摘 要:某火電廠(chǎng)用316L鋼球閥在表面滲碳熱處理后產(chǎn)生凹坑及黑斑現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了球閥使 用過(guò)程中的密封效果。采用宏觀(guān)觀(guān)察、掃描電鏡及能譜分析等方法,分析了該凹坑及黑斑的產(chǎn)生原 因。結(jié)果表明:球閥在滲碳過(guò)程中,溫度和熱處理時(shí)間控制不當(dāng),導(dǎo)致表面碳元素形成局部偏聚,形 成了局部黑色區(qū)域;Cr元素在表層區(qū)域形成短程擴(kuò)散,并覆蓋于表層,滲碳后以 M23C6 和Fe-Cr-C 化合物相形式析出,M23C6 以球狀形式偏聚,隨著運(yùn)行過(guò)程發(fā)生脫落,并形成凹坑,元素在凹坑邊緣 偏聚并析出有害相,析出和脫落交替作用,最終導(dǎo)致凹坑加速形成。

關(guān)鍵詞:球閥;滲碳熱處理;凹坑;黑斑;元素偏聚

中圖分類(lèi)號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)03-0045-05

球閥的主要作用是通過(guò)在閥體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)作業(yè), 控制電力系統(tǒng)中部分管道工質(zhì)的流通和截止[1]。球 閥外壁與閥體內(nèi)壁之間存在時(shí)間較長(zhǎng)、頻次較高的 滑動(dòng)摩擦作用,易使球閥外壁或閥體內(nèi)壁產(chǎn)生磨損, 在運(yùn)行過(guò)程中,流動(dòng)工質(zhì)會(huì)持續(xù)沖刷已經(jīng)脫落的薄 弱區(qū)域,導(dǎo)致球閥表面開(kāi)裂,并引發(fā)工質(zhì)泄漏[2]。

在球閥產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,通常會(huì)對(duì)球閥表面進(jìn) 行硬化表面改性,主要方法有等離子噴涂、激光熔 覆、熱噴涂、滲碳等,為提高批量化生產(chǎn)的效率,常用 滲碳方法進(jìn)行表面改性。球閥滲碳過(guò)程產(chǎn)生的表面 缺陷主要有兩種形式,一種是黑色塊狀凸起(黑斑) 缺陷,另一種是凹坑缺陷[3]。某火電廠(chǎng)用316L鋼 球閥滲碳熱處理后發(fā)現(xiàn)球閥表面局部產(chǎn)生凹坑及黑 斑缺陷,嚴(yán)重影響了球閥在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的密封效果和表層硬度均勻性,該球閥直徑為80mm,材料為 316L奧氏體不銹鋼。筆者對(duì)該球閥進(jìn)行一系列理 化檢驗(yàn),查明了凹坑及黑斑產(chǎn)生的原因,以期為提高 球閥產(chǎn)品的質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀(guān)觀(guān)察

對(duì)表面存在凹坑和黑斑的球閥進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān) 察,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知:球閥表面區(qū)域 A分布有密集的凹坑和黑斑,個(gè)別凹坑直徑較大, 深度較深,區(qū)域B與區(qū)域 A形貌基本一致;表面凹 坑的平均直徑約為0.18mm,最大凹坑直徑約為 0.53mm,凹坑的平均間距約為1.86mm,分布較 為密集。

1.2 掃描電鏡(SEM)分析

在球閥外表面和截面區(qū)域取樣,采用線(xiàn)切割的 方法將試樣加工為片狀,然后用Apollo300型SEM 進(jìn)行觀(guān)察,試樣觀(guān)察方法如圖2所示。

1.2.1 表面

球閥表面的SEM 形貌如圖3所示,可見(jiàn)球閥 表面滲碳不均勻,碳元素偏聚引起球閥表面出現(xiàn)塊 狀析出,進(jìn)而形成圓形黑斑;黑斑和凹坑的分布都較 為均勻、彌散,黑斑的平均直徑約為22μm,凹坑的 平均直徑約為121μm,均屬于微觀(guān)缺陷。

對(duì)不同析出程度的碳元素偏聚塊狀析出相進(jìn)行 SEM 觀(guān)察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:在析出 初期時(shí),塊狀析出相以暗斑形式分布在球閥表面;隨 著滲碳時(shí)效處理的時(shí)間不斷延長(zhǎng),該處形成碳元素 偏聚,并在表面形成黑色塊狀凸起,甚至塊狀聚集形 貌[4],此時(shí)黑色塊狀析出相附近并未產(chǎn)生明顯的凹 坑形貌或其他析出相。

球閥表面部分析出相并未以塊狀凸起或聚集的 形式繼續(xù)長(zhǎng)大,而是形成球狀析出相,其SEM 形貌如 圖5所示。由圖5可知:在形核初期,球狀析出相尺 寸較小,未形成團(tuán)聚,分布在塊狀析出相表面[5];隨著 滲碳熱處理工藝的進(jìn)行,塊狀析出相長(zhǎng)大、聚集,且其 附近球狀析出相的尺寸開(kāi)始增大,數(shù)量逐漸增多,并 形成團(tuán)聚效應(yīng)[6];隨著球狀析出相團(tuán)聚尺寸不斷增 大,該處基體開(kāi)始產(chǎn)生凹陷,并伴有基體組織損失,球 狀析出相和塊狀析出相發(fā)生脫落[7];最終基體表面形 成凹坑,凹坑周邊伴有球狀析出相的形貌組織。

1.2.2 截面

對(duì)球閥截面進(jìn)行SEM 分析,結(jié)果如圖6所示。 由圖6可知:滲碳層呈鋸齒狀,為熱處理和焊接過(guò)程 中材料表層的典型形貌[8],球閥表層距離鋸尖的平 均厚度為413μm,球閥表層距離齒根的平均厚度為 352μm,滲碳層中分布有黑色塊狀析出相,該相與 表層黑色塊狀析出相的形貌和尺寸基本一致,平均 直徑為18μm,說(shuō)明該相為滲碳濃度過(guò)高時(shí)基體內(nèi) 析出的塊狀化合物顆粒;將滲碳層分為C和D兩個(gè) 區(qū)域,區(qū)域C黑色塊狀析出相分布密集,黑色塊狀 析出相平均間距約為35μm,且多靠近試樣表層;區(qū) 域D黑色塊狀析出相平均間距為280μm,兩個(gè)區(qū) 域析出相尺寸并無(wú)明顯變化;球閥表層的黑色塊狀 析出相剝離于基體外,在試樣磨拋過(guò)程中并未發(fā)生 形變,可推斷其為基體內(nèi)部和表層的硬質(zhì)顆粒質(zhì) 點(diǎn)[9]。

基材表面凹坑和塊狀析出相的SEM 形貌如圖 7所示,可見(jiàn)黑色塊狀析出相與球狀析出相(M23C6) 交替析出,形成共生狀態(tài)。

1.3 能譜(EDS)分析

采用 QUANTAX 型 EDS分別對(duì)球閥表層不 同區(qū)域進(jìn)行分析,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知:球 閥表層均勻滲碳區(qū)域無(wú)碳元素偏聚導(dǎo)致的黑色形 貌;表層輕微滲碳不均區(qū)域存在因輕微碳元素偏聚 而導(dǎo)致的黑色區(qū)域,但該偏聚未形成明顯析出相,形 貌仍與基體保持一致;表層明顯滲碳不均區(qū)域存在因碳元素偏聚而導(dǎo)致的黑色塊狀析出相,且析出相 附著于球閥表層,黑色塊狀析出相幾乎不含 Cr元 素,因此保持為黑色的塊狀碳化物[10];表層較嚴(yán)重 滲碳不均區(qū)域因塊狀碳化物的交替析出、脫落而形 成明顯凹坑,凹坑內(nèi)部區(qū)域?yàn)闈B碳不均的黑色區(qū)域, 凹坑內(nèi)形成了大量球狀析出相,還有部分尚未脫落 的黑色塊狀析出相;凹坑內(nèi)部球狀析出相附著于凹 坑內(nèi)部黑色塊狀析出相表面,形成球狀團(tuán)聚,球狀析 出相和塊狀析出相為共生析出狀態(tài),球狀析出相主 要含有Fe、C元素,同時(shí)含有少量Cr元素。

對(duì) O元素及干擾元素Si、S進(jìn)行計(jì)算排除[11], 可得出C、Fe元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)以及C、Fe 元素含量比隨球閥表層不同區(qū)域的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖 9)。由圖9可知,均勻滲碳表面 C、Fe元素含量比為18.9%,碳元素作為表面硬質(zhì)改性的少量添加元 素,約占基體成分含量的1/5;黑色塊狀析出相中 C、Fe元素含量比約為1825.3%,高濃度的碳元素 形成偏聚效應(yīng),集合成硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn),約為基體成分的 18倍,其 他 區(qū) 域 的 C、Fe 元 素 含 量 比 均 介 于 18.9%~1825.3%。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:含碳析出相更容易 在碳元素含量較高的區(qū)域附近形成化合物并析 出[12],球狀析出相均位于黑色塊狀析出相和脫落后 凹坑的周?chē)?說(shuō)明球狀析出相更容易在碳元素含量 較高的塊狀析出相周?chē)龀?C、Fe元素含量比直接 影響滲碳層的脆性及脫落減薄特性,C、Fe元素含量 比越大,該處滲碳層的脆性越大,脫落風(fēng)險(xiǎn)越大[13]。 Cr元素在球閥基材表層富集,同時(shí)因滲碳?xì)夥斩鴮?dǎo) 致球閥表層局部碳元素含量過(guò)高,使表層Cr元素與 C元素產(chǎn)生化合物,該區(qū)域含碳析出相 M23C6 和高 碳顆粒析出過(guò)量,最終形成黑色塊狀高碳Fe-C析出 相和球狀Fe-Cr-C析出相。該兩種物質(zhì)均為硬質(zhì)質(zhì) 點(diǎn),與基材形成剝離狀態(tài),結(jié)合不緊密,在球閥旋轉(zhuǎn) 摩擦或碰撞過(guò)程中均有可能發(fā)生脫落,進(jìn)而產(chǎn)生凹 坑。基材表面的凹坑加速了元素偏聚效應(yīng),進(jìn)而加 速了碳顆粒的形成和球狀相析出。M23C6 相和FeC相的析出和脫落交替作用,導(dǎo)致凹坑處變深,最終 形成大尺寸凹坑形貌,導(dǎo)致球閥表面密封失效。

3 結(jié)論

該球閥表面滲碳凹坑和黑斑產(chǎn)生的原因?yàn)?滲 碳熱處理過(guò)程中,滲碳?xì)夥諠舛冗^(guò)高、滲碳時(shí)間過(guò) 長(zhǎng),導(dǎo)致碳元素發(fā)生偏聚,從而造成球閥外表面材料損失,并形成凹坑和黑斑。

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