电热毯发热铜丝断裂原因与对策分析

　　近年国家质检总局的专项抽查显示，电热毯存在的主要问题之一是发热丝弯曲次数不合格，容易断丝、引起打火等。发热丝是电热毯的核心元件，常用材料为铜丝，目前国内许多厂家都在研发不同成分的铜合金用于制作发热丝。现有一特殊黄铜制作的发热丝，其弯折次数合格，但铜丝放置一段时间后，微量铜丝出现断裂现象，急需找出断裂原因并提出解决办法，本文对发热铜丝断裂原因进行了初步分析，提出了相应对策。

　　1 原材料的分析

　　此合金为在铜锌合金基础上添加少量Ni、Mn、Fe元素构成的多元复杂黄铜。

　　1.1元素在复杂黄铜中的作用

　　(1)镍：添加镍可扩大α相区，若双相黄铜添加适量的Ni可转变为单相黄铜。镍能提高黄铜的强度、韧性、耐蚀性和耐磨性，减小黄铜的应力腐蚀倾向。

　　(2)锰：锰起固溶强化作用，少量的锰可提高黄铜的强度、硬度，显著提高黄铜在海水、氧化物和过热蒸汽中的耐蚀性。

　　(3)铁：微量的铁能细化黄铜的铸造组织，并抑制退火时的晶粒长大。铁在α相中的溶解度为1%，随含锌量的增加而减小，且溶解度随温度而变化，因而能使黄铜有析出硬化效果，提高强度、硬度。

　　1.2复杂黄铜的锌当量和组织

　　复杂黄铜的组织，可根据黄铜中加入元素的“锌当量”来推算。在铜锌合金中加入少量其他合金元素，会使铜锌合金中的α/(α+β)相界向左移动(缩小α区)或向右移动(扩大α区)，所以复杂黄铜的组织通常相当于简单黄铜中增加或减少锌含量的合金组织。

　　铜锌合金加入其他合金元素后产生的相区移动可由“虚拟锌当量[1]”来判断：

　　X=(A+∑CK )/(A+B+∑CK)×100%

　　式中 A—复杂黄铜的实际含锌量，%

　　B—复杂黄铜的实际含铜量，%

　　C—加入的合金元素实际含量，%

　　K—合金元素的锌当量;

　　∑CK—除锌外，各加入元素的实际含量C(%)和该元素的锌当量(K)乘积总和。

　　“锌当量”是指每1%的合金元素在组织上代替锌的量。几种元素的锌当量K如下：Ni为-1.4，Mn为0.5，Fe为0.9。

　　根据上式计算试样含锌量最高为：X=29.75%,根据Cu-Zn 合金相图，Zn在铜中的溶解度小于39%(质量分数)时为单相α黄铜,因此，该复杂黄铜的组织与29.76%Zn的单相黄铜相当。

　　2 铜合金发热丝断裂原因的分析

　　由上列成分分析可见，此发热丝为含锌量较高(30%)的黄铜。根据文献[2,3,4]，含锌量大于20%的黄铜，在有拉应力存在的条件下，在潮湿大气，特别是含有氨、二氧化硫的大气中具有较大的应力腐蚀开裂敏感性。历史上最典型的例子是，19世纪后期发现的三七黄铜弹壳在夏季季风期存储过程中，因为潮湿空气中含有腐蚀性氨离子和弹壳制造过程中造成的残余应力联合作用，导致弹壳的应力腐蚀开裂破坏。

　　应力腐蚀开裂(英文缩写SCC)是指受应力的材料在特定腐蚀环境下产生的滞后开裂或断裂的现象。应力腐蚀开裂是铝、铜合金中最容易发生的失效形式之一。当材料承受的应力超过某一临界值时，会在腐蚀并不严重的情况下发生开裂或断裂。应力腐蚀裂纹一般均较细小，但能深入到金属内部，呈沿晶或穿晶扩展，而表面仅呈现模糊不清的轻微腐蚀迹象，断裂之前无塑性变形或其他明显预兆。是一种扩展速度较慢(0.001~0.3cm/h)的延滞性的脆性破坏，它是一种与时间有关的滞后破坏，材料所受应力愈小，产生断裂的时间愈长，在应力小于某一临界之后，断裂时间趋于无穷大(即不再发生断裂)。虽然黄铜中加入镍后可减少应力腐蚀的趋向，但仍然难避免。

　　电热毯发热铜合金丝为复杂黄铜，存在产生SCC的三种条件：

　　①材质的SCC敏感性

　　②存在冷加工残余应力

　　受到的应力是拉应力，据统计，因加工制造过程所产生的残余应力而引起的应力腐蚀开裂，约占应力腐蚀开裂总案例的80%以上。该铜丝经过拉拔后没有立即进行相应的热处理，而是后来发现问题后才进行了退火处理，可仍没彻底解决断裂问题。

　　③存储环境的腐蚀条件

　　铜合金的应力腐蚀开裂主要表现在黄铜中，黄铜的季裂现象较为普遍，它随含锌量的增加而增加，这是由于含锌量高时，表面容易脱Zn所致。只有当含锌量低于15%(质量分数)时，应力腐蚀才不敏感。引起应力腐蚀开裂的特定离子不一定要大量存在，实际情况往往很低，例如黄铜即使在含氨量极微(约在二百万分之一左右)，在潮湿的大气下，其表面可以使氨富集而产生应力腐蚀开裂;空气中的微量二氧化硫引起黄铜的应力腐蚀开裂更为普遍。铜丝储存所在地气候潮湿，工业大气中含氨、硫的氧化物等物质，在发热丝表面易形成极薄的电解质液膜，形成了合金电化学腐蚀的重要条件。

　　3 解决办法

　　根据以上铜合金丝断裂原因的分析:第一可能性为应力腐蚀开裂(SCC)，防止办法一是消除(减少)内应力，二是采取防腐蚀措施。课题组采取了以下两种解决办法。

　　3.1消除(减少)内应力

　　一般消除(或有效减少)冷加工残余应力的有效方法是去应力退火，对铜合金一般应加热到250～350℃，保温30～60分钟。

　　我们采用振动时效法消除应力：据资料[6,7]介绍，振动时效是利用工件的共振给工件施加附加交变应力或变形，当附加交变应力与残余应力叠加通过材料内摩擦吸收能量达到或超过材料的某一微观极限应力值时，工件内部发生一定的微观弹性塑性金属力学变化，从而在一定程度上降低和均匀工件内的残余应力(消除20～50%)，减缓应力腐蚀开裂。但此法以往主要用于尺寸较大的铸、锻和焊接工件，如何在发热丝这样的细长件上实施及实际效果尚需要进一步探讨。

　　3.2防止和减缓铜合金腐蚀[2,5]

　　此类防护措施有多种，但结合电热毯发热丝制成品的特殊情况是否可在以下两种办法中探讨：

　　(1)将发热丝制成品烘干后两端密封：即将发热丝放于大烘箱内加热到绝缘层可以承受而又能去除湿气的温度烘烤，去除丝内表面的湿气，然后将两端用密封胶密封，以长期隔离潮湿大气的腐蚀作用。但如何保证在制成电热毯后仍能长期起密封作用，尚需研究。

　　(2)牺牲阳极保护法：在铜合金丝的两端焊接(或夹紧)一段铝丝(片)。当电热丝表面浸上潮湿薄膜因而构成金属电化学腐蚀条件时，焊(夹紧)的铝丝(片)因电极电位较黄铜低得多而成为电化学腐蚀中电化偶的阳极被腐蚀，铜合金丝则成为阴极而被保护。此法过去一般用于保护浸于海水或潮湿海洋气候条件下的建筑、机械构件，较为有效，但应用于电热毯发热丝的有效性(一般大气腐蚀条件)和工艺可行性尚待研究。

　　4 结论

　　从原材料成分着手，分析了此铜合金发热丝断裂的主要原因是加工残余应力或应力腐蚀，提出了采用振动等方法消除残余应力以及防止和减缓铜合金腐蚀相应对策，并对可能采取的解决方法进行了理论分析和探讨。

　　参考资料：

　　【1】王群骄.有色金属热处理技术. 第一版.化学工业出版社.2008

　　【2】刘道新.材料的腐蚀与防护. 第一版.西北工业大学出版社.2006

　　【3】刘高杰.H62黄铜锥套的破裂分析.腐蚀与防护.2000:21(9)-420-422

　　【4】吴平，王宜玲. H68黄铜管夹开裂分析. 理化检验：物理分册-2003:39(3)-162-164

　　【5】龙昕郭晓楠等. 高密度单脉冲电流对H62黄铜腐蚀性能的影响 .材料保护-2001(7)-1-3

　　【6】盛继生，戴素江. 振动时效法消除应力的应用研究. 金华职业技术学院学报-2005:5(3)-13-15

　　【7】牟君，杨国义，张琪.振动时效消除应力的应用. 机械工人：冷加工-2005(2)-15-17