摘要：為解決某銅合金發(fā)熱絲斷裂問題，本文從原材料著手，分析了銅合金發(fā)熱絲斷裂的原因，提出了相應(yīng)解決辦法，并對(duì)可能采取的措施進(jìn)行了理論探討。

　　關(guān)鍵詞：電熱毯 銅絲 斷裂 探討

　　近年國家質(zhì)檢總局的專項(xiàng)抽查顯示，電熱毯存在的主要問題之一是發(fā)熱絲彎曲次數(shù)不合格，容易斷絲、引起打火等。發(fā)熱絲是電熱毯的核心元件，常用材料為銅絲，目前國內(nèi)許多廠家都在研發(fā)不同成分的銅合金用于制作發(fā)熱絲。現(xiàn)有一特殊黃銅制作的發(fā)熱絲，其彎折次數(shù)合格，但銅絲放置一段時(shí)間后，微量銅絲出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，急需找出斷裂原因并提出解決辦法，本文對(duì)發(fā)熱銅絲斷裂原因進(jìn)行了初步分析，提出了相應(yīng)對(duì)策。

　　1 原材料的分析

　　此合金為在銅鋅合金基礎(chǔ)上添加少量Ni、Mn、Fe元素構(gòu)成的多元復(fù)雜黃銅。

　　1.1元素在復(fù)雜黃銅中的作用

　　(1)鎳：添加鎳可擴(kuò)大α相區(qū)，若雙相黃銅添加適量的Ni可轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗帱S銅。鎳能提高黃銅的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性和耐磨性，減小黃銅的應(yīng)力腐蝕傾向。

　　(2)錳：錳起固溶強(qiáng)化作用，少量的錳可提高黃銅的強(qiáng)度、硬度，顯著提高黃銅在海水、氧化物和過熱蒸汽中的耐蝕性。

　　(3)鐵：微量的鐵能細(xì)化黃銅的鑄造組織，并抑制退火時(shí)的晶粒長(zhǎng)大。鐵在α相中的溶解度為1%，隨含鋅量的增加而減小，且溶解度隨溫度而變化，因而能使黃銅有析出硬化效果，提高強(qiáng)度、硬度。

　　1.2復(fù)雜黃銅的鋅當(dāng)量和組織

　　復(fù)雜黃銅的組織，可根據(jù)黃銅中加入元素的“鋅當(dāng)量”來推算。在銅鋅合金中加入少量其他合金元素，會(huì)使銅鋅合金中的α/(α+β)相界向左移動(dòng)(縮小α區(qū))或向右移動(dòng)(擴(kuò)大α區(qū))，所以復(fù)雜黃銅的組織通常相當(dāng)于簡(jiǎn)單黃銅中增加或減少鋅含量的合金組織。

　　銅鋅合金加入其他合金元素后產(chǎn)生的相區(qū)移動(dòng)可由“虛擬鋅當(dāng)量[1]”來判斷：

　　X=(A+∑CK )/(A+B+∑CK)×100%

　　式中 A—復(fù)雜黃銅的實(shí)際含鋅量，%

　　B—復(fù)雜黃銅的實(shí)際含銅量，%

　　C—加入的合金元素實(shí)際含量，%

　　K—合金元素的鋅當(dāng)量;

　　∑CK—除鋅外，各加入元素的實(shí)際含量C(%)和該元素的鋅當(dāng)量(K)乘積總和。

　　“鋅當(dāng)量”是指每1%的合金元素在組織上代替鋅的量。幾種元素的鋅當(dāng)量K如下：Ni為-1.4，Mn為0.5，F(xiàn)e為0.9。

　　根據(jù)上式計(jì)算試樣含鋅量最高為：X=29.75%,根據(jù)Cu-Zn 合金相圖，Zn在銅中的溶解度小于39%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)為單相α黃銅,因此，該復(fù)雜黃銅的組織與29.76%Zn的單相黃銅相當(dāng)。

　　2 銅合金發(fā)熱絲斷裂原因的分析

　　由上列成分分析可見，此發(fā)熱絲為含鋅量較高(30%)的黃銅。根據(jù)文獻(xiàn)[2,3,4]，含鋅量大于20%的黃銅，在有拉應(yīng)力存在的條件下，在潮濕大氣，特別是含有氨、二氧化硫的大氣中具有較大的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。歷史上最典型的例子是，19世紀(jì)后期發(fā)現(xiàn)的三七黃銅彈殼在夏季季風(fēng)期存儲(chǔ)過程中，因?yàn)槌睗窨諝庵泻�有腐蝕性氨離子和彈殼制造過程中造成的殘余應(yīng)力聯(lián)合作用，導(dǎo)致彈殼的應(yīng)力腐蝕開裂破壞。

　　應(yīng)力腐蝕開裂(英文縮寫SCC)是指受應(yīng)力的材料在特定腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生的滯后開裂或斷裂的現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕開裂是鋁、銅合金中最容易發(fā)生的失效形式之一。當(dāng)材料承受的應(yīng)力超過某一臨界值時(shí)，會(huì)在腐蝕并不嚴(yán)重的情況下發(fā)生開裂或斷裂。應(yīng)力腐蝕裂紋一般均較細(xì)小，但能深入到金屬內(nèi)部，呈沿晶或穿晶擴(kuò)展，而表面僅呈現(xiàn)模糊不清的輕微腐蝕跡象，斷裂之前無塑性變形或其他明顯預(yù)兆。是一種擴(kuò)展速度較慢(0.001~0.3cm/h)的延滯性的脆性破壞，它是一種與時(shí)間有關(guān)的滯后破壞，材料所受應(yīng)力愈小，產(chǎn)生斷裂的時(shí)間愈長(zhǎng)，在應(yīng)力小于某一臨界之后，斷裂時(shí)間趨于無窮大(即不再發(fā)生斷裂)。雖然黃銅中加入鎳后可減少應(yīng)力腐蝕的趨向，但仍然難避免。

　　電熱毯發(fā)熱銅合金絲為復(fù)雜黃銅，存在產(chǎn)生SCC的三種條件：

　�、俨馁|(zhì)的SCC敏感性

　�、诖嬖诶浼庸�殘余應(yīng)力

　　受到的應(yīng)力是拉應(yīng)力，據(jù)統(tǒng)計(jì)，因加工制造過程所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力而引起的應(yīng)力腐蝕開裂，約占應(yīng)力腐蝕開裂總案例的80%以上。該銅絲經(jīng)過拉拔后沒有立即進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，而是后來發(fā)現(xiàn)問題后才進(jìn)行了退火處理，可仍沒徹底解決斷裂問題。

　�、鄞鎯�(chǔ)環(huán)境的腐蝕條件

　　銅合金的應(yīng)力腐蝕開裂主要表現(xiàn)在黃銅中，黃銅的季裂現(xiàn)象較為普遍，它隨含鋅量的增加而增加，這是由于含鋅量高時(shí)，表面容易脫Zn所致。只有當(dāng)含鋅量低于15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，應(yīng)力腐蝕才不敏感。引起應(yīng)力腐蝕開裂的特定離子不一定要大量存在，實(shí)際情況往往很低，例如黃銅即使在含氨量極微(約在二百萬分之一左右)，在潮濕的大氣下，其表面可以使氨富集而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂;空氣中的微量二氧化硫引起黃銅的應(yīng)力腐蝕開裂更為普遍。銅絲儲(chǔ)存所在地氣候潮濕，工業(yè)大氣中含氨、硫的氧化物等物質(zhì)，在發(fā)熱絲表面易形成極薄的電解質(zhì)液膜，形成了合金電化學(xué)腐蝕的重要條件。

　　3 解決辦法

　　根據(jù)以上銅合金絲斷裂原因的分析:第一可能性為應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)，防止辦法一是消除(減少)內(nèi)應(yīng)力，二是采取防腐蝕措施。課題組采取了以下兩種解決辦法。

　　3.1消除(減少)內(nèi)應(yīng)力

　　一般消除(或有效減少)冷加工殘余應(yīng)力的有效方法是去應(yīng)力退火，對(duì)銅合金一般應(yīng)加熱到250～350℃，保溫30～60分鐘。

　　我們采用振動(dòng)時(shí)效法消除應(yīng)力：據(jù)資料[6,7]介紹，振動(dòng)時(shí)效是利用工件的共振給工件施加附加交變應(yīng)力或變形，當(dāng)附加交變應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加通過材料內(nèi)摩擦吸收能量達(dá)到或超過材料的某一微觀極限應(yīng)力值時(shí)，工件內(nèi)部發(fā)生一定的微觀彈性塑性金屬力學(xué)變化，從而在一定程度上降低和均勻工件內(nèi)的殘余應(yīng)力(消除20～50%)，減緩應(yīng)力腐蝕開裂。但此法以往主要用于尺寸較大的鑄、鍛和焊接工件，如何在發(fā)熱絲這樣的細(xì)長(zhǎng)件上實(shí)施及實(shí)際效果尚需要進(jìn)一步探討。

　　3.2防止和減緩銅合金腐蝕[2,5]

　　此類防護(hù)措施有多種，但結(jié)合電熱毯發(fā)熱絲制成品的特殊情況是否可在以下兩種辦法中探討：

　　(1)將發(fā)熱絲制成品烘干后兩端密封：即將發(fā)熱絲放于大烘箱內(nèi)加熱到絕緣層可以承受而又能去除濕氣的溫度烘烤，去除絲內(nèi)表面的濕氣，然后將兩端用密封膠密封，以長(zhǎng)期隔離潮濕大氣的腐蝕作用。但如何保證在制成電熱毯后仍能長(zhǎng)期起密封作用，尚需研究。

　　(2)犧牲陽極保護(hù)法：在銅合金絲的兩端焊接(或夾緊)一段鋁絲(片)。當(dāng)電熱絲表面浸上潮濕薄膜因而構(gòu)成金屬電化學(xué)腐蝕條件時(shí)，焊(夾緊)的鋁絲(片)因電極電位較黃銅低得多而成為電化學(xué)腐蝕中電化偶的陽極被腐蝕，銅合金絲則成為陰極而被保護(hù)。此法過去一般用于保護(hù)浸于海水或潮濕海洋氣候條件下的建筑、機(jī)械構(gòu)件，較為有效，但應(yīng)用于電熱毯發(fā)熱絲的有效性(一般大氣腐蝕條件)和工藝可行性尚待研究。

　　4 結(jié)論

　　從原材料成分著手，分析了此銅合金發(fā)熱絲斷裂的主要原因是加工殘余應(yīng)力或應(yīng)力腐蝕，提出了采用振動(dòng)等方法消除殘余應(yīng)力以及防止和減緩銅合金腐蝕相應(yīng)對(duì)策，并對(duì)可能采取的解決方法進(jìn)行了理論分析和探討。

　　參考資料：

　　【1】王群驕.有色金屬熱處理技術(shù). 第一版.化學(xué)工業(yè)出版社.2008

　　【2】劉道新.材料的腐蝕與防護(hù). 第一版.西北工業(yè)大學(xué)出版社.2006

　　【3】劉高杰.H62黃銅錐套的破裂分析.腐蝕與防護(hù).2000:21(9)-420-422

　　【4】吳平，王宜玲. H68黃銅管夾開裂分析. 理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)-2003:39(3)-162-164

　　【5】龍昕 郭曉楠等. 高密度單脈沖電流對(duì)H62黃銅腐蝕性能的影響 .材料保護(hù)-2001(7)-1-3

　　【6】盛繼生，戴素江. 振動(dòng)時(shí)效法消除應(yīng)力的應(yīng)用研究. 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)-2005:5(3)-13-15

　　【7】牟君，楊國義，張琪.振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力的應(yīng)用. 機(jī)械工人：冷加工-2005(2)-15-17

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