分享：Monel400合金閥體裂紋產(chǎn)生原因
摘 要:在閥門(mén)的焊接過(guò)程中,其表面出現(xiàn)了裂紋,采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃 描電鏡和能譜分析等方法對(duì)裂紋形成的原因進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:產(chǎn)生裂紋的主要原因是熔煉過(guò) 程中殘留了未完全反應(yīng)的電渣。
關(guān)鍵詞:Monel400合金;閥體;非金屬夾雜物;裂紋
中圖分類號(hào):TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)08-0028-04
Monel合金是一種以銅為主要合金元素的鎳合 金,其具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐磨性好等特點(diǎn),在 海洋、化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3],其中固溶強(qiáng)化型的 Monel400、MonelK500合金常用于制造耐腐蝕性 閥門(mén)。
在某閥門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí),其表面出現(xiàn)裂紋。該 閥門(mén)為成品采購(gòu)件,材料為 Monel400合金,制造方 式為模鍛,狀態(tài)為固溶。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成 分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)及能譜分析等 方法對(duì)裂紋形成的原因進(jìn)行分析,最后提出了改進(jìn) 建議,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
閥體宏觀形貌如圖1所示,箭頭所指處為裂紋 所在位置,由圖1可知:正面裂紋不明顯,兩端面有 明顯裂紋,裂紋未擴(kuò)展至閥體內(nèi)側(cè)。閥體整體無(wú)明 顯磕碰變形痕跡,焊縫端有輕微變色現(xiàn)象。
沿裂紋打開(kāi)閥體,斷口宏觀形貌如圖2所示,由 圖2可知:裂紋區(qū)斷口無(wú)金屬光澤,呈山脊?fàn)顢嗫谔?征,裂紋頭部位置有呈帶狀分布的結(jié)晶狀?yuàn)A雜物。 人為折斷部分?jǐn)嗫谟忻黠@金屬光澤,整個(gè)斷口區(qū)域 可見(jiàn)明顯變形。
1.2 化學(xué)成分分析
閥體的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示,由表1 可知:該閥體的化學(xué)成分符合 ASTM B564—2019 《鎳合金鍛件的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》的要求。
1.3 金相檢驗(yàn)
閥體裂紋附近非金屬夾雜物微觀形貌如圖3所 示,參照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含 量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》,非金屬夾雜物 級(jí)別為D1.5級(jí)。
焊縫附近裂紋微觀形貌如圖4所示,由圖4可 知:裂紋起始處有大塊夾雜物,裂紋形狀曲折,且裂 紋兩側(cè)有夾雜物和氧化層的痕跡,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到接 近表面時(shí),基本無(wú)支裂紋,整條裂紋寬度基本一致。 遠(yuǎn)離焊縫裂紋微觀形貌如圖5所示,由圖5可知,裂 紋形貌和特征基本與焊縫附近的裂紋一致。由此推 測(cè),裂紋產(chǎn)生的直接原因是材料內(nèi)部夾雜物,以及由 非焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
閥體顯微組織形貌如圖6所示,由圖6可知:閥體顯微組織為單一奧氏體,熱影響區(qū)的平均晶粒度 為6.5級(jí),閥體本體靠近熱影響區(qū)和遠(yuǎn)離熱影響區(qū) 的平均晶粒度均為9級(jí);裂紋附近存在混晶現(xiàn)象,細(xì) 晶區(qū)晶粒度為9級(jí),粗晶區(qū)晶粒度為5.5級(jí),該粗晶 區(qū)和細(xì)晶區(qū)強(qiáng)度有明顯差異[4]。由此可見(jiàn),焊接對(duì) 閥體組織基本無(wú)影響。裂紋附近的混晶現(xiàn)象可能與 夾雜物有關(guān)。
1.4 SEM 和能譜分析
對(duì)夾雜物和氧化層進(jìn)行SEM 和能譜分析,各 處夾雜物SEM 形貌如圖7所示,能譜分析結(jié)果如 表2所示,由表2可知:夾雜物主要由 Ca、Al、F、O 等元素組成,其中①為 CaF2,②為 CaO 和 Al2O3, ③為基體氧化層,④為 Al2O3 和 CaO,⑤為基體氧 化層,⑥為Al2O3 和 MgO,⑦為Al2O3 和CaF2。由 此推斷,該夾雜物是通過(guò) CaF2-Al2O3-MgO-CaOSiO2 五元系電渣重熔的方式[5]進(jìn)行熔煉的,熔煉過(guò) 程中電渣未完全反應(yīng)導(dǎo)致 Ca、Al、Mg等元素未能 形成氣體析出,最終形成非金屬夾雜物。
Monel400的熔點(diǎn)為1300~1350℃,熱加工 溫度為 930~1200 ℃,固溶溫度通常為 870~ 920℃,師帥等[5]提到選擇渣系時(shí),渣系的熔點(diǎn)需比 合金熔點(diǎn)低100~200℃,故電渣熔點(diǎn)可能低于鍛造 溫度,在鍛造過(guò)程中,電渣可能存在一定的流動(dòng)性。 電渣分布與裂紋分布基本一致,電渣基本填充于裂 紋內(nèi)部,并且裂紋兩側(cè)存在明顯氧化層,從而推測(cè): 裂紋出現(xiàn)在鍛造階段,電渣具備一定流動(dòng)性后,沿裂 紋向外擠壓擴(kuò)展的可能性較大。
斷口各區(qū)域SEM 形貌如圖8所示,由圖8可 知:人為折斷區(qū)域有大量韌窩存在,為韌性斷口, 裂紋源位置呈解理特征。能譜分析結(jié)果如表3所 示,由表3可知,裂紋源堆積了大量 CaF2,形態(tài)與 CaF2 渣皮組織類似,擴(kuò)展區(qū)平坦,為解理型斷口, 斷口表面基本被氧化層覆蓋,瞬斷區(qū)基本無(wú)塑性 變形特征。
2 結(jié)論與建議
1)在 Monel400合金熔煉過(guò)程中,有電渣殘 留,在鍛造時(shí)的熱變形、電渣以及由于電渣而產(chǎn)生的 混晶現(xiàn)象的綜合作用下,產(chǎn)生鍛造裂紋,而鍛造溫度 與電渣熔點(diǎn)接近,電渣受到鍛造變形的作用沿裂紋 向外流動(dòng),產(chǎn)生了電渣充滿裂紋內(nèi)部的現(xiàn)象。
2)建議使用方加強(qiáng)對(duì)材料的質(zhì)量控制,提高抽 檢頻率。
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