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閥體開裂原因分析

更新時(shí)間:2009-04-26

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我公司生產(chǎn)的500kV高壓開關(guān)采用液壓操作。液壓機(jī)構(gòu)的心臟部分二級(jí)閥閥體在操作試驗(yàn)時(shí)發(fā)生開裂漏油事故。為此,我們對(duì)二級(jí)閥閥體開裂原因進(jìn)行了分析。
1 閥體材質(zhì)及使用狀況
1.1 材質(zhì)
閥體材質(zhì)為GCr15SiMn鋼,其化學(xué)成分見表1。其外形尺寸見圖1。
表1 閥體化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(%)
C Si Mn Cr S P Ni
1.01 0.57 1.07 1.48 0.01 0.024 0.05


圖1 閥體外型尺寸

1.2 閥體制造工序
下料→退火→粗加工→淬火、回火→精加工→鍍鋅。閥體熱處理工藝見圖2,熱處理后硬度為57~59HRC。


圖2 閥體熱處理工藝曲線

1.3 使用狀況
閥體內(nèi)承受32~34MPa油壓,于戶外使用,開裂均發(fā)生在操作100~200次以后。
2 宏觀檢查
圖3為閥體宏觀像,閥體開裂發(fā)生在油孔邊緣,長(zhǎng)度約30mm,裂紋平直。


圖3 閥體開裂從油孔邊緣起始

3 斷口檢查
將閥體解體后斷口呈銀灰色,未被氧化和腐蝕,說明閥體裂紋既不是淬火裂紋也不是腐蝕裂紋,根據(jù)斷口形貌可以認(rèn)為是瓷狀斷口,屬脆性斷裂。
斷口照片見圖4,由圖4可以看出裂紋斷口上有許多放射狀紋理。根據(jù)裂紋走向可以看出有兩處裂紋源,即箭頭1、箭頭2所指處。1處為*裂紋源,2處為*裂紋擴(kuò)展到一定程度后才誘發(fā)產(chǎn)生的,裂紋源1位于不同平面交角附近。工作時(shí)估計(jì)此處有一定的應(yīng)力集中。


圖4 裂紋斷口斷裂源部分 ×6
(箭頭1、2各指一個(gè)斷裂源)

將裂紋源進(jìn)一步放大,圖5為*裂紋源放大像,圖6為第二裂紋源放大像。可以看出兩處裂紋源均有二次裂紋,都以沿晶斷裂為主。


圖5 斷裂源1放大像


圖6 斷裂源2放大像

圖7、8為*裂紋源局部放大像。從圖7、8可以看出沿晶斷裂面上有一些析出顆粒及孔洞。經(jīng)X射線能譜分析說明這種顆粒的鉻含量較基體約高1倍。X射線能譜分析結(jié)果見表2。估計(jì)這種析出的顆粒是(Fe、Cr)3C型碳化物。


圖7 斷裂源1局部放大像
(箭頭指晶界析出顆粒)


圖8 斷裂源1局部放大像
(箭頭指晶界孔洞)

表2 X射線能譜分析結(jié)果 w%
測(cè)量位置 Si S P Mn Cr Fe
晶界析出顆粒 0.6 0.11 0.08 0.96 2.97 95.38
基  體 0.51 0.039 0.026 0.99 1.44 96.99
4 金相組織
金相試樣經(jīng)深度腐蝕后可以看出有網(wǎng)狀碳化物沿晶界析出,這與斷口觀察結(jié)果一致。
5 開裂原因分析及驗(yàn)證
斷口觀察說明閥體開裂有一個(gè)擴(kuò)展過程,并不是瞬時(shí)斷裂,這與閥體經(jīng)過100~200次操作試驗(yàn)相符,反映了閥體開裂是逐漸發(fā)生的屬滯后破壞型,且閥體經(jīng)過電鍍鋅,因此懷疑可能為氫脆所致。另外,GCr15SiMn鋼*類回火脆性區(qū)為200~400℃之間,而此閥體回火溫度恰在250~270℃之間,因此懷疑可能有*類回火脆性產(chǎn)生。
鑒于以上分析又進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。
在閥體上取樣制備3點(diǎn)彎曲試樣,用線切割在試樣中間開槽,對(duì)試樣電解充氫,其中電解液為10%鹽酸水溶液,電壓6V、充氫時(shí)間30min。以3點(diǎn)彎曲方式對(duì)充氫試樣加80%屈服載荷的力,經(jīng)10min后斷裂仍以沿晶斷口為主,見圖9,可以看出斷口形貌與圖5相近,說明閥體開裂確系氫脆所至。


圖9 閥體滯后破壞型氫脆斷口

為驗(yàn)證閥體開裂是否為回火脆性引起,仍在閥體上取樣制備3點(diǎn)彎曲試樣,將試樣430℃×2h回火后,以3點(diǎn)彎曲方式將試樣折斷,其斷口照片見圖10,可以看出斷口基本上為穿晶斷口,很少見沿晶斷口?;鼗鸷笥捕葹?6HRC,因此開裂閥體的回火溫度為430℃時(shí)避免了*類回火脆性區(qū),沿晶脆斷就可以基本消除??箯潖?qiáng)度也由原來(lái)的305MPa提高到762MPa,這充分證明了閥體開裂的沿晶脆斷確實(shí)是由*類回火脆性引起的。


圖10 閥體經(jīng)430℃×2h空冷處理后的瞬斷斷口

6 改進(jìn)措施及效果
將回火溫度控制在400~450℃之間避開*類回火脆性區(qū)。實(shí)際生產(chǎn)中采用430±10℃。并增加電鍍鋅后的去氫工藝。改進(jìn)工藝后的閥體經(jīng)過近百次的操作試驗(yàn)尚未出現(xiàn)閥體開裂現(xiàn)象。

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