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(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院 內(nèi)蒙古 014000）

錫青銅具有良好的焊接性能、易切削加工、無(wú)磁性和低溫脆性，受到?jīng)_擊時(shí)不會(huì)產(chǎn)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(yè)中應(yīng)用廣、用量大，占總消費(fèi)量一半以上。常用于各種電纜和導(dǎo)線，電機(jī)和變壓器的開關(guān)以及印刷線路板，在機(jī)械和運(yùn)輸車輛制造中，用于制造工業(yè)閥門和配件、儀表、滑動(dòng)軸承、模具、熱交換器和泵等。由于錫青銅鍍層具有鍍層質(zhì)量穩(wěn)定，粘合力強(qiáng)，耐腐蝕和耐老化性能良好，符合環(huán)保要求的優(yōu)點(diǎn)，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(shè)計(jì)壽命8～10年。該工件安裝在電子線束箱內(nèi)，運(yùn)用在和諧號(hào)動(dòng)車機(jī)車上，溫濕度隨運(yùn)營(yíng)線路和具體地點(diǎn)會(huì)有波動(dòng)，在震動(dòng)環(huán)境下工作。目前發(fā)現(xiàn)共有8件斷裂，斷裂引腳不固定且隨機(jī)，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(jìn)行微觀及宏觀分析，結(jié)合工件服役環(huán)境，通過對(duì)比來確定斷裂位置及失效原因，并提出預(yù)防改進(jìn)措施。

1.試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(jīng)超聲波丙酮清洗后干燥，使用ZEISS EVO18場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)試樣斷口進(jìn)行分析。使用FOUNDRY-MASTER直讀光譜儀對(duì)試樣的化學(xué)成分進(jìn)行分析。斷口成分分析后，在斷口附近截取金相試樣，經(jīng)打磨與拋光后，在BX53M蔡司金相顯微鏡下觀察拋光態(tài)斷口形貌，然后使用硝酸冰醋酸水溶液侵蝕，對(duì)顯微組織進(jìn)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(jì)對(duì)失效零件和正常零件（對(duì)比件）的硬度進(jìn)行檢測(cè)，以確定失效零件硬度。

2.試驗(yàn)分析

(1)宏觀分析

由于錫青銅材質(zhì)成分直接影響到產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，嚴(yán)重的會(huì)直接導(dǎo)致其產(chǎn)生斷裂，首先對(duì)繼電器底座錫青銅引腳的化學(xué)成分按照《銅及銅合金化學(xué)分析方法》（GB/T 2151）中的技術(shù)要求進(jìn)行比較，如表1所示化學(xué)成分符合國(guó)標(biāo)技術(shù)要求。

表1 錫青銅引腳化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

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(cè)試

按照國(guó)標(biāo)GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》，借助402MVD顯微維氏硬度計(jì)對(duì)失效零件和正常零件（對(duì)比件）的硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)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(dāng)，符合企業(yè)的技術(shù)硬度要求。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果

②非金屬夾雜物分析

未腐蝕的金相經(jīng)磨拋后將其表面在光學(xué)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(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 10561-2005）進(jìn)行評(píng)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(yè)技術(shù)要求。

圖2 非金屬夾雜物形貌

③顯微組織

參照國(guó)標(biāo)《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》（GB/T 13298-2015）使用蔡司金相顯微鏡對(duì)基體與引腳折彎處組織進(jìn)行觀察，得到經(jīng)硝酸冰醋酸水溶液侵蝕后的形貌如圖3所示，經(jīng)觀察基體組織為細(xì)小孿晶α相和其他雜質(zhì)相，并依據(jù)《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》（GB/T 6394-2017）對(duì)試樣晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)，其平均晶粒度為11級(jí)，符合技術(shù)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(duì)磨拋后的試樣進(jìn)行觀察，其斷口周邊拋光態(tài)形貌如圖4（a）所示，觀察到有兩處異常處（①和②），并對(duì)異常處分別進(jìn)行局部放大，如圖4（b）（c）所示。經(jīng)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(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后組織形貌如圖5（a）所示，對(duì)圖5（a）中①和②進(jìn)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(kuò)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(nèi) 側(cè)[3-6]。圖5（c）為正常拉伸組織。

圖4 斷口拋光態(tài)形貌

圖5 斷口周邊組織形貌

⑤斷口形貌分析

對(duì)斷口進(jìn)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(duì)工件進(jìn)行掃描電鏡分析，得到如圖6（b）所示的斷面SEM形貌圖，因?yàn)槠跀嗔褦嗫谔卣鞣浅Ｃ黠@，能清楚的顯示出裂紋的發(fā)生（斷裂源區(qū)）、發(fā)展（擴(kuò)展區(qū)）和最后斷裂（終斷區(qū)）三個(gè)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(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡，觀察斷裂源區(qū)SEM形貌，如圖7（a）所示。斷裂源區(qū)局部放大（白色線圈內(nèi)），如圖7（b）所示。觀察裂紋源區(qū)SEM形貌，發(fā)現(xiàn)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(qū)形貌[10]。

圖7 斷裂源區(qū)SEM形貌

觀察斷裂擴(kuò)展區(qū)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(kuò)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(kuò)展區(qū)SEM形貌

觀察斷裂終斷區(qū)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(qū)SEM形貌

3.結(jié)論與建議

（1）失效工件錫青銅引腳的化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)要求，不屬于造成引腳斷裂的原因。

（2）對(duì)引腳彎折處斷口進(jìn)行觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)有變形組織集中趨勢(shì)，擴(kuò)展形成裂紋源區(qū)；斷口可以分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、終斷裂區(qū)，并在擴(kuò)展區(qū)觀察到疲勞輝紋形貌，判定此斷裂為疲勞斷裂，又結(jié)合失效零件的工作環(huán)境存在無(wú)規(guī)律且長(zhǎng)時(shí)間震動(dòng)的情況，最終判定工件失效類型為微振疲勞斷裂。

（3）建議優(yōu)化引腳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工方式，避免結(jié)構(gòu)或加工缺陷導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；嚴(yán)格控制加工工藝，提高組織均勻性，減少雜質(zhì)相產(chǎn)生；提高材料冶金質(zhì)量，合理搭配材料強(qiáng)度、塑性和韌性。