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        閥桿用X6CrNiCu17-04鋼棒斷裂失效原因分析

        2018-04-02 07:29:46焦少陽
        科技視界 2018年3期
        關(guān)鍵詞:鋼棒閥桿馬氏體

        雷 欣 焦少陽 王 晰

        (中國核電工程有限公司,中國 北京 100840)

        0 引言

        某核電機組閥門中的閥桿在安裝調(diào)試過程中,使用同一批材料的4臺閥門中的直徑為φ150mm的X6CrNiCu17-04閥桿均發(fā)生了斷裂,如圖1所示。

        圖1 閥桿斷裂宏觀形貌圖

        閥桿用棒材為按RCC-M (2000版+2002補遺)[1]M5110生產(chǎn)制造的X6CrNiCu17-04,化學(xué)成分如表1所示;可以看出實測化學(xué)成分滿足標(biāo)準規(guī)定值。

        根據(jù)M5110的規(guī)定,閥桿應(yīng)熱處理應(yīng)滿足下述要求:1020℃~1060℃固溶熱處理, 然后空冷或油冷到30℃或更低;然后在 595℃~620℃保溫(時效硬化)4h,后空冷。實際的熱處理條件為:固溶溫度是1040℃,固溶保溫時間 2h,然后油冷至26℃;時效熱處理時,時效溫度為620℃,保溫 4h,然后空冷。據(jù)此可以看出熱處理過程也完全滿足規(guī)范要求。

        表1 X6CrNiCu17-04的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),w t%)

        1 力學(xué)性能復(fù)驗

        表2給出了室溫拉伸和沖擊試驗的規(guī)定值和復(fù)驗實測值,可以看出除室溫拉伸的抗拉強度滿足規(guī)定值以外,其他結(jié)果均不滿足規(guī)定要求,尤其是沖擊值明顯較低。

        表 2 X6CrNiCu17-04閥桿(A級)的力學(xué)性能

        沿半徑方向從邊緣向中心位置按GB/T 4340進行維氏硬度(HV)測試[2],如圖 2所示,測試條件為載荷300gf,保載時間 15s。對測得的HV值,根據(jù) GB/T 1172-1999轉(zhuǎn)換為布氏硬度(HBW),具體結(jié)果如圖3所示。根據(jù)RCC-M M5110的要求,X6CrNiCu17-04在經(jīng)過固溶處理+時效硬化后,其硬度值應(yīng)大于等于302HBW,據(jù)此可以看出硬度檢測結(jié)果滿足規(guī)定要求。

        圖2 硬度測試示意圖

        圖3 硬度檢測結(jié)果

        2 斷口形貌及金相組織分析

        2.1 斷口形貌分析

        對斷口區(qū)域,利用S-3400型電子掃描電鏡(SEM,scanning electron microscope)對T型斷口進行微觀觀察分析。首先對起裂位置S2處附近的斷口形貌進行了觀察分析,如圖2。經(jīng)過仔細觀察后,在亞表面發(fā)現(xiàn)了裂紋源,經(jīng)放大觀察為沿晶斷裂特征。

        圖4 斷口附近形貌觀察

        2.2 基體金相組織分析

        在靠近斷口區(qū)域,截取試樣進行金相觀察。材料經(jīng)打磨、拋光后,使用10m lHF+5m lHNO3+15m lHCL+70m l蒸餾水溶液腐蝕,時間約10min。其結(jié)果如圖3所示,圖3(a)為靠近表面金相組織,能明顯看出明顯的晶界,這表明存在較多的殘余奧氏體,同時晶粒內(nèi)存在粗大的板條狀馬氏體和少量鐵素體;圖3(b)為心部組織,可以看出該組織為正常的馬氏體組織。研究表明[3-4]想要獲得高的沖擊韌性,金相組織應(yīng)為不含δ鐵素體的低碳回火馬氏體組織,粗大的晶粒以及當(dāng)組織中含δ鐵素體時,會明顯降低沖擊試驗結(jié)果值,由于靠近表明區(qū)域的較大晶粒及其中存在的δ鐵素體,導(dǎo)致沖擊韌性結(jié)果較差,和表2結(jié)果相吻合。

        圖5 金相組織

        3 原因分析

        3.1 合金元素的影響[5]

        在不銹鋼的合金元素中,鉻是最重要的元素。由于鉻形成的致密、穩(wěn)定的Cr2O3薄膜的保護,阻止了介質(zhì)對基體的繼續(xù)滲入腐蝕。研究表明Cr含量超過11.7%(對應(yīng)Cr原子與鐵原子之比為1/8)時,可明顯提高鐵基體的電極電位,并具有明顯的耐蝕性。

        鎳不僅是優(yōu)良的耐腐蝕材料,而且可以增加鎳當(dāng)量,擴大奧氏體區(qū)間,使得不銹鋼在含較多鉻時,可以通過加入適當(dāng)鎳使不銹鋼在固溶熱處理后得到馬氏體組織;如果進一步提高鎳到8%左右(如廣泛使用的18-8奧氏體不銹鋼),即可獲得單相的奧氏體組織。

        銅在沉淀硬化不銹鋼中,因時效處理析出富銅的強化相而使鋼強化;但銅含量過高時對韌性有影響,??刂沏~含量不超過3.5%。

        鈮是強烈形成碳化物的元素,比鉻更容易形成碳化物。鋼中加入部分鈮,就會使鋼中的鉻能盡量穩(wěn)定地存在于固溶體中,使固溶體中有足以保證耐蝕性能的鉻含量,并可避免晶間存在貧鉻區(qū),從而可有效防止晶間腐蝕。加入鈮也可以在時效期間起到沉淀硬化的作用,并阻礙時效時組織的晶粒長大傾向。

        釩在不銹鋼中的作用是增強淬透性和形成碳化物,并且能耐高溫,有強烈的二次硬化作用,對提高硬度有顯著作用;并且能夠細化晶粒,穩(wěn)定尺寸,一般常用于合金刀具鋼中。

        3.2 熱處理制度的影響

        X6CrNiCu17-04的熱處理制度為固溶+時效硬化。固溶加熱時應(yīng)保證鋼中的碳和合金元素充分溶于奧氏體中,但也不宜過高,因為(1)過高的加熱溫度不僅會引起晶粒粗大,還會使馬氏體轉(zhuǎn)變點太低,致使固溶完成后產(chǎn)生較多的殘余奧氏體;(2)過高的加熱溫度還可能使固溶組織中存在較多含量的鐵素體。固溶處理后的金相組織應(yīng)為含有過飽和銅的低碳板條狀馬氏體組織,有時可能存在少量殘留奧氏體和鐵素體。時效熱處理是為了時效析出富銅相,以提高其硬度和強度,一般在480℃左右可獲得最高的硬度和強度;隨著時效溫度的升高,硬度和強度下降,塑性和韌性提高。為了保證沉淀相的充分析出和時效效果,時效的保溫時間一般不少于4h。

        3.3 執(zhí)行標(biāo)準差異

        作為馬氏體沉淀硬化不銹鋼,X6CrNiCu17-04的合金成分中,除鉻、鎳、銅外,應(yīng)含有0.15~0.45%的鈮,而釩作為提高淬透性和硬度作用的合金元素,不應(yīng)加入,如 GB/T 1220中對應(yīng)的05Cr17Ni4Cu4Nb,其Nb含量要求為0.15~0.45%。

        在RCC-M英文版2000版和2007版,以及其間2002補 遺 和 2005補 遺 的 M5110中 , 對 于X6CrNiCu17-04,均將化學(xué)成分鈮錯誤的寫為釩;在RCC-M 2012英文版中,才將該錯誤糾正為含釩。

        據(jù)此可以得知,閥桿鋼棒斷裂失效的最根本原因是由于制造廠在嚴格按照RCC-M標(biāo)準采購鋼棒時,因為標(biāo)準錯誤,而導(dǎo)致該類鋼中本應(yīng)該含鈮,卻變成了含釩。由于釩具有強烈的淬透和二次硬化作用,導(dǎo)致鋼棒的硬度遠大于規(guī)定值(如圖3),同時沖擊值明顯小于規(guī)定值(如表2)。

        由于鈮的缺失,鋼中未能形成碳化鈮,且由于鋼棒表面溫度較高,使得表面金相組織中晶粒明顯長大;同時粗大的晶粒會使馬氏體轉(zhuǎn)變點變低,致使熱處理完成后,除馬氏體外,還包含少量殘余奧氏體和鐵素體。由于心部溫度相對較低,形成了均勻的馬氏體組織。

        4 小結(jié)

        (1)閥桿鋼棒斷裂失效的根本原因是由于在按照RCC-M M5110(2000版+2002補遺)采購時,由于標(biāo)準的錯誤,導(dǎo)致鋼中本應(yīng)該存在的鈮變成了釩,從而導(dǎo)致材料強度較高,沖擊韌性較差。

        (2)由于鈮的缺失,另外鋼棒表面熱處理時溫度較高,使得表面區(qū)域的金相組織為殘余奧氏體+馬氏體+鐵素體;而心部由于熱處理時溫度相對較低,其金相組織為均勻的馬氏體組織。

        【參考文獻】

        [1]RCC-M,核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則[S].

        [2]GB-T 4340 金屬維氏硬度試驗[S].

        [3]班允吉,林慶選,羅揚,等.17-4PH鋼軋制棒材低溫冷沖擊性能的研究,材料熱處理技術(shù),2009,38(12),40-43.

        [4]鄒紅,王均,李聰,等.17-4PH不銹鋼350℃長期時效組織演化的透射電鏡觀察,核動力工程,2005,26(4):397-401.

        [5]張文華.不銹鋼及其熱處理[M].遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2010.

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