17-4PH泵軸斷裂失效原因分析

孫 奇，馬騰云，任 鶴，關 曉

（1.沈陽鼓風機集團股份有限公司-沈鼓大工研究院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學材料科學與工程學院，遼寧 大連 116024；3.一重集團大連核電石化有限公司，遼寧 大連 116113；4.沈陽鼓風機集團核電泵業有限公司，遼寧 沈陽 110869）

某廠泵軸在運行過程中出現兩次斷軸問題，發現其斷裂位置位于軸肩處，如圖1所示。為了查明泵軸在運行過程中發生斷裂的原因，防止此類事故再次發生，并且提出切實可行的改進措施，對斷后的泵軸進行了一系列實驗分析。

圖1 斷軸的宏觀照片

泵軸材質為馬氏體沉淀硬化鋼17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb），經固溶、時效處理后使用。通常，經過熱處理后，17-4PH不銹鋼具有良好的綜合力學性能，且兼具奧氏體不銹鋼的良好加工性能和馬氏體不銹鋼的高強度，其熱處理工藝相對來說比較簡單，經過不同的熱處理工藝可以獲得不同的強韌性配合。因此，其廣泛應用于各類機電產品的主軸、閥桿、配件等[1]。該軸工作介質為灰水，工作溫度為150°，轉速為2980r/min，軸功率為507.5kW，斷裂處直徑為75mm。

1 實驗方法

實驗材料為該斷裂泵軸，其熱處理工藝為1025℃~1055℃固溶處理和610℃~630℃時效處理，冷卻方式分別為油冷和空冷。利用電火花線切割機對斷軸進行試樣的切取，并主要進行了金相檢測、成分檢驗、顯微硬度測試、沖擊測試以及H元素檢測。

1.1 金相檢測

金相試件拋光后通過電解飽和草酸對試樣進行腐蝕，圖2、3分別為斷軸徑向、軸向試樣截面的金相照片。根據金相照片可以看出，其組織主要由索氏體和殘留的大量鐵素體組成，并且沿軸向分布有未溶解的條狀鐵素體，如圖2(b)所示，條狀的鐵素體長短不一，沿著軸向規則排列，因此可以判斷條狀鐵素體形成于鍛造加工時，后續熱處理并未使其完全溶解消除。此外，斷軸徑向、軸向試樣中均存在孔洞缺陷。

圖2 斷軸的徑向金相照片

圖3 斷軸的軸向金相照片

1.2 成分檢驗

對試樣進行了宏觀成分檢測、微區成分檢測以及斷軸近端口外表面的元素分析。

1.2.1 宏觀成分檢測

宏觀成分檢測試樣測試結果及17-4PH鋼標準化學成分如表1所示。材料中各合金元素含量基本符合標準要求。

表1 宏觀成分檢測結果（質量分數%）

1.2.2 斷軸近斷口外表面元素分析

斷軸近斷口的外表面試樣取樣，利用場發射掃描電鏡對其表面進行EDS分析，隨機取3個位置進行檢測，結果如表2所示。

表2 斷軸近斷口外表面元素分析檢測結果（質量分數%）

根據檢測結果，泵軸外表面Cr元素含量較多，這與其外表面形成的Cr2O3薄膜有關[2]，這也就是泵軸外表面呈金屬光澤的原因。此外，斷軸外表面不存在S元素，因此沒有發生H2S腐蝕，因此泵軸的斷裂并非氫脆所致。

1.2.3 微區成分檢測

利用型號為SUPARR 55場發射掃描電鏡對微區成分檢測試樣中隨機三個區域進行微區成分檢測，所得結果如表3所示。

表3 微區檢測結果（質量分數%）

根據結果可知，泵軸內微區成分偏差很小，可以判定不存在成分偏析。

1.3 顯微硬度測試

為了確定斷軸硬度是否滿足相應要求，分別對斷軸軸向及徑向試樣進行顯微硬度測試，每個試樣間隔0.5mm測試十個點并取平均值。斷軸軸向與徑向試樣的顯微硬度測試結果如表4所示，可以看出斷軸徑向與軸向試樣的顯微硬度平均值分別為305.25HV、307.66HV，換算為HBW分別為290.25HBW、292.66HBW，滿足不銹鋼棒標準GB/T 1220-2007（≥277HBW）。

表4 顯微硬度測試結果（HV）

1.4 沖擊測試

為了確定斷軸力學性能是否滿足相應要求，對斷軸進行了沖擊測試，沖擊試驗結果分別為122J、112J、118J。根據美標ASTM A693-2016，17-4PH不銹鋼經過固溶（1050℃±25℃）和時效（621℃±8℃，4h）處理后，其沖擊功應不小于41J，而斷軸試樣沖擊功遠遠高于41J，符合相應力學性能要求。

1.5 H元素檢測

通過氧氮氫分析儀對試樣進行H元素檢測。H元素檢測結果如表5所示，根據檢測結果可以看出，斷軸內部H元素含量極低，在此認為泵軸斷裂與氫脆關系不大。

表5 H元素檢測結果

2 分析與討論

根據斷軸的宏觀照片，可知斷軸斷裂于軸肩臺階處，且可以發現軸肩臺階處并未加工過渡圓角，導致此處在工作過程中出現應力集中過大的情況，分析認為這是導致泵軸斷裂的外因。

從斷軸切取的試樣，其金相組織為索氏體和殘留的大量鐵素體，特別是對于軸向試樣，存在大量的條狀鐵素體。而根據工藝要求，泵軸進行固溶+時效處理，所得到的組織應為索氏體組織，因此，殘留的鐵素體推測實在原材料處理過程中產生的。條帶狀鐵素體屬于高溫形成相，通過后續的熱處理和熱加工無法去除。條帶狀鐵素體的存在一方面造成了泵軸組織的不均勻，另一方面破壞了基體金屬的連續性，從而使得材料的韌性大幅降低。另外，金相組織中出現了大量的孔洞缺陷，熱加工、熱處理工藝無法產生孔洞缺陷，故而這與泵軸坯料有關。

材料的組織取決于其熱處理工藝，根據標準規定，該泵軸在使用前要經過固溶+時效處理（具體的工藝參數為：1025℃~1055℃×2.5~5.0h油冷，610℃~630℃×4~6h空冷）。一般來說，在熱處理過程中，固溶溫度過高可能會導致鐵素體增多，Ms點降低，并且會造成組織粗大。固溶溫度過低，合金元素及其相關碳化物來不及進入奧氏體內，從而使得組織內成分不均勻，在后續形成馬氏體的過程中會降低沉淀硬化的效果。因此，要獲得符合要求的性能和組織就必須對固溶溫度精確把控。因此，造成該泵軸組織中含有較多條帶狀鐵素體的原因為固溶處理溫度偏高。

綜上所述，該泵軸斷裂的主要原因在于兩方面，一方面是由于斷面處軸肩臺階未加工過渡圓角，導致此處應力集中過大。另一方面是由于泵軸的后續熱處理工藝存在問題，固溶處理溫度過高，使得其在熱處理后仍然存在大量殘留的鐵素體，并且泵軸原材料內存在大量的孔洞缺陷，不符合要求。

3 改進措施

（1）從材料生產的源頭加強相關質量文件的追蹤，并加強對原材料的檢測驗收工作，規避使用不合格的材料。

（2）合理設計軸肩臺階過渡結構，以此來緩解尺寸變化導致的應力集中過大的現象。

（3）適當調整固溶處理的溫度，減少保溫時間，防止產生過多的條狀鐵素體。