硬度檢測，檢測結果如表2所示。從表中可看出，失效零件的硬度和正常零件硬度相當，符合企業的技術硬度要求。

表2 硬度檢測結果

②非金屬夾雜物分析

未腐蝕的金相經磨拋后將其表面在光學顯微鏡下放大100倍后，觀察基體處和引腳彎折處非金屬夾雜物，其非金屬夾雜物形貌如圖2所示，參照《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準》（GB/T 10561-2005）進行評定，未見較大且明顯夾雜物，因此判斷試樣的非金屬夾雜物符合企業技術要求。

圖2 非金屬夾雜物形貌

③顯微組織

參照國標《金屬顯微組織檢驗方法》（GB/T 13298-2015）使用蔡司金相顯微鏡對基體與引腳折彎處組織進行觀察，得到經硝酸冰醋酸水溶液侵蝕后的形貌如圖3所示，經觀察基體組織為細小孿晶α相和其他雜質相，并依據《金屬平均晶粒度測定方法》（GB/T 6394-2017）對試樣晶粒度進行評級，其平均晶粒度為11級，符合技術要求。

圖3 顯微組織形貌

④斷口金相組織分析

借助蔡司金相顯微鏡對磨拋后的試樣進行觀察，其斷口周邊拋光態形貌如圖4（a）所示，觀察到有兩處異常處（①和②），并對異常處分別進行局部放大，如圖4（b）（c）所示。經觀察引腳鍍錫層厚度為4～5，斷口周邊未見氧化和其他缺陷。經4%硝酸酒精溶液浸蝕后組織形貌如圖5（a）所示，對圖5（a）中①和②進行局部放大，如圖5（b）（c）所示。圖5（b）觀察到變形組織集中，并向外擴展，因此判斷變形組織集中的地方為裂紋源，斷裂源在引腳彎曲內 側[3-6]。圖5（c）為正常拉伸組織。

圖4 斷口拋光態形貌

圖5 斷口周邊組織形貌

⑤斷口形貌分析

對斷口進行放大觀察，斷面呈纖維狀，暗灰色，較平整，紋路清晰。斷口形貌如圖6（a）所示。借助ZEISS EVO18電子掃描顯微鏡對工件進行掃描電鏡分析，得到如圖6（b）所示的斷面SEM形貌圖，因為疲勞斷裂斷口特征非常明顯，能清楚的顯示出裂紋的發生（斷裂源區）、發展（擴展區）和最后斷裂（終斷區）三個組成部分，所以初步判斷此零件失效的原因是疲勞斷裂[7-9]。

圖6 斷口形貌圖

借助場發射電子顯微鏡，觀察斷裂源區SEM形貌，如圖7（a）所示。斷裂源區局部放大（白色線圈內），如圖7（b）所示。觀察裂紋源區SEM形貌，發現有呈不明顯波浪狀走向的條紋（白色線條所示）符合疲勞斷裂裂紋源區形貌[10]。

圖7 斷裂源區SEM形貌

觀察斷裂擴展區SEM形貌，如圖8（a）和8（b）所示，放大圖中觀察到一系列基本上相互平行的條紋，裂紋呈明顯波浪狀走向，并于裂紋局部擴展方向相垂直，這是疲勞斷裂中疲勞輝紋的主要特征[11]。

圖8 裂紋擴展區SEM形貌

觀察斷裂終斷區SEM形貌，如圖9（a）和如圖9（b）所示。觀察到有明顯的韌窩組織形貌，符合正常的拉伸斷裂形貌，屬于塑性拉伸斷裂[12-13]。

圖9 裂紋終斷區SEM形貌

3.結論與建議

（1）失效工件錫青銅引腳的化學成分、非金屬夾雜物、硬度值、晶粒度、基體顯微組織及鍍層厚度均符合標準要求，不屬于造成引腳斷裂的原因。

（2）對引腳彎折處斷口進行觀察時，發現有變形組織集中趨勢，擴展形成裂紋源區；斷口可以分為裂紋源區、擴展區、終斷裂區，并在擴展區觀察到疲勞輝紋形貌，判定此斷裂為疲勞斷裂，又結合失效零件的工作環境存在無規律且長時間震動的情況，最終判定工件失效類型為微振疲勞斷裂。

（3）建議優化引腳的結構設計及加工方式，避免結構或加工缺陷導致裂紋產生；嚴格控制加工工藝，提高組織均勻性，減少雜質相產生；提高材料冶金質量，合理搭配材料強度、塑性和韌性。