離心機轉鼓體斷裂原因

楊 永, 譚德力

(通標標準技術服務有限公司 南京分公司, 南京 210001)

雙相不銹鋼是常溫下鐵素體相和奧氏體相共同存在的一種不銹鋼，兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優點，其強度高、耐腐蝕性能好，因而廣泛地應用于石油化工、造紙及海洋工程等領域。00Cr25Ni7Mo4N雙相不銹鋼(2507雙相不銹鋼)是添加了鈷元素的超級雙相不銹鋼，點蝕當量(PREN)大于41，在含有氯化物、酸等環境下具有良好的耐蝕性能和較高的力學性能[1-2]。

某公司離心機轉鼓體在使用1 a(年)左右就發生斷裂，該轉鼓體材料為2507雙相不銹鋼，離心機的運行轉速為3 000 r·min-1。為找出該離心機轉鼓體斷裂的原因，筆者對其進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖1為斷裂轉鼓體的宏觀形貌，可見斷裂從左側向右側擴展。為方便下文分析，將斷口分為4個區，如圖1所示。

圖1 斷裂轉鼓體宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured drum

1.2 化學成分分析

采用ARL-4460型直讀光譜儀對斷裂轉鼓體進行了化學成分分析，結果見表 1?？梢娹D鼓體的化學成分滿足ASTM A240/A240M-18《用于壓力容器和一般用途的鉻和鉻-鎳不銹鋼板、薄鋼板和帶鋼的標準規范》中對2507雙相不銹鋼的成分要求。

表1 斷裂轉鼓體的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the fractured drum (mass fraction) %

圖2 斷裂轉鼓體的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the fractured drum: a) crack source zone; b) crack growth zone; c) final fracture zone; d) non metallic inclusions

1.3 硬度測試

在該斷裂轉鼓體的裂紋源區附近(見圖1)截取硬度試樣，采用ROCKWELL 574型雙洛氏硬度計對其進行硬度測試，結果見表2，可知轉鼓體的硬度不符合企業技術要求。

表2 斷裂轉鼓體的硬度Tab.2 Hardness of the fractured drum HRC

1.4 力學性能試驗

在該斷裂轉鼓體的裂紋源附近(見圖1)截取拉伸和沖擊試樣，采用CMT5305型拉伸試驗機和ZBC2303-B型沖擊試驗機對其進行拉伸和沖擊試驗，結果見表3和表4。由表3和表4可知，該斷裂轉鼓體的拉伸與沖擊性能均不符合企業的技術要求。

表3 斷裂轉鼓體的拉伸試驗結果Tab.3 Tensile test results of the fractured drum

表4 斷裂轉鼓體的沖擊吸收能量Tab.4 Impact absorption energy of the fractured drum J

1.5 金相檢驗

在該斷裂轉鼓體上制取橫截面和縱截面金相試樣，依次打磨、拋光后用20 g KOH+15 g K3Fe(CN)6+20 mL H2O混合溶液(堿性赤血鹽溶液)在95 ℃下熱浸蝕著色橫截面試樣，觀測其顯微組織和非金屬夾雜物，結果如圖2所示。圖2a)為斷裂轉鼓體裂紋源附近處顯微組織形貌，為奧氏體+鐵素體+析出相。圖2b)為斷裂轉鼓體裂紋擴展區顯微組織形貌，為奧氏體+鐵素體+析出相。圖2c)為斷裂轉鼓體終斷區顯微組織形貌，為奧氏體+鐵素體+析出相。圖2d)為轉鼓體非金屬夾雜物形貌，其評級為A0.5，A0.5e，D1.5，D1e，DS2級。由圖2可知，裂紋源附近析出相最多[3]。

1.6 掃描電鏡分析

采用 Sigma300型掃描電鏡(SEM)對斷裂轉鼓體的斷口表面進行觀察，結果如圖3所示。圖3a)為斷裂源區低倍SEM形貌，圖3b)為斷裂源區中倍SEM形貌，可見其斷裂源區氧化嚴重，圖3c)為斷裂源區的高倍SEM形貌，可見其上呈孔狀及碎棒狀形態。圖3d)、圖3e)、圖3f)分別為圖1中擴展A區、擴展B區和終斷區的SEM形貌，可見擴展A區、擴展B區為準解理形貌，終斷區為韌窩形貌[4-5]。整體斷口(除終斷區外)表現為脆性斷裂，與金相檢驗中遠離斷裂源析出相逐漸減少，韌性增加相對應。

圖3 斷裂轉鼓體斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of the fractured drum: a) crack source at low multiple; b) crack source at middle multiple; c) crack source at high multiple; d) crack growth zone A; e) crack growth zone B; f) final fracture zone

1.7 能譜分析

采用能譜(EDS)儀對裂紋源區進行化學成分元素定性及半定量分析，分析結果與測試位置分別見表5和圖4。由分析結果可知，裂紋源處部分位置鉻、鉬元素含量異常，遠高于其他部位。為進一步確認鉻、鉬元素在裂紋源處的分布情況，將裂紋源試樣磨制成拋光態，用背散射像進行物相區分，發現其有3種顏色的相。采用EDS對3種顏色的物相進行化學成分元素定性及半定量分析，分析結果和測試位置分別如表6和圖5。對比鉻、鉬、鎳元素含量差異可知，測試位置11和12為一種相，測試位置13和14為一種相，測試位置15和16為一種相。測試位置15和16中鉻、鉬元素含量高于正常值，判斷異常的析出相為σ相[3]。

表5 斷裂轉鼓體裂紋源區EDS分析結果(質量分數)Tab.5 EDS analysis results at crack source zone of the fractured drum (mass fraction) %

圖4 斷裂轉鼓體裂紋源處EDS分析位置Fig.4 EDS analysis locations of crack source of the fractured drum: a) EDS analysis location 1; b) EDS analysis location 2

表6 斷裂轉鼓體裂紋源區拋光態EDS分析結果(質量分數)Tab.6 EDS analysis results of polished state at crack source zone of the fractured drum (mass fraction) %

圖5 斷裂轉鼓體裂紋源區拋光態EDS分析位置Fig.5 EDS analysis locations of polished state at crack source zone of the fractured drum

1.8 重新固溶處理后硬度測試

為進一步驗證析出相(σ相)的存在，將斷裂轉鼓體重新固溶處理后，采用ROCKWELL 574型雙洛氏硬度計對其進行硬度測試，結果見表 7。由表7可知，固溶處理后試樣的硬度符合企業的技術要求。

表7 斷裂轉鼓體重新固溶處理后的硬度Tab.7 Hardness of the fractured drum after resolution treatment HRC

1.9 重新固溶處理后沖擊試驗

將斷裂轉鼓體重新固溶處理后，取沖擊試樣，采用ZBC2303-B型沖擊試驗機對其進行沖擊試驗，結果見表8。由表8可知，固溶處理后試樣的沖擊性能符合企業的技術要求。

表8 斷裂轉鼓體重新固溶處理后的沖擊吸收能量Tab.8 Impact absorption energy of the fractured drum after resolution treatment J

1.10 重新固溶處理后金相檢驗

將斷裂轉鼓體重新固溶處理后，制取金相試樣，依次打磨、拋光，用堿性赤血鹽溶液浸蝕，觀察其顯微組織形貌，結果如圖6所示。可見重新固溶處理后的轉鼓體顯微組織為奧氏體+鐵素體，析出相(σ相)已消失。

圖6 斷裂轉鼓體重新固溶處理后的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the fractured drum after re solution treatment

2 分析與討論

該斷裂轉鼓體的化學成分滿足2507雙相不銹鋼的成分要求，硬度測試結果表明該斷裂轉鼓體的硬度大于28 HRC；力學性能試驗結果表明，其屈服強度不足，延伸率較低，沖擊吸收能量僅有2.5 J，不滿足企業要求≥100 J，因此該斷裂轉鼓體的基本力學性能不符合企業技術要求。金相檢驗結果表明，該斷裂轉鼓體裂紋源附近、裂紋擴展區處和終斷區的顯微組織均為奧氏體+鐵素體+析出相，但裂紋源附近析出相最多，終斷區析出相最少，擴展區居中。夾雜物分析表明有少量A類夾雜，為0.5級，主要為D類和DS類夾雜，其中D類1.5級，DS為2.0級。

宏觀分析與 SEM分析結果表明，斷裂源處形貌異常且氧化嚴重，斷裂源區呈現孔狀及碎棒狀形貌，擴展A區和擴展B區為準解理斷裂形貌，終斷區為韌窩斷裂形貌。EDS分析顯示斷裂源處鉻、鉬元素含量異常，遠高于正常水平。將裂紋源磨制成拋光態，用背散射像分析發現有三種相的存在。用EDS對三種相進行化學元素分析，確認了其中一種相的鉻、鉬含量明顯高于正常值，判斷異常相為σ相。

將試樣重新固溶處理后測試其硬度、沖擊吸收能量和顯微組織，測試結果表明重新固溶處理后試樣的硬度為24 HRC，沖擊吸收能量為150 J，均符合企業的技術要求，其顯微組織中只有奧氏體+鐵素體，σ相消失。

σ相是一種含高鉻、鉬的Fe-Cr(-Mo)金屬間化合物，屬于四方結構，其硬且脆，可明顯降低鋼的韌性。σ相一般在650～950 ℃冷卻速度較慢時形成，其析出機理主要是共析轉變, 即α→σ+γ2，故材料在熱處理時應快速通過該溫度區間[6]。該轉鼓體在工作時高速旋轉，承受較大的離心力，在力的作用下σ相密集處會萌生裂紋并擴展，直至斷裂。

3 結論與建議

該轉鼓體斷裂的原因是在固溶處理時操作不當，使得其顯微組織中存在大量硬脆的σ相，轉鼓體高速運轉時會產生較大的離心力，在離心力的作用下，σ相密集處會萌生裂紋并擴展，轉鼓體導致最終斷裂。

建議轉鼓體在固溶處理時要全部浸入水中，且水要流動，使轉鼓體盡快冷卻，保證轉鼓體以最快速度通過650～950 ℃，即σ相無充分析出時間。