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阀体开裂原因分析 |
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作者:沈阳高压开关公司 吕凤海 王玉坤 |
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我公司生产的500kV高压开关采用液压操作。液压机构的心脏部分二级阀阀体在操作试验时发生开裂漏油事故。为此,我们对二级阀阀体开裂原因进行了分析。
1 阀体材质及使用状况
1.1 材质
阀体材质为GCr15SiMn钢,其化学成分见表1。其外形尺寸见图1。
表1 阀体化学成分质量分数w(%)
C Si Mn Cr S P Ni
1.01 0.57 1.07 1.48 0.01 0.024 0.05
图1 阀体外型尺寸 1.2 阀体制造工序
下料→退火→粗加工→淬火、回火→精加工→镀锌。阀体热处理工艺见图2,热处理后硬度为57~59HRC。
图2 阀体热处理工艺曲线 1.3 使用状况
阀体内承受32~34MPa油压,于户外使用,开裂均发生在操作100~200次以后。
2 宏观检查
图3为阀体宏观像,阀体开裂发生在油孔边缘,长度约30mm,裂纹平直。
图3 阀体开裂从油孔边缘起始 3 断口检查
将阀体解体后断口呈银灰色,未被氧化和腐蚀,说明阀体裂纹既不是淬火裂纹也不是腐蚀裂纹,根据断口形貌可以认为是瓷状断口,属脆性断裂。
断口照片见图4,由图4可以看出裂纹断口上有许多放射状纹理。根据裂纹走向可以看出有两处裂纹源,即箭头1、箭头2所指处。1处为第一裂纹源,2处为第一裂纹扩展到一定程度后才诱发产生的,裂纹源1位于不同平面交角附近。工作时估计此处有一定的应力集中。
图4 裂纹断口断裂源部分 ×6
(箭头1、2各指一个断裂源) 将裂纹源进一步放大,图5为第一裂纹源放大像,图6为第二裂纹源放大像。可以看出两处裂纹源均有二次裂纹,都以沿晶断裂为主。
图5 断裂源1放大像
图6 断裂源2放大像 图7、8为第一裂纹源局部放大像。从图7、8可以看出沿晶断裂面上有一些析出颗粒及孔洞。经X射线能谱分析说明这种颗粒的铬含量较基体约高1倍。X射线能谱分析结果见表2。估计这种析出的颗粒是(Fe、Cr)3C型碳化物。
图7 断裂源1局部放大像
(箭头指晶界析出颗粒)
图8 断裂源1局部放大像
(箭头指晶界孔洞) 表2 X射线能谱分析结果 w(%)
测量位置 Si S P Mn Cr Fe
晶界析出颗粒 0.6 0.11 0.08 0.96 2.97 95.38
基 体 0.51 0.039 0.026 0.99 1.44 96.99
4 金相组织
金相试样经深度腐蚀后可以看出有网状碳化物沿晶界析出,这与断口观察结果一致。
5 开裂原因分析及验证
断口观察说明阀体开裂有一个扩展过程,并不是瞬时断裂,这与阀体经过100~200次操作试验相符,反映了阀体开裂是逐渐发生的属滞后破坏型,且阀体经过电镀锌,因此怀疑可能为氢脆所致。另外,GCr15SiMn钢第一类回火脆性区为200~400℃之间,而此阀体回火温度恰在250~270℃之间,因此怀疑可能有第一类回火脆性产生。
鉴于以上分析又进行了验证试验。
在阀体上取样制备3点弯曲试样,用线切割在试样中间开槽,对试样电解充氢,其中电解液为10%盐酸水溶液,电压6V、充氢时间30min。以3点弯曲方式对充氢试样加80%屈服载荷的力,经10min后断裂仍以沿晶断口为主,见图9,可以看出断口形貌与图5相近,说明阀体开裂确系氢脆所至。
图9 阀体滞后破坏型氢脆断口 为验证阀体开裂是否为回火脆性引起,仍在阀体上取样制备3点弯曲试样,将试样430℃×2h回火后,以3点弯曲方式将试样折断,其断口照片见图10,可以看出断口基本上为穿晶断口,很少见沿晶断口。回火后硬度为46HRC,因此开裂阀体的回火温度为430℃时避免了第一类回火脆性区,沿晶脆断就可以基本消除。抗弯强度也由原来的305MPa提高到762MPa,这充分证明了阀体开裂的沿晶脆断确实是由第一类回火脆性引起的。
图10 阀体经430℃×2h空冷处理后的瞬断断口 6 改进措施及效果
将回火温度控制在400~450℃之间避开第一类回火脆性区。实际生产中采用430±10℃。并增加电镀锌后的去氢工艺。改进工艺后的阀体经过近百次的操作试验尚未出现阀体开裂现象。
作者简介:吕凤海:男,36岁,高工,主要研究金属表面热处理及热处理对弹簧性能的影响。 发表论文3篇。
参考文献
1 曾健康.GCr15SiMn钢轴承不宜作镀锌处理.金属热处理,1997(1):50
2 金属机械性能编写组.金属机械性能.北京:机械工业出版社,1982,10:145~152
3 刘云旭.金属热处理原理.北京:机械工业出版社,1981,9:246~249工艺改进(end)
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(11/18/2004) |
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