AISI410不銹鋼閥座失效原因分析

張 青，曹 培

(江蘇南鋼通恒特材科技有限公司，江蘇 南京 210000)

AISI410不銹鋼通過(guò)淬火+高溫回火獲得較高的塑性和良好的韌性，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，主要用于汽輪機(jī)葉片、各種泵的機(jī)械零件、蒸汽設(shè)備等各種工業(yè)設(shè)備[1-2]。閥座為閥門內(nèi)可拆卸面部件，用于支撐閥芯全關(guān)位置，并構(gòu)成密封副。一般閥座直徑即為閥門最大流通直徑。在實(shí)際使用過(guò)程中，某廠生產(chǎn)的AISI410不銹鋼閥座在內(nèi)環(huán)區(qū)域出現(xiàn)過(guò)早斷裂失效，造成機(jī)器無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)存在安全隱患。本文采用斷口形貌和金相組織觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試等方法，對(duì)失效閥座的斷裂原因進(jìn)行分析，找出失效原因，并分析影響因素的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

閥座材料為AISI410不銹鋼，內(nèi)密封圈壁厚6 mm。加工工序?yàn)椋哄懺臁捌跈C(jī)加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工→研磨密封面。其中熱處理工藝為930 ℃淬火，采用PQG冷卻液冷卻至400 ℃，再升溫至720 ℃回火，空冷到200 ℃后進(jìn)行二次回火，二次回火溫度為690 ℃(硬度為218～247 HV)。閥座示意圖見(jiàn)圖1，閥座端口位置在內(nèi)密封環(huán)附近。

閥座測(cè)試取樣位置如圖2所示，分別從閥座基體(A)、斷口與閥座相連處(B)、斷口附近(C)取樣制備試樣。試樣在酒精溶液中進(jìn)行超聲波清洗10 min，烘干待用。采用FOUNDRY-MASTER光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)；采用DM3000M型金相顯微鏡觀察金相組織；采用S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌；采用MVC-1000A1 維氏硬度計(jì)(載荷100 g)測(cè)試閥座斷口硬度分布。

圖2 閥座測(cè)試取樣位置Fig.2 Test sampling position of valve seat

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

對(duì)失效閥座基體與斷裂區(qū)分別進(jìn)行多次成分檢測(cè)，測(cè)試平均結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出，失效閥座斷裂區(qū)和基體的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從而排除材料成分不合格引起的早起失效斷裂現(xiàn)象。

表1 閥座化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of valve seat (mass fraction，%)

2.2 斷口形貌分析

圖3為閥座斷裂區(qū)宏觀形貌。由圖3可知，閥座內(nèi)密封圈發(fā)生明顯塑性變形，斷口邊緣與零件表面呈45°的剪切唇，且表面呈纖維狀，屬典型的韌性斷口形貌，斷口表面存在肉眼可見(jiàn)的裂紋。另外，斷口呈暗灰色，無(wú)金屬光澤，無(wú)結(jié)晶顆粒，且能看出斷裂區(qū)有相當(dāng)大的延伸，整個(gè)斷口凹凸不平，斷口邊緣有較大的拉邊[3-4]。因此閥座的斷裂性質(zhì)為韌性斷裂。

圖3 斷裂區(qū)宏觀形貌Fig.3 Macro-morphology of fracture zone

圖4為閥座斷裂區(qū)微觀形貌。由圖4(a)可知，斷口表面出現(xiàn)大量韌窩，呈拋物線狀，且韌窩凸向不一致，為典型的剪切韌窩[5]。韌窩是材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞，經(jīng)形核、長(zhǎng)大、聚集，最后能相互連接導(dǎo)致斷裂后在斷口表面留下的痕跡[6]。由圖4(b)可知，斷口存在裂紋，且裂紋呈明顯擴(kuò)張趨勢(shì)，加快韌窩的相互連接，導(dǎo)致斷裂失效過(guò)早發(fā)生。

(a)剪切韌窩；(b)裂紋圖4 斷裂區(qū)微觀形貌(a)shear dimple；(b)crackFig.4 Microstructure of fracture zone

2.3 顯微組織

在失效件斷裂區(qū)附近截取試樣，經(jīng)鑲嵌、粗磨、細(xì)磨、拋光，然后采用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣，斷裂區(qū)金相組織如圖5所示。由圖5(a)可知，靠近表面的金相組織為嚴(yán)重不均勻鐵素體和回火索氏體，且鐵素體呈網(wǎng)狀分布。由于網(wǎng)狀鐵素體的存在，破壞組織的連續(xù)性，導(dǎo)致基體強(qiáng)度明顯下降[7-8]。靠近心部的金相組織為均勻鐵素體和回火索氏體，且組織形態(tài)良好，組織晶粒均勻、細(xì)小，如圖5(b)所示。引起這種現(xiàn)象的主要原因在于熱處理過(guò)程中回火溫度過(guò)高，且內(nèi)環(huán)部位熱量更容易積聚，不易消散，導(dǎo)致內(nèi)環(huán)溫度高于外環(huán)溫度，造成內(nèi)環(huán)密封圈根部組織不均勻，基體強(qiáng)度明顯下降，剪切強(qiáng)度降低，抗破壞能力削弱，最終發(fā)生閥座斷裂失效。

(a)靠近表面；(b)靠近心部圖5 斷裂區(qū)顯微組織(a)near surface；(b)near coreFig.5 Microstructure of fracture zone

2.4 硬度測(cè)試

對(duì)閥座斷裂區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試，斷口硬度分布值如圖6所示。由圖6可知，閥座斷口距離表面2 mm內(nèi)硬度較低，達(dá)不到技術(shù)要求閥座淬火+二次回火后硬度為218～247 HV。由于硬度不足，造成內(nèi)密封圈根部抵抗破壞能力下降，剪切強(qiáng)度降低，且閥座的應(yīng)力集中區(qū)域在內(nèi)環(huán)密封圈根部。當(dāng)內(nèi)外環(huán)密封圈受到相同載荷作用下，閥座的內(nèi)環(huán)密封圈承載的徑向應(yīng)力最大，導(dǎo)致閥座發(fā)生局部早期斷裂現(xiàn)象，若持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)環(huán)密封圈整圈脫落。建議適當(dāng)降低回火溫度或者增加內(nèi)密封圈的厚度，以增強(qiáng)密封圈根部強(qiáng)度。

圖6 閥座斷口硬度分布Fig.6 Fracture hardness distribution of valve seat

3 結(jié)論

1)閥座內(nèi)密封圈根部硬度不足導(dǎo)致其韌性斷裂，若持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)環(huán)密封圈整圈脫落。

2)內(nèi)密封圈斷裂區(qū)靠近表面的金相組織為嚴(yán)重不均勻鐵素體和回火索氏體，且鐵素體呈網(wǎng)狀分布。由于網(wǎng)狀鐵素體的存在，破壞了組織的連續(xù)性，導(dǎo)致基體強(qiáng)度明顯下降。

3)熱處理過(guò)程中回火溫度過(guò)高，內(nèi)環(huán)部位熱量更容易積聚，不易消散，導(dǎo)致內(nèi)環(huán)溫度高于外環(huán)溫度，造成內(nèi)環(huán)密封圈根部組織不均勻，基體強(qiáng)度明顯下降，剪切強(qiáng)度降低，抗破壞能力削弱。建議適當(dāng)降低回火溫度或者增加內(nèi)密封圈的厚度，以增強(qiáng)密封圈根部強(qiáng)度。