汽車(chē)蓄電池電纜端子由黃銅沖壓成型，通過(guò)螺栓擰緊并固定在蓄電池電極上，主要起到緊固的作用。某汽車(chē)蓄電池電纜端子現(xiàn)場(chǎng)裝配后出現(xiàn)多起開(kāi)裂故障，該蓄電池電纜端子的材料為H65黃銅，硬度狀態(tài)等級(jí)為Y2，成型工藝為：多道沖壓→整形→去毛刺→電鍍→裝配。抽取同批次庫(kù)存端子進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分端子也存在裂紋。

為了查明該汽車(chē)蓄電池的H65黃銅電纜端子出現(xiàn)開(kāi)裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

理化檢驗(yàn)

宏觀觀查

圖1 蓄電池電纜端子的宏觀形貌

宏觀觀查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)開(kāi)裂的端子形狀類(lèi)似“卡箍”，裂紋出現(xiàn)在折彎區(qū)域，部分裂紋較長(zhǎng)，長(zhǎng)度達(dá)到2~3mm；部分裂紋較細(xì)小，長(zhǎng)度不到0.5mm，如圖1所示。

化學(xué)成分分析

對(duì)端子開(kāi)裂部位取樣，采用Bruker Q4/UV型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 蓄電池電纜端子的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)  %

可見(jiàn)端子的化學(xué)成分符合GB/T 5231—2012?加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分？對(duì)H65黃銅成分的要求。

斷口分析

圖2 端子斷口的宏觀形貌

將端子沿著裂紋人工打開(kāi)，使用VHX-200E型體視顯微鏡觀察斷口形貌，如圖2所示。

可見(jiàn)斷口顏色發(fā)暗，斷面平齊且附近無(wú)明顯的塑性變形，斷口表面有腐蝕產(chǎn)物覆蓋。采用EVO MA25型掃描電鏡（SEM）觀察斷口形貌。

圖3 端子斷口不同部位的SEM形貌

由圖3可見(jiàn)，斷口呈沿晶開(kāi)裂特征并伴隨二次裂紋，斷口附近表面區(qū)域有腐蝕產(chǎn)物堆積，斷口內(nèi)部晶面有顆粒狀物質(zhì)覆蓋。

使用掃描電鏡附帶的能譜儀（EDS）分別對(duì)斷口附近表面腐蝕產(chǎn)物和內(nèi)部晶面顆粒狀物質(zhì)進(jìn)行微區(qū)成分分析。

表2 端子斷口不同物質(zhì)的能譜分析結(jié)果質(zhì)量分?jǐn)?shù)   %

由表2可見(jiàn)，斷口附近表面腐蝕產(chǎn)物中含有較多的錫元素，內(nèi)部晶面也含有錫元素，這說(shuō)明在進(jìn)行鍍錫工藝前，端子已產(chǎn)生裂紋。由錫元素含量可推測(cè)裂紋為由表及里擴(kuò)展。在裂紋附近，除了錫元素以及基體材料中的銅、鋅元素外，還含有較多的氧元素，未檢測(cè)到其他腐蝕性元素如氯、硫等，這說(shuō)明端子斷面的腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物。

金相檢驗(yàn)

在端子的開(kāi)裂部位取樣，試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光，使用三氯化鐵鹽酸水溶液（FeCl3，HCl，H2O的體積比為1∶3∶12）浸蝕后，采用Axio Imager.A2m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

圖4 端子開(kāi)裂部位不同位置的顯微組織

由圖4可見(jiàn)，端子開(kāi)裂部位組織中裂紋沿著晶界呈樹(shù)枝狀擴(kuò)展，裂紋形態(tài)與應(yīng)力腐蝕裂紋的相似。由圖4a）可見(jiàn)，端子開(kāi)裂部位的邊緣組織中存在變形的α相和β相，組織內(nèi)部分布著大量的黑色滑移線，因此判斷邊緣區(qū)域由于組織變形存在較高的殘余應(yīng)力。由圖4b）和圖4c）可見(jiàn)，端子開(kāi)裂區(qū)域與未開(kāi)裂區(qū)域的心部顯微組織無(wú)明顯差異，均為等軸α＋β相，且無(wú)明顯的冶金缺陷。

硬度測(cè)試

在端子基體取樣，采用ZHVU-AH型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，得到端子硬度測(cè)試結(jié)果為85，86，86HV，符合JIS H3100—2006?銅及銅合金薄板、板材和帶材？對(duì)H65黃銅的硬度要求（85~145HV）。

鹽霧模擬試驗(yàn)

為查明端子沖壓成型后殘余應(yīng)力對(duì)其性能的影響，同時(shí)為了加快試驗(yàn)速率，取同批次庫(kù)存正常端子共計(jì)5個(gè)，在ZYQ-16型中性鹽霧箱（注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的NaCl溶液）中進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)（24，48，96h）的鹽霧模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)后在端子沖壓折彎部位取樣，試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光，使用三氯化鐵鹽酸水溶液（FeCl3，HCl和H2O的體積比為1∶3∶12）浸蝕后，采用Axio Imager.A2m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

圖5 經(jīng)過(guò)48h鹽霧模擬試驗(yàn)后正常端子的顯微組織

試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)24h鹽霧模擬試驗(yàn)后，端子的沖壓折彎部位均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋；經(jīng)過(guò)48h鹽霧模擬試驗(yàn)后，部分端子的沖壓折彎部位存在應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋長(zhǎng)度約為0.55mm，且表面存在脫鋅現(xiàn)象，如圖5所示；經(jīng)過(guò)96h鹽霧模擬試驗(yàn)后，部分端子肉眼可觀察到宏觀裂紋。這說(shuō)明在現(xiàn)有沖壓工藝條件下，端子對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性較高，在遇到腐蝕介質(zhì)時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的概率越大。

分析與討論

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，端子的化學(xué)成分、硬度及顯微組織均未有異常，這說(shuō)明端子出現(xiàn)裂紋與上述因素?zé)o關(guān)。由斷口分析結(jié)果可知，端子斷口處的近表面及內(nèi)部均含有一定量的錫元素，這說(shuō)明端子在進(jìn)行鍍錫工藝前已有裂紋。斷口顏色發(fā)暗，無(wú)明顯的塑性變形，斷口呈現(xiàn)沿晶開(kāi)裂形貌且伴隨二次裂紋，這與應(yīng)力腐蝕斷口的特征較相似。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，端子斷口附近區(qū)域的裂紋起源于端子表面，且呈樹(shù)枝狀向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋走向符合應(yīng)力腐蝕裂紋走勢(shì)。從裂紋萌生位置和裂紋走向來(lái)看，裂紋主要分布在端子沖壓折彎部位，且從折彎處向端子內(nèi)部擴(kuò)展，這是由于沖壓折彎部位為端子變形量較大處，沖壓成型后該處存在較大的殘余拉應(yīng)力。由鹽霧模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)48，96h鹽霧試驗(yàn)后，在端子的沖壓折彎部位有裂紋萌生，這表明端子在殘余應(yīng)力下，遇到Cl-，OH-等腐蝕介質(zhì)一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是金屬構(gòu)件在靜應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境共同作用下所形成的脆性開(kāi)裂，其成形的必要條件包括一定的拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境。黃銅冷加工后往往存在一定的殘余拉應(yīng)力或者外加拉應(yīng)力，且處于易引起鋅選擇性溶解的腐蝕介質(zhì)中，黃銅處于有氨、氧、水、二氧化硫的環(huán)境中，再加上黃銅易于脫鋅，因而易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

通過(guò)調(diào)查出現(xiàn)裂紋端子的工藝流程卡，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)退火工序，且表面鍍鋅工序采用的是委托外廠電鍍。端子的生產(chǎn)日期為2018年5月，電鍍時(shí)間為同年7月，端子放置時(shí)間為2個(gè)月，而此期間正是南方梅雨季節(jié)，氣溫較高且氣候潮濕。端子成型后應(yīng)力未能得到釋放，在殘余應(yīng)力和H2O，O2，CO2等腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

結(jié)論及建議

汽車(chē)蓄電池電纜端子沖壓成型后殘余應(yīng)力未得到有效釋放，且端子在存儲(chǔ)期間接觸到H2O，O2，CO2等腐蝕介質(zhì)，導(dǎo)致其發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。建議對(duì)于冷加工件增加退火工藝，同時(shí)避免沖壓件在存儲(chǔ)期間接觸到腐蝕介質(zhì)，以降低發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的概率。