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(shí)效處理后可獲得較高強(qiáng)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(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)同軸的進(jìn)氣側(cè)壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)，強(qiáng)制為發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣、增加進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量，從而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率的作用。為了維持進(jìn)氣側(cè)增壓壓力的穩(wěn)定，會(huì)在增壓器的渦輪端設(shè)置廢氣旁通閥，當(dāng)增壓壓力超出設(shè)定值時(shí)打開旁通閥，減少驅(qū)動(dòng)渦輪的廢氣流量，從而降低轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)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(shí)受到增壓器渦端熱影響、卡環(huán)內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力作用，并在廢氣旁通閥開閉時(shí)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(dòng)機(jī)上，長時(shí)間受到振動(dòng)的影響。

在某項(xiàng)目運(yùn)行前期，連續(xù)發(fā)生了數(shù)起因C型卡環(huán)斷裂導(dǎo)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(bào)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(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂。但正如前文選材時(shí)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(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期。

本文通過一系列的試驗(yàn)分析，試圖找到該產(chǎn)品耐腐蝕性能降低的原因和預(yù)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(yīng)商的產(chǎn)品描述為可疑產(chǎn)品，將其余供應(yīng)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(jìn)行了對比分析，在硬度和化學(xué)成分上未發(fā)現(xiàn)明顯差異，在金相分析時(shí)發(fā)現(xiàn)如下差異：

在對失效C型卡環(huán)進(jìn)行金相分析時(shí)，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(shí)，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(yàn)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(jìn)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(xué)成分分析、鹽霧試驗(yàn)及破壞性試驗(yàn)。其中的鹽霧試驗(yàn)用于提供充足的腐蝕環(huán)境，鹽霧類型選用中性鹽霧試驗(yàn)(NSS)，試驗(yàn)時(shí)間288 h。破壞性試驗(yàn)用于檢驗(yàn)產(chǎn)品經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)后破壞力值和破壞時(shí)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(yàn)的裝夾過程中，一件樣品裝夾時(shí)斷裂，本文對該樣品進(jìn)行了補(bǔ)充分析。為了排查樣品白亮層產(chǎn)生的階段，本文進(jìn)行了簡單的熱處理工藝試驗(yàn)。本文檢測及試驗(yàn)中所用到的試驗(yàn)分析設(shè)備如表1所示。

表1 試驗(yàn)分析設(shè)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(jìn)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(yàn)前后產(chǎn)品白亮層與基體硬度均無明顯變化。鹽霧試驗(yàn)前的硬度壓痕形狀如圖3所示，鹽霧試驗(yàn)后的硬度壓痕形狀如圖4所示。

圖3 鹽霧試驗(yàn)前維氏硬度壓痕

圖4 鹽霧試驗(yàn)后維氏硬度壓痕

2.2 化學(xué)成分分析

對產(chǎn)品表層白亮層和基體進(jìn)行了能譜分析，未發(fā)現(xiàn)二者化學(xué)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(yàn)

選擇10件C型卡環(huán)，依次分別標(biāo)識為1#至10#樣品，其中1#至5#樣品不經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)而直接進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，6#至10#樣品經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)后再進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。本次破壞性試驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)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(jìn)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(yàn)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(shí)，其開口長度不會(huì)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(shí)樣品垂直方向變形量為0.4 mm。

圖7 C型卡環(huán)裝夾時(shí)最大變形示意圖

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

圖8 C型卡環(huán)破壞性試驗(yàn)

可以發(fā)現(xiàn)，破壞性試驗(yàn)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(shí)變形量有明顯的差異。

2.4 白亮層金相分析

07Cr15Ni7Mo2Al化學(xué)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(jìn)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(xué)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(xì)長條處，見圖11。斷裂位置與FEA分析中的應(yīng)力最大位置對應(yīng)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)

基于本實(shí)驗(yàn)室的自身?xiàng)l件，對該材料進(jìn)行了簡單的熱處理工藝試驗(yàn)。對奧氏體狀態(tài)的材料依次進(jìn)行固溶空冷、深冷處理和沉淀硬化，并于每段工藝結(jié)束時(shí)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(dāng)。

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(dǎo)致其表層不易被金相腐蝕，較為嚴(yán)重的增碳導(dǎo)致其表層組織在熱處理時(shí)轉(zhuǎn)換為與基體不一致的針狀馬氏體組織。

碳元素的增加，會(huì)使材料表層及次表層晶界附近的鉻元素與之結(jié)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(dāng)產(chǎn)品腐蝕至白亮層內(nèi)的次表層后，腐蝕會(huì)沿著次表層晶界快速擴(kuò)展，逐漸由形成腐蝕通道進(jìn)而擴(kuò)展為形成腐蝕夾層。該腐蝕通道及夾層有利于腐蝕介質(zhì)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(shí)驗(yàn)室自身?xiàng)l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(jìn)行進(jìn)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(shí)，依然具備較好的耐腐蝕性能。本文中的鹽霧試驗(yàn)部分采用了288 h的長周期鹽霧試驗(yàn)，遠(yuǎn)高于產(chǎn)品本身的鹽霧試驗(yàn)要求。需要說明的是，本文僅從學(xué)術(shù)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(shù)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(jié)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(huì)導(dǎo)致材料耐鹽霧腐蝕性能降低。