核電站控制棒驅動機構鉤爪部件鍍鉻層著色滲透檢測的評定

胡海濤，李 輝

(上海第一機床廠有限公司，上海 201308)

核電站控制棒驅動機構(CRDM)鉤爪部件是核電站控制棒驅動機構中的重要部件,其由套管軸、固定銜鐵、支撐筒等多個零件組成兩個驅動組件，這兩個組件的鉤爪齒與驅動桿凹槽嚙合，在耐壓殼組件內部反復交替上下運動。鉤爪部件中各個零件的關鍵配合表面要求進行鍍鉻處理，這樣更具有耐磨性。

表面最終鍍鉻層的厚度一般只有(0.07±0.01) mm，在電鍍工藝上很難直接滿足同一零件不同部位鍍鉻層厚度的均勻性要求，需通過磨削方式進行控制。

設計要求對磨削后的鍍鉻層進行著色滲透檢測，以確保表面質量合格。檢測時不允許存在粉紅色背景。當檢測評定存有疑問時，可采用顯微鏡放大100倍進行觀察；參照不同程度的微裂紋照片，可對觀察結果進行評定。

但在實際檢測過程中，由于該類零件結構復雜，小孔、內孔等表面的鍍鉻層無法在顯微鏡下觀察，故采用顯微鏡較難對鍍鉻層的粉紅色顯示存疑區進行對比評定。

針對該類零件鍍鉻層的著色滲透檢測，筆者對不同滲透檢測材料和多余滲透劑去除方法的差異進行比較，排除了不同檢測條件下“未充分清洗”的可能，并對鍍層微裂紋導致的粉紅色顯示進行了評定。

1 鍍鉻層的檢測要求

1.1 檢測對象

主要對CRDM鉤爪部件中的移動銜鐵緩沖軸(見圖1)、固定銜鐵(見圖2)及固定鉤爪支撐筒(見圖3)中的部分小孔、內孔及外圓面進行鍍鉻(各圖中粗實線所示部位)，鍍鉻層在磨削前后的表面粗糙度不大于0.8 μm。經目視檢測，鍍鉻層表面無裸點、起泡、劃痕、麻點、針孔以及燒焦區或乳白區等。

圖1 移動銜鐵緩沖軸外觀及結構示意

圖2 固定銜鐵外觀及結構示意

圖3 固定鉤爪支撐筒外觀及結構示意

1.2 檢測方法的選擇

該類零部件鍍鉻層著色滲透檢測產生的顯示一般分為兩類：一類是鍍鉻網紋顯示，一類是磨削痕跡顯示。檢測方法一般采用熒光滲透檢測或著色滲透檢測。經試驗，熒光滲透檢測雖然靈敏度較高，極易檢測出鍍鉻網紋和磨削痕跡；但區分不出網紋的嚴重程度，無法對網紋產生的粉紅色顯示進行正常評定，故推薦采用著色滲透檢測。

1.3 主要檢測參數

1.3.1 溫度

在整個檢測過程中，被檢件和滲透檢測材料的溫度控制在1030 ℃，一般為20 ℃左右。

溫度過低時，為了保證顯像均勻，可以將顯像劑浸泡在溫水中，水溫控制在2030 ℃。

1.3.2 滲透時間

著色滲透劑潤濕及停留在被檢零件表面至少20 min，一般控制在20～30 min。

1.3.3 顯像評定時間

顯像時間為10～30 min，從顯像劑變干就開始觀察顯示的性質和變化。

1.4 檢測靈敏度

先采用標準NF EN ISO 3452-3:2001中的Type 1鍍鉻裂紋試塊驗證滲透檢測材料的靈敏度，其中30 μm的試塊至少75%顯示，鎳-鉻層厚度為50 μm的試塊至少100%顯示，實際檢測靈敏度均能達到100%顯示(見圖4,5)。

圖4 鎳-鉻層厚度為30 μm試塊的顯示

圖5 鎳-鉻層厚度為50 μm試塊的顯示

同時采用標準NF EN ISO 3452-3：2001中的Type 2五點式試塊驗證工藝靈敏度，可見試塊上5個裂紋點均能清晰顯示(見圖6)。

圖6 Type 2五點式試塊顯示

通過上述靈敏度試驗可知，滲透檢測材料和操作工藝的靈敏度均滿足NF EN ISO 3452-2：2001中的高靈敏度要求(2級靈敏度)。

2 不同檢測條件的影響

2.1 滲透檢測材料

在滿足上述檢測靈敏度要求的基礎上，采用核電項目常用的三種核級著色滲透材料分別對鍍鉻層進行檢測，檢測效果如表1所示。

表1 不同滲透檢測材料的檢測效果

由表1可知，3種滲透檢測材料顯示的顏色深淺、清晰度和吸附效果有差異，但均能檢測出鍍鉻層的缺陷，并呈現粉紅色顯示。表1中的檢測效果證明這3類滲透檢測材料的差異不影響該類型缺陷的檢出。

2.2 多余滲透劑去除方法

對上述3種不同滲透檢測材料檢出的粉紅色顯示進行對比觀察，從缺陷顯示顏色和輪廓清晰方面考慮，采用核工HG牌滲透檢測材料進行檢測。

在滿足檢測靈敏度要求的基礎上，采用下述3種不同方法去除多余滲透劑。

(1) 溶劑去除法：用配套清洗劑潤濕過的吸水紙擦去多余滲透劑，直至紙上出現淡粉紅色顯示，其靈敏度相對較高。

(2) 水洗去除法：用壓強低于2×105Pa的去離子水沖洗多余滲透劑，再用吸水紙擦干，直至紙上出現少許粉紅色顯示或無粉紅色顯示，其靈敏度相對一般。

(3) 水洗+溶劑去除法：先采用壓強低于 2×105Pa的去離子水沖洗，再使用配套清洗劑潤濕過的吸水紙擦拭，直至紙上無粉紅色顯示，其靈敏度相對較低。

經比較，溶劑去除法的顯示顏色和清晰度較好。靈敏度較低的水洗+溶劑去除法也能檢出同一鍍鉻部位的缺陷，并呈現粉紅色顯示，也就排除了不同去除方法差異導致的“未充分清洗”的可能。

3 評定分析

通過分析上述不同檢測條件的試驗，基本排除了“未充分清洗”導致偽顯示的可能，該類粉紅色顯示主要是由鍍鉻層本身的微裂紋所引起的。結合鍍鉻工藝原理和航空航天行業的AMS 2440B-2007標準，對鍍鉻層中著色滲透檢測所檢出的典型粉紅色顯示的嚴重程度進行分析，主要存在鍍鉻網紋和過度磨削裂紋兩大類顯示。

3.1 鍍鉻網紋

從電鍍的工藝及原理上考慮，電鍍過程中會引起一種裂紋，此類裂紋稱為鍍鉻網紋，由電鍍應力產生，常表現為整個表面存在著緊密結合的網狀微裂紋。

標準AMS 2440B-2007中給出的熒光滲透檢測的鍍鉻網紋如圖7所示，其顯示非常清晰，但分辨不出網紋是否屬于嚴重微裂紋。

圖7 AMS 2440B-2007標準中給出的熒光滲透檢測出的鍍鉻網紋示例

通過對CRDM緩沖軸、固定銜鐵等零件鍍鉻層著色滲透檢測顯示結果的觀察，該類鍍鉻網紋(見圖810)顯示特征為： 網紋紋路之間的區域呈粉紅色顯示，但顏色較淡；網紋間紋路較細，蜿蜒狀斷續顯示或不可見，紋路長度一般為12 mm，分布不規則，紋路顏色深淺不一；在紋路交織處呈現點狀顯示，大小不一，顯示直徑一般都小于0.5 mm，交織點顏色較深，網紋顏色較淺。

圖8 著色滲透檢測下的鍍鉻網紋(明顯)

對圖710鍍鉻網紋的顯示情況進行列表分析(見表2)，不同類型顯示的評定及一般處理情況如下：① 由圖7可知，熒光滲透檢測出的網紋顯示深淺無法分辨，很難判定微裂紋的嚴重程度。但在標準AMS 2440B-2007中，該類鍍鉻網紋不作為鍍鉻質量拒收的原因; ② 由圖8可知，著色滲透檢測能發現網紋間明顯的粉紅色顯示，網紋顯示較深，一般對該網紋進行磨削處理；③ 由圖9可知，網紋間的粉紅色顯示較淡，同時大部分網紋顯示較淺，少部分網紋顯示較深，一般對顏色較深部分網紋和網紋的交織點進行磨削處理；④ 由圖10可知，雖能發現網紋間的粉紅色顯示，但網紋幾乎不可見，網紋的深度已遠小于標準NF EN ISO3452-2中規定的靈敏度2級可檢缺陷深度，故一般只對點狀顯示進行單獨評定。

圖9 著色滲透檢測下的鍍鉻網紋(較明顯)

圖10 著色滲透檢測下的鍍鉻網紋(輕微)

表2 鍍鉻網紋顯示的差異

3.2 過度磨削裂紋

在電鍍工藝過程中，需要對鍍鉻層進行磨削，但磨削量一般只有0.05 mm左右，操作人員極難控制磨削量，易過度磨削，這種過度磨削產生的微小裂紋通常伴隨有帶狀磨削痕跡，稱為過度磨削裂紋[1]。在標準AMS 2440B-2007中，熒光滲透檢測出的網紋是能接受的，但是過度磨削裂紋(見圖11)是不能接受的。

圖11 AMS 2440B-2007中給出的過度磨削裂紋示例(擦拭后)

在CRDM緩沖軸、固定銜鐵等零件鍍鉻層的著色滲透檢測中，這類顯示的粉紅色(見圖12～13)也存在較為明顯的特征，原網紋輪廓不可見，伴隨有明顯的帶狀磨削痕跡，點狀顯示均勻且較密集。

圖12 著色滲透檢測出的過度磨削裂紋(明顯)

4 結語

鍍鉻層在CRDM鉤爪部件中的主要作用是增加硬度和耐磨性，但磨削后容易產生微裂紋。通過試驗對比，排除了不同著色滲透檢測工藝條件所導致的“未充分清洗”的可能，比較直觀地分析了著色滲透檢測出的鍍鉻網紋和磨削裂紋的差異。

圖13 著色滲透檢測出的過度磨削裂紋(較明顯)

圖14 著色滲透檢測出的過度磨削裂紋(部分明顯+部分輕微)