秦漸津

(上海菱重增壓器有限公司，上海 201709)

0 前言

07Cr15Ni7Mo2Al是一種高Cr高Ni含量的沉淀硬化不銹鋼，在奧氏體狀態(tài)具有良好的冷變形加工性能，通過中間處理和時效處理后可獲得較高強度，并兼具耐熱和耐腐蝕的特性。基于該材料的此類特性，本公司在渦輪增壓器的C型卡環(huán)上選用了該材料。

渦輪增壓器通過發(fā)動機工作時產(chǎn)生的廢氣驅動渦輪轉動，帶動同軸的進氣側壓輪轉動，強制為發(fā)動機吸入空氣、增加進入發(fā)動機的空氣流量，從而達到提高發(fā)動機燃燒效率的作用。為了維持進氣側增壓壓力的穩(wěn)定，會在增壓器的渦輪端設置廢氣旁通閥，當增壓壓力超出設定值時打開旁通閥，減少驅動渦輪的廢氣流量，從而降低轉子軸轉速并避免增壓壓力過高?？刂茝U氣旁通閥的裝置叫做執(zhí)行器，執(zhí)行器與廢氣旁通閥通過連桿連接，本文所涉及的C型卡環(huán)在連桿與廢氣旁通閥的軸孔連接中起限位作用。C型卡環(huán)內(nèi)徑略小于其配合卡槽的外徑，用以抱緊配合卡槽。因此，該C型卡環(huán)同時受到增壓器渦端熱影響、卡環(huán)內(nèi)側拉應力作用，并在廢氣旁通閥開閉時與連桿產(chǎn)生相對摩擦。就外部工作環(huán)境而言，增壓器裝配在發(fā)動機上，長時間受到振動的影響。

在某項目運行前期，連續(xù)發(fā)生了數(shù)起因C型卡環(huán)斷裂導致的增壓器失效案例?？蛻舳酥饕憩F(xiàn)為增壓無力及廢氣旁通閥報警。在失效案例的分析過程中發(fā)現(xiàn)，所有發(fā)生斷裂的C型卡環(huán)均來自于同一供應商，且均在斷面發(fā)現(xiàn)了腐蝕的痕跡，判斷其斷裂類型為應力腐蝕開裂。但正如前文選材時所述，07Cr15Ni7Mo2Al是一種高Cr高Ni含量的沉淀硬化不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性能，而失效產(chǎn)品的耐腐蝕性能并未達到設計的預期。

本文通過一系列的試驗分析，試圖找到該產(chǎn)品耐腐蝕性能降低的原因和預防方法，避免該類失效案例的再次發(fā)生。

1 可疑產(chǎn)品與正常產(chǎn)品的差異

本文中將有發(fā)生C型卡環(huán)斷裂的供應商的產(chǎn)品描述為可疑產(chǎn)品，將其余供應商的產(chǎn)品描述為正常產(chǎn)品。

對可疑產(chǎn)品和正常產(chǎn)品進行了對比分析，在硬度和化學成分上未發(fā)現(xiàn)明顯差異，在金相分析時發(fā)現(xiàn)如下差異：

在對失效C型卡環(huán)進行金相分析時，均有發(fā)現(xiàn)其表層不易被金相腐蝕，從而形成了沿表層均勻分布的厚度約10 μm的白亮層組織，如圖1所示。抽檢可疑產(chǎn)品中的其他未使用C型卡環(huán)，也有發(fā)現(xiàn)表層白亮層現(xiàn)象。抽檢正常產(chǎn)品時，未發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象，如圖2所示。

圖1 表層有白亮層的產(chǎn)品金相圖片

圖2 表層無白亮層的產(chǎn)品金相圖片

2 對表層白亮層的試驗分析

由于表層白亮層為可疑產(chǎn)品和正常產(chǎn)品的主要差異，本文針對可疑產(chǎn)品的白亮層進行了后續(xù)檢測分析。具體檢測分析內(nèi)容包括硬度檢測、金相分析、化學成分分析、鹽霧試驗及破壞性試驗。其中的鹽霧試驗用于提供充足的腐蝕環(huán)境，鹽霧類型選用中性鹽霧試驗(NSS)，試驗時間288 h。破壞性試驗用于檢驗產(chǎn)品經(jīng)過鹽霧試驗后破壞力值和破壞時變形量的變化情況，使用C型卡環(huán)專用拉斷夾具。在破壞性試驗的裝夾過程中，一件樣品裝夾時斷裂，本文對該樣品進行了補充分析。為了排查樣品白亮層產(chǎn)生的階段，本文進行了簡單的熱處理工藝試驗。本文檢測及試驗中所用到的試驗分析設備如表1所示。

表1 試驗分析設備

2.1 硬度檢測

樣品表層白亮層厚度過低，本文中只通過HV0.01的維氏硬度壓痕形狀尺寸進行對比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品白亮層硬度相對于基體略微偏低，鹽霧試驗前后產(chǎn)品白亮層與基體硬度均無明顯變化。鹽霧試驗前的硬度壓痕形狀如圖3所示，鹽霧試驗后的硬度壓痕形狀如圖4所示。

圖3 鹽霧試驗前維氏硬度壓痕

圖4 鹽霧試驗后維氏硬度壓痕

2.2 化學成分分析

對產(chǎn)品表層白亮層和基體進行了能譜分析，未發(fā)現(xiàn)二者化學成分之間有明顯的差異。二者能譜分析譜圖對比如圖5所示。

圖5 白亮層與基體能譜分析譜圖對比

2.3 破壞性試驗

選擇10件C型卡環(huán)，依次分別標識為1#至10#樣品，其中1#至5#樣品不經(jīng)過鹽霧試驗而直接進行破壞性試驗，6#至10#樣品經(jīng)過鹽霧試驗后再進行破壞性試驗。本次破壞性試驗夾具結構及其對產(chǎn)品的施力方向如圖6所示，樣品裝入夾具后均按照1 mm/min的速度進行垂直拉伸，直至樣品拉斷或開口過大彈出為止。

圖6 C型卡環(huán)專用拉斷夾具及施力方向

樣品在裝夾中，經(jīng)過鹽霧試驗后的7#樣品發(fā)生斷裂，無法得到破壞力數(shù)據(jù)。在C型卡環(huán)裝入夾具時，其開口長度不會大于夾具卡槽直徑，C型卡環(huán)最大變形示意圖見圖7，此時樣品垂直方向變形量為0.4 mm。

圖7 C型卡環(huán)裝夾時最大變形示意圖

其余樣品在鹽霧試驗前后的破壞性試驗過程中施加的力以及對應的位移曲線如圖8所示，其中7#樣品對應的變形量最大為圖中藍色豎線位置。

圖8 C型卡環(huán)破壞性試驗

可以發(fā)現(xiàn)，破壞性試驗中除7#樣品外，均未發(fā)現(xiàn)鹽霧前后的其余樣品破壞力值和破壞時變形量有明顯的差異。

2.4 白亮層金相分析

07Cr15Ni7Mo2Al化學成分如表2所示，中間處理后基體主要為板條狀馬氏體組織[1]。對樣品使用氯化高鐵鹽酸水溶液進行深腐蝕后，可以看到白亮層部分主要為板條狀馬氏體組織，如圖9所示。部分樣品白亮層中可以看到針狀馬氏體組織，如圖10所示。

表2 07Cr15Ni7Mo2Al化學成分

圖9 深腐蝕后白亮層板條狀馬氏體

圖10 深腐蝕后白亮層針狀馬氏體

2.5 裝夾過程中斷裂的C型卡環(huán)分析

7#樣品在裝夾中發(fā)生斷裂，斷裂位置為卡環(huán)細長條處，見圖11。斷裂位置與FEA分析中的應力最大位置對應，即圖12紅色箭頭處。

圖11 鹽霧后7#樣品斷裂位置

圖12 FEA分析圖

7#樣品斷口呈放射狀花樣，且斷面有脫皮的特殊現(xiàn)象，如圖13所示。樣品斷裂源為圖13中的紅色箭頭處，對斷裂起始區(qū)域進行能譜分析，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物的存在痕跡，例如鉀、鈉、氯等元素，如圖14所示。

圖13 鹽霧后7#樣品斷口形貌

圖14 斷裂起始區(qū)域能譜分析譜圖

對7#樣品斷裂源附近進行金相分析，可以發(fā)現(xiàn)該樣品主要沿白亮層內(nèi)的次表層進行腐蝕，往基體內(nèi)部也有一定腐蝕，但程度相對較輕，且該樣品所脫皮層即為產(chǎn)品原白亮層組織，如圖15所示。

圖15 鹽霧后7#樣品次表層腐蝕金相圖片

2.6 熱處理工藝試驗

基于本實驗室的自身條件，對該材料進行了簡單的熱處理工藝試驗。對奧氏體狀態(tài)的材料依次進行固溶空冷、深冷處理和沉淀硬化，并于每段工藝結束時檢測材料金相。最終發(fā)現(xiàn)在深冷處理之前，樣品表層與基體間已經(jīng)產(chǎn)生了金相組織上的差異，厚度與成品的白亮層相當。

3 討論與分析

通過對樣品白亮層深腐蝕后的金相組織可以推測，產(chǎn)品白亮層是由于材料表層增碳造成的。增碳現(xiàn)象導致其表層不易被金相腐蝕，較為嚴重的增碳導致其表層組織在熱處理時轉換為與基體不一致的針狀馬氏體組織。

碳元素的增加，會使材料表層及次表層晶界附近的鉻元素與之結合，沿晶界析出鉻碳化合物，造成材料表層及次表層晶界局部區(qū)域貧鉻，該區(qū)域耐腐蝕性能由此降低。當產(chǎn)品腐蝕至白亮層內(nèi)的次表層后，腐蝕會沿著次表層晶界快速擴展，逐漸由形成腐蝕通道進而擴展為形成腐蝕夾層。該腐蝕通道及夾層有利于腐蝕介質的保持，使產(chǎn)品腐蝕加速并形成其被破壞后的起皮現(xiàn)象。

樣品表層增碳產(chǎn)生于深冷處理之前。受本實驗室自身條件的限制，對于材料表層增碳現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因，作者未能進行進一步的分析。沉淀硬化不銹鋼材料07Cr15Ni7Mo2Al的耐腐蝕性能較為良好。即便表層有白亮層時，依然具備較好的耐腐蝕性能。本文中的鹽霧試驗部分采用了288 h的長周期鹽霧試驗，遠高于產(chǎn)品本身的鹽霧試驗要求。需要說明的是，本文僅從學術方面論述07Cr15Ni7Mo2Al表層增碳現(xiàn)象對材料耐鹽霧腐蝕性能的影響，不代表該狀態(tài)的產(chǎn)品不符合客戶的技術要求。

因產(chǎn)品表層增碳形成白亮層組織并影響到材料耐鹽霧腐蝕性能的現(xiàn)象，并非本文所述的07Cr15Ni7Mo2Al不銹鋼特有，在其他沉淀硬化不銹鋼的熱處理過程中也有可能發(fā)生。如在05Cr17Ni4Cu4Nb材料的熱處理過程中，也有相似現(xiàn)象[2]。

4 結論

07Cr15Ni7Mo2Al表層白亮層現(xiàn)象是由于材料表層增碳造成的。

該材料表層增碳會導致材料耐鹽霧腐蝕性能降低。