閥桿用X6CrNiCu17-04鋼棒斷裂失效原因分析

雷 欣 焦少陽 王 晰

（中國核電工程有限公司，中國 北京 100840）

0　引言

某核電機(jī)組閥門中的閥桿在安裝調(diào)試過程中，使用同一批材料的4臺閥門中的直徑為φ150mm的X6CrNiCu17-04閥桿均發(fā)生了斷裂，如圖1所示。

圖1　閥桿斷裂宏觀形貌圖

閥桿用棒材為按RCC-M （2000版+2002補(bǔ)遺）[1]M5110生產(chǎn)制造的X6CrNiCu17-04，化學(xué)成分如表1所示；可以看出實(shí)測化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

根據(jù)M5110的規(guī)定，閥桿應(yīng)熱處理應(yīng)滿足下述要求：1020℃～1060℃固溶熱處理， 然后空冷或油冷到30℃或更低；然后在 595℃～620℃保溫（時(shí)效硬化）4h，后空冷。實(shí)際的熱處理?xiàng)l件為：固溶溫度是1040℃，固溶保溫時(shí)間 2h，然后油冷至26℃；時(shí)效熱處理時(shí)，時(shí)效溫度為620℃，保溫 4h，然后空冷。據(jù)此可以看出熱處理過程也完全滿足規(guī)范要求。

表1　X6CrNiCu17-04的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w t%）

1　力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)

表2給出了室溫拉伸和沖擊試驗(yàn)的規(guī)定值和復(fù)驗(yàn)實(shí)測值，可以看出除室溫拉伸的抗拉強(qiáng)度滿足規(guī)定值以外，其他結(jié)果均不滿足規(guī)定要求，尤其是沖擊值明顯較低。

表 2 X6CrNiCu17-04閥桿（A級）的力學(xué)性能

沿半徑方向從邊緣向中心位置按GB/T 4340進(jìn)行維氏硬度（HV）測試[2]，如圖 2所示，測試條件為載荷300gf，保載時(shí)間 15s。對測得的HV值，根據(jù) GB/T 1172-1999轉(zhuǎn)換為布氏硬度(HBW)，具體結(jié)果如圖3所示。根據(jù)RCC-M M5110的要求，X6CrNiCu17-04在經(jīng)過固溶處理+時(shí)效硬化后，其硬度值應(yīng)大于等于302HBW，據(jù)此可以看出硬度檢測結(jié)果滿足規(guī)定要求。

圖2　硬度測試示意圖

圖3　硬度檢測結(jié)果

2　斷口形貌及金相組織分析

2.1　斷口形貌分析

對斷口區(qū)域，利用S-3400型電子掃描電鏡（SEM,scanning electron microscope）對T型斷口進(jìn)行微觀觀察分析。首先對起裂位置S2處附近的斷口形貌進(jìn)行了觀察分析，如圖2。經(jīng)過仔細(xì)觀察后，在亞表面發(fā)現(xiàn)了裂紋源，經(jīng)放大觀察為沿晶斷裂特征。

圖4　斷口附近形貌觀察

2.2　基體金相組織分析

在靠近斷口區(qū)域，截取試樣進(jìn)行金相觀察。材料經(jīng)打磨、拋光后，使用10m lHF+5m lHNO3+15m lHCL+70m l蒸餾水溶液腐蝕，時(shí)間約10min。其結(jié)果如圖3所示，圖3（a）為靠近表面金相組織，能明顯看出明顯的晶界，這表明存在較多的殘余奧氏體，同時(shí)晶粒內(nèi)存在粗大的板條狀馬氏體和少量鐵素體；圖3（b）為心部組織，可以看出該組織為正常的馬氏體組織。研究表明[3-4]想要獲得高的沖擊韌性，金相組織應(yīng)為不含δ鐵素體的低碳回火馬氏體組織，粗大的晶粒以及當(dāng)組織中含δ鐵素體時(shí)，會明顯降低沖擊試驗(yàn)結(jié)果值，由于靠近表明區(qū)域的較大晶粒及其中存在的δ鐵素體，導(dǎo)致沖擊韌性結(jié)果較差，和表2結(jié)果相吻合。

圖5　金相組織

3　原因分析

3.1　合金元素的影響[5]

在不銹鋼的合金元素中，鉻是最重要的元素。由于鉻形成的致密、穩(wěn)定的Cr2O3薄膜的保護(hù)，阻止了介質(zhì)對基體的繼續(xù)滲入腐蝕。研究表明Cr含量超過11.7%（對應(yīng)Cr原子與鐵原子之比為1/8）時(shí)，可明顯提高鐵基體的電極電位，并具有明顯的耐蝕性。

鎳不僅是優(yōu)良的耐腐蝕材料，而且可以增加鎳當(dāng)量，擴(kuò)大奧氏體區(qū)間，使得不銹鋼在含較多鉻時(shí)，可以通過加入適當(dāng)鎳使不銹鋼在固溶熱處理后得到馬氏體組織；如果進(jìn)一步提高鎳到8%左右（如廣泛使用的18-8奧氏體不銹鋼），即可獲得單相的奧氏體組織。

銅在沉淀硬化不銹鋼中，因時(shí)效處理析出富銅的強(qiáng)化相而使鋼強(qiáng)化；但銅含量過高時(shí)對韌性有影響，常控制銅含量不超過3.5%。

鈮是強(qiáng)烈形成碳化物的元素，比鉻更容易形成碳化物。鋼中加入部分鈮，就會使鋼中的鉻能盡量穩(wěn)定地存在于固溶體中，使固溶體中有足以保證耐蝕性能的鉻含量，并可避免晶間存在貧鉻區(qū)，從而可有效防止晶間腐蝕。加入鈮也可以在時(shí)效期間起到沉淀硬化的作用，并阻礙時(shí)效時(shí)組織的晶粒長大傾向。

釩在不銹鋼中的作用是增強(qiáng)淬透性和形成碳化物，并且能耐高溫，有強(qiáng)烈的二次硬化作用，對提高硬度有顯著作用；并且能夠細(xì)化晶粒，穩(wěn)定尺寸，一般常用于合金刀具鋼中。

3.2　熱處理制度的影響

X6CrNiCu17-04的熱處理制度為固溶+時(shí)效硬化。固溶加熱時(shí)應(yīng)保證鋼中的碳和合金元素充分溶于奧氏體中，但也不宜過高，因?yàn)椋?）過高的加熱溫度不僅會引起晶粒粗大，還會使馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)太低，致使固溶完成后產(chǎn)生較多的殘余奧氏體；（2）過高的加熱溫度還可能使固溶組織中存在較多含量的鐵素體。固溶處理后的金相組織應(yīng)為含有過飽和銅的低碳板條狀馬氏體組織，有時(shí)可能存在少量殘留奧氏體和鐵素體。時(shí)效熱處理是為了時(shí)效析出富銅相，以提高其硬度和強(qiáng)度，一般在480℃左右可獲得最高的硬度和強(qiáng)度；隨著時(shí)效溫度的升高，硬度和強(qiáng)度下降，塑性和韌性提高。為了保證沉淀相的充分析出和時(shí)效效果，時(shí)效的保溫時(shí)間一般不少于4h。

3.3　執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)差異

作為馬氏體沉淀硬化不銹鋼，X6CrNiCu17-04的合金成分中，除鉻、鎳、銅外，應(yīng)含有0.15～0.45%的鈮，而釩作為提高淬透性和硬度作用的合金元素，不應(yīng)加入，如 GB/T 1220中對應(yīng)的05Cr17Ni4Cu4Nb，其Nb含量要求為0.15～0.45%。

在RCC-M英文版2000版和2007版，以及其間2002補(bǔ) 遺 和 2005補(bǔ) 遺 的 M5110中 ， 對 于X6CrNiCu17-04，均將化學(xué)成分鈮錯誤的寫為釩；在RCC-M 2012英文版中，才將該錯誤糾正為含釩。

據(jù)此可以得知，閥桿鋼棒斷裂失效的最根本原因是由于制造廠在嚴(yán)格按照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)采購鋼棒時(shí)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)錯誤，而導(dǎo)致該類鋼中本應(yīng)該含鈮，卻變成了含釩。由于釩具有強(qiáng)烈的淬透和二次硬化作用，導(dǎo)致鋼棒的硬度遠(yuǎn)大于規(guī)定值（如圖3），同時(shí)沖擊值明顯小于規(guī)定值（如表2）。

由于鈮的缺失，鋼中未能形成碳化鈮，且由于鋼棒表面溫度較高，使得表面金相組織中晶粒明顯長大；同時(shí)粗大的晶粒會使馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)變低，致使熱處理完成后，除馬氏體外，還包含少量殘余奧氏體和鐵素體。由于心部溫度相對較低，形成了均勻的馬氏體組織。

4　小結(jié)

（1）閥桿鋼棒斷裂失效的根本原因是由于在按照RCC-M M5110(2000版+2002補(bǔ)遺)采購時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)的錯誤，導(dǎo)致鋼中本應(yīng)該存在的鈮變成了釩，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度較高，沖擊韌性較差。

（2）由于鈮的缺失，另外鋼棒表面熱處理時(shí)溫度較高，使得表面區(qū)域的金相組織為殘余奧氏體+馬氏體+鐵素體；而心部由于熱處理時(shí)溫度相對較低，其金相組織為均勻的馬氏體組織。

【參考文獻(xiàn)】

［1］RCC-M,核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S].

［2］GB-T 4340 金屬維氏硬度試驗(yàn)[S].

［3］班允吉,林慶選,羅揚(yáng),等.17-4PH鋼軋制棒材低溫冷沖擊性能的研究,材料熱處理技術(shù)，2009，38(12),40-43.

［4］鄒紅,王均,李聰,等.17-4PH不銹鋼350℃長期時(shí)效組織演化的透射電鏡觀察，核動力工程，2005,26(4)：397-401.

［5］張文華.不銹鋼及其熱處理[M].遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2010.