空调水铜阀断裂原因分析及预防

某空调水阀门在使用5个月后，阀盖从螺纹根部发生断裂。该阀门规格为DN32，材料牌号是ＲHPb56-4(铅黄铜)，设计压力为1.6 MPa，实际使用压力为0.3 MPa，介质为常温水(自来水+防锈剂)。经检查，发现失效阀门阀盖螺纹处有泄漏，同工况、同介质下其他阀门未出现此情况。为寻找该阀门断裂的原因，笔者对其进行了理化检验与分析，并提出了预防措施。

1 理化检验与分析

采用肉眼观察阀门的宏观形貌；采用X射线荧光光谱仪对铜阀化学成分进行分析；采用金相显微镜观察阀盖的断裂位置及其对面的显微组织，采用扫描电镜及能谱仪进行断口形貌观察以及微区成分分析。

1.1 宏观形貌观察

图1为铜阀阀体及阀盖的宏观形貌。图1(a)为铜阀阀体，该阀门是一截止阀，在正常运行状况下，通过上面的阀杆，来调节左右侧流通口而达到控制介质的流量，阀盖一般是封闭的，当需要排除残余介质时才会开启。图1(b)为铜阀阀盖，该阀盖已经在螺纹根部发生断裂，由图中可以看出其断口比较平整光亮，表面呈淡黄色。图1(c) 为断裂的阀盖的螺纹口，其内表面A 位置为一浅凹坑，呈浅灰色，一直延伸至底部的断口。

1.2 化学成分分析

对失效阀门阀盖外表面(图1(b) 所示) 进行化学分析。将阀盖放在酒精中采用超声波清洗20 min 后，吹干，打磨光滑后在X荧光光谱仪上进行化学成分分析，结果见表1，其化学成分符合GB /T26311—2010《再生铜及铜合金棒》标准的要求。

表1 失效阀门的化学成分( 质量分数，%)

Table 1 Chemical composition of thefailure valve ( mass fraction ，%)

1.3 显微组织分析

在断裂铜阀阀盖螺纹口的凹坑处(图1 (c) 中A位置) 及其对面完好部分处分别取样并编号为A、B 试样，经磨抛腐蚀后在显微镜下观察，其显微组织如图2所示。可以看出，试样A 和B 的组织均为α + β 相，β相是基体相。试样B 的组织中β 相呈柱状结构，α 相在β 相中均匀分布，呈随机析出的状态，为正常的组织。而试样A 的组织中α 相呈块状沿着β 相晶界呈网状分布，这种网状分布的组织会削弱晶界的结合力，使材料力学性能变差，塑性降低，脆性较大，造成脆性断裂倾向增大。

经过与生产厂家充分沟通后，了解到该铜阀的生产工艺为铸造成型—(720～ 750) ℃ 热轧—200℃ 退火—清洗—机械加工。但是从图2 所示两个试样的显微组织中两个相分布形态的差异可以发现该阀门存在热处理不均匀的问题，最终导致组织的不均匀性，增加了组织应力，且试样A 的显微组织中α相呈块状沿着β 相呈网状分布，都使材料的脆性增大，综合力学性能变差。据报道这种沿晶界呈网状分布的组织可通过再结晶退火消除。

1.4 断口微观形貌分析

将铜阀阀盖放在酒精中采用超声波清洗20 min后，吹干，将其放在扫描电镜下对螺纹根部的断口进行观察，其微观形貌如图3 所示。将该断口放大至100倍，发现断口大部分区域均是非常平整的(见图3(a))，局部区域有一布满裂纹的台阶(见图3(b))。对布满裂纹的台阶进一步放大，发现该台阶低处(见图3(c)) 断口呈现明显的解理形貌，有解理刻面存在。而台阶高处(见图3(d))断口呈现韧窝形貌，且最终发现韧窝形貌只在该区域出现，故可推断台阶低处为裂纹源，台阶高处的韧窝形貌是由撕裂造成的，断裂是从台阶低处开始，扩展至台阶高处并撕裂完成的，所以该阀门为脆性断裂。

对断口平整处进行高倍观察，结果如4 所示。从图4(a) 中可以看到平整断口的表面布满气孔，为典型的铸态组织。将局部微区进一步放大至4000倍，可以看到有很多小的解理台阶，整个断口呈解理断裂形貌，断口上能看到沿晶界扩展的微裂纹，有明显的撕裂棱和孔洞，属于脆性断裂(见图4(b)) 。

1.5 能谱分析

对断口裂纹源位置及其他微区成分进行能谱分析，图5(a) 为韧窝处的能谱分析结果，图5(b) 为解理台阶处的能谱分析结果，两者均未检出腐蚀介质及腐蚀产物，表明该阀门断口处没有发生明显腐蚀。

2 阀门断裂原因与分析

综上所述，该阀门阀盖处的化学成分符合其材料标准GB/T26311—2010《再生铜及铜合金棒》的要求；金相检验显示凹坑处的α相在整个截面上沿着晶界周向分布，这种α相晶界偏析会使材料脆性增加，冲击性能降低；扫描电镜断口观察结果显示该阀门断裂为脆性断裂，起裂位置为台阶低处；能谱分析结果显示该阀门断口未检出腐蚀介质及腐蚀产物，没有发生明显腐蚀。

通过上述分析，可以推断该阀门的断裂原因主要是：铜阀的热处理工艺不当，造成其阀盖的局部区域出现了α相沿着β相晶界呈网状分布的组织，使得材料脆性增大，冲击性能降低，另一方面空调中的水在冬天和夏天长期交替使用时温差较大，热胀冷缩易产生温差应力，随着应力的逐渐增大，铜阀在使用过程中产生了微裂纹，在外界介质的冲刷下，裂纹进一步扩展，最终发生了断裂。

3 改进措施及建议

针对实际情况，提出了以下改进措施和建议：

1) 生产厂家应选择合适的热处理工艺，消除铸造成型过程中的残余应力、改善组织形貌，可降低应力腐蚀的倾向。

2) 阀门使用厂家在购买阀门时应注意对原材料供货状态的控制，对材料的化学成分、热处理状态和显微组织等加强监控，在使用前应对原材料的化学成分、硬度、显微组织等进行复验，确保材料的性能均符合标准后再投入使用。

3) 空调使用厂家应选择正确的热处理工艺和装配方式来降低铜阀的残余应力和装配应力，以减小因应力增大造成的脆性断裂或应力腐蚀倾向。安装中央空调冷却水管路系统的铜阀时，应遵循同侧扳钳的原则，尽量减小安装应力，降低应力腐蚀的倾向。