某泵軸鍍鉻層出現(xiàn)宏觀裂紋的分析與改進(jìn)

劉昊

（陽(yáng)江核電有限公司，廣東陽(yáng)江529941）

0 引 言

核電廠輔助給水系統(tǒng)（ASG）屬于專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施，其安全作用表現(xiàn)在主給水系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí)，ASG系統(tǒng)作為應(yīng)急手段向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)供水，使一回路維持一個(gè)冷源，排出堆芯剩余功率，直到堆芯余熱排除系統(tǒng)投入運(yùn)行為止。除電動(dòng)泵外，該系統(tǒng)還配置有2×100%容量的蒸汽驅(qū)動(dòng)輔助給水泵，額定轉(zhuǎn)速8000 r/min。按照核電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范，若1臺(tái)汽動(dòng)輔助給水泵不可用，機(jī)組須在3 d內(nèi)后撤；若2臺(tái)不可用，須在24 h內(nèi)后撤。該型號(hào)汽動(dòng)泵的水泵葉輪和汽輪機(jī)葉輪安裝在一根軸上，該軸由2個(gè)水潤(rùn)滑徑向軸承支撐。為提高泵軸與軸承接觸位置的耐磨性和耐腐蝕能力，廠家采用了鍍鉻工藝。鍍鉻層具有很高的硬度、耐磨性、耐熱性和耐腐蝕能力，但由于吸氫、氣體夾雜、基材表面處理、鍍液配比、電解條件、打磨加工等多個(gè)環(huán)節(jié)存在變量，鍍鉻層與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度和力學(xué)性能存在較大的波動(dòng)。本文將從鍍鉻層的主要性能指標(biāo)和影響鍍鉻層性能的因素出發(fā)，結(jié)合泵軸鍍鉻層脫落現(xiàn)象和有關(guān)研究資料，就缺陷原因、影響、改進(jìn)措施等進(jìn)行探討。

1 鍍鉻層主要性能指標(biāo)和影響因素

鍍鉻層的主要力學(xué)性能指標(biāo)包括硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，主要化學(xué)性能指標(biāo)是耐腐蝕性。影響鍍鉻層性能的主要因素包括吸氫、夾雜物、鍍液成分、電解條件、基材表面處理、后續(xù)處理和加工等。

1.1 硬度

鍍鉻層的硬度很高，一般采用顯微型硬度計(jì)來(lái)測(cè)定，通常可以達(dá)到200～600 HV。研究表明，鍍鉻層硬度與鍍液成分和電解條件密切相關(guān)，通過(guò)控制鍍液成分、電流密度和工作溫度，可以獲得不同的鍍層硬度[1]，如表1所示。電鍍鉻過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣會(huì)被部分吸入鍍層晶格，通過(guò)工藝優(yōu)化可以減少氫含量，但并不能消除。鍍層硬度越高，對(duì)氫脆則越敏感。當(dāng)硬度過(guò)高，鍍鉻層內(nèi)應(yīng)力增加到一定值時(shí)氫損傷將很?chē)?yán)重，以至于不能得到實(shí)際工程應(yīng)用。

表1 不同電解條件下鍍鉻層的硬度HV

1.2 耐磨性

耐磨性是決定鍍層壽命的重要條件，目前還沒(méi)有一種普遍適用并能準(zhǔn)確測(cè)定鍍層耐磨性的方法，實(shí)際生產(chǎn)中人們經(jīng)常根據(jù)硬度來(lái)推斷表面耐磨性，但研究表明耐磨性與硬度并非平行關(guān)系。一般機(jī)械零件摩擦面鍍鉻后耐磨性能可提高3倍以上，通過(guò)優(yōu)化鍍液和電解條件，甚至可以在普通鍍層基礎(chǔ)上再提高2～3倍[1]。

1.3 疲勞強(qiáng)度

鍍鉻層的疲勞強(qiáng)度包括抗剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和與基體的結(jié)合強(qiáng)度，具體如表2所示。研究表明，鍍鉻層的疲勞強(qiáng)度和硬度與鍍液溫度和電流密度密切相關(guān)，目前已有相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可供查詢(xún)。通過(guò)對(duì)基體金屬進(jìn)行鍍前處理，包括除油、吹砂、活化、拋光等，優(yōu)化電鍍工藝，鍍后進(jìn)行除氫和熱處理等，可以提升鍍層的結(jié)合力。

表2 不同電解條件下鍍鉻層的疲勞強(qiáng)度[1]

1.4 耐腐蝕能

鍍鉻層上客觀存在的微裂紋導(dǎo)致鍍層耐腐蝕性并不像理論上那么好，因此提升耐腐蝕性主要就是要減小微裂紋。目前主要有以下幾種提升耐腐蝕能力的方法：1）低于25 ℃的條件下冷鍍，可以得到光滑鵝毛狀鍍層，鍍層微裂紋大幅減少，耐腐蝕性能可顯著提升，但這種方法得到的鍍層結(jié)合力較差；2）鍍鉻后進(jìn)行油浴，油滲入并填滿(mǎn)鍍鉻層裂紋后隔絕了基體金屬和外界環(huán)境，也可以大大提升耐腐蝕性；3）引入ST催化劑鍍鉻，可以使鍍層裂紋從常規(guī)鍍鉻長(zhǎng)20～50 μm、寬超0.2 μm的裂紋尺寸（如圖1）細(xì)化到長(zhǎng)2～8 μm、寬0.1 μm的細(xì)小短淺微裂紋（如圖2），由于更細(xì)小的微裂紋不能延續(xù)到基體，因而起到了機(jī)械隔離作用，提升耐腐蝕能力[2]。

圖1 常規(guī)鍍鉻網(wǎng)紋(100條/cm2,100×)

圖2 ST-927鉻網(wǎng)紋(2000條/cm2,100×)

2 缺陷原因分析

圖3是大修期間發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)宏觀裂紋汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)子的照片，肉眼可以清楚地看到鍍鉻層的軸向裂紋。該裂紋是在使用之后首次檢修期間發(fā)現(xiàn)的，與磨削方向垂直，無(wú)其它可見(jiàn)網(wǎng)狀裂紋。

根據(jù)第1節(jié)介紹可知，精細(xì)的微裂紋在硬鉻中是正常的，但如果出現(xiàn)較明顯的宏觀裂紋，將導(dǎo)致抗疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性都急劇下降，必須進(jìn)行修復(fù)處理。而導(dǎo)致裂紋的因素，包括氫脆、基體表面處理、電鍍條件、鍍液成分、加工等，下面就這些因素進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

圖3 鍍鉻層裂紋照片

經(jīng)了解，泵軸鍍鉻廠家編有電鍍工藝程序，內(nèi)容包括電鍍前的基材工藝要求、詳細(xì)的電鍍過(guò)程指導(dǎo)程序、電鍍后機(jī)加磨削工序。鍍液成分和電解條件固定，基本無(wú)人為誤操作可能。偶然出現(xiàn)的偏差現(xiàn)象主要還是考慮電廠使用工況、泵軸電鍍前基材表面處理、電鍍后磨削等人工操作環(huán)節(jié)。經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)缺陷的泵軸與其它正常的泵軸運(yùn)行工況并沒(méi)有任何區(qū)別，可以排除電廠非正常運(yùn)行工況導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋的可能。廠家的電鍍程序?qū)τ诨臏?zhǔn)備，僅有加工尺寸和倒角要求，缺少粗糙度、表面活化相關(guān)規(guī)定，無(wú)法確認(rèn)操作人員的執(zhí)行結(jié)果。磨削工藝也僅包含操作步驟和尺寸要求，缺少走刀速度、冷卻液、砂輪等具體要求，依賴(lài)操作人員的經(jīng)驗(yàn)。另外，在該廠家的工藝程序中，也沒(méi)有找到除氫的相關(guān)工藝，氫損傷的可能性也比較大。綜上，鍍鉻層出現(xiàn)裂紋和剝落現(xiàn)象可能與鍍鉻前基材表面處理、鍍鉻后磨削、氫脆這三方面有關(guān)。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鍍鉻層由于硬度高、內(nèi)應(yīng)力大（氫脆）而產(chǎn)生的微裂紋一般多而且呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而氫脆不是出現(xiàn)軸向宏觀裂紋的直接原因，但由于廠家電鍍工藝文件缺少除氫相關(guān)操作，氫可能是延遲開(kāi)裂的誘導(dǎo)因素。廠家工藝文件缺少基體表面處理的詳細(xì)規(guī)定，但尚未發(fā)現(xiàn)鍍鉻層剝落的情況。發(fā)現(xiàn)缺陷后，廠家按照核電廠要求，根據(jù)ASTM b571《金屬覆蓋層附著力的定性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)存在宏觀裂紋的軸進(jìn)行了熱淬火試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明黏合強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了ASTM b571驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。圖3所示存在軸向裂紋的泵軸運(yùn)行一個(gè)周期后仍未出現(xiàn)剝落，也間接說(shuō)明結(jié)合力滿(mǎn)足要求，因而最有可能的直接原因就是磨削加工。相關(guān)文獻(xiàn)中的對(duì)比試驗(yàn)，同樣的工件采用磨削加工后產(chǎn)生了目視可見(jiàn)的軸向竹節(jié)狀裂紋，研磨加工的則未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂紋。實(shí)際上，泵軸采用磨削加工時(shí)，主要的磨削力Ft垂直于泵軸（圖4），是使鍍鉻層剝離的力，其方向與鍍鉻層吸氫后產(chǎn)生的內(nèi)部拉應(yīng)力方向相同而疊加，超過(guò)鍍鉻層的強(qiáng)度極限，從而產(chǎn)生垂直于磨削方向的軸向裂紋[3]。資料顯示，磨削力Ft的大小與切削深度ap、工件轉(zhuǎn)速vw、軸向走刀速度f(wàn)a成正相關(guān)[4]：

因此，在一定的工件轉(zhuǎn)速下，如果切削深度、軸向走刀速度沒(méi)控制好，或者砂輪等級(jí)不匹配，都有可能產(chǎn)生過(guò)大的磨削力和磨削熱量，從而產(chǎn)生軸向竹節(jié)狀宏觀裂紋。

圖4 磨削力分解示意圖[3]

3 結(jié) 語(yǔ)

綜合上述，無(wú)論是磨削裂紋還是疊加氫脆延遲裂紋，都與磨削加工有關(guān)。在合理平衡控制硬度和電鍍過(guò)程吸氫的前提下，通過(guò)優(yōu)化工序減少磨削量，有利于減小磨削應(yīng)力和磨削過(guò)程吸氫。此外，嚴(yán)格控制磨削加工的進(jìn)給量和進(jìn)給速率，加強(qiáng)磨削過(guò)程的冷卻效果，對(duì)于控制應(yīng)力也至關(guān)重要。氫脆現(xiàn)象無(wú)法徹底消除，但在作業(yè)過(guò)程中，有必要固化規(guī)程，通過(guò)優(yōu)化電解條件、增加除氫操作盡可能降低含氫量，減小內(nèi)應(yīng)力。此外，應(yīng)在技術(shù)規(guī)范中要求鍍鉻廠家在產(chǎn)品完工后進(jìn)行細(xì)致的質(zhì)檢，避免缺陷產(chǎn)品進(jìn)入銷(xiāo)售流通環(huán)節(jié)。