17-4PH泵軸斷裂失效原因分析

孫 奇，馬騰云，任 鶴，關(guān) 曉

（1.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；3.一重集團(tuán)大連核電石化有限公司，遼寧 大連 116113；4.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110869）

某廠泵軸在運(yùn)行過程中出現(xiàn)兩次斷軸問題，發(fā)現(xiàn)其斷裂位置位于軸肩處，如圖1所示。為了查明泵軸在運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂的原因，防止此類事故再次發(fā)生，并且提出切實(shí)可行的改進(jìn)措施，對(duì)斷后的泵軸進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)分析。

圖1 斷軸的宏觀照片

泵軸材質(zhì)為馬氏體沉淀硬化鋼17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb），經(jīng)固溶、時(shí)效處理后使用。通常，經(jīng)過熱處理后，17-4PH不銹鋼具有良好的綜合力學(xué)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(qiáng)度，其熱處理工藝相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，經(jīng)過不同的熱處理工藝可以獲得不同的強(qiáng)韌性配合。因此，其廣泛應(yīng)用于各類機(jī)電產(chǎn)品的主軸、閥桿、配件等[1]。該軸工作介質(zhì)為灰水，工作溫度為150°，轉(zhuǎn)速為2980r/min，軸功率為507.5kW，斷裂處直徑為75mm。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)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(shí)效處理，冷卻方式分別為油冷和空冷。利用電火花線切割機(jī)對(duì)斷軸進(jìn)行試樣的切取，并主要進(jìn)行了金相檢測(cè)、成分檢驗(yàn)、顯微硬度測(cè)試、沖擊測(cè)試以及H元素檢測(cè)。

1.1 金相檢測(cè)

金相試件拋光后通過電解飽和草酸對(duì)試樣進(jìn)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(jù)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(zhǎng)短不一，沿著軸向規(guī)則排列，因此可以判斷條狀鐵素體形成于鍛造加工時(shí)，后續(xù)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(yàn)

對(duì)試樣進(jìn)行了宏觀成分檢測(cè)、微區(qū)成分檢測(cè)以及斷軸近端口外表面的元素分析。

1.2.1 宏觀成分檢測(cè)

宏觀成分檢測(cè)試樣測(cè)試結(jié)果及17-4PH鋼標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分如表1所示。材料中各合金元素含量基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 宏觀成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

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(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)其表面進(jìn)行EDS分析，隨機(jī)取3個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 斷軸近斷口外表面元素分析檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

根據(jù)檢測(cè)結(jié)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(guān)[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(fā)生H2S腐蝕，因此泵軸的斷裂并非氫脆所致。

1.2.3 微區(qū)成分檢測(cè)

利用型號(hào)為SUPARR 55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)微區(qū)成分檢測(cè)試樣中隨機(jī)三個(gè)區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分檢測(cè)，所得結(jié)果如表3所示。

表3 微區(qū)檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

根據(jù)結(jié)果可知，泵軸內(nèi)微區(qū)成分偏差很小，可以判定不存在成分偏析。

1.3 顯微硬度測(cè)試

為了確定斷軸硬度是否滿足相應(yīng)要求，分別對(duì)斷軸軸向及徑向試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，每個(gè)試樣間隔0.5mm測(cè)試十個(gè)點(diǎn)并取平均值。斷軸軸向與徑向試樣的顯微硬度測(cè)試結(jié)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 1220-2007（≥277HBW）。

表4 顯微硬度測(cè)試結(jié)果（HV）

1.4 沖擊測(cè)試

為了確定斷軸力學(xué)性能是否滿足相應(yīng)要求，對(duì)斷軸進(jìn)行了沖擊測(cè)試，沖擊試驗(yàn)結(jié)果分別為122J、112J、118J。根據(jù)美標(biāo)ASTM A693-2016，17-4PH不銹鋼經(jīng)過固溶（1050℃±25℃）和時(shí)效（621℃±8℃，4h）處理后，其沖擊功應(yīng)不小于41J，而斷軸試樣沖擊功遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于41J，符合相應(yīng)力學(xué)性能要求。

1.5 H元素檢測(cè)

通過氧氮?dú)浞治鰞x對(duì)試樣進(jìn)行H元素檢測(cè)。H元素檢測(cè)結(jié)果如表5所示，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以看出，斷軸內(nèi)部H元素含量極低，在此認(rèn)為泵軸斷裂與氫脆關(guān)系不大。

表5 H元素檢測(cè)結(jié)果

2 分析與討論

根據(jù)斷軸的宏觀照片，可知斷軸斷裂于軸肩臺(tái)階處，且可以發(fā)現(xiàn)軸肩臺(tái)階處并未加工過渡圓角，導(dǎo)致此處在工作過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中過大的情況，分析認(rèn)為這是導(dǎo)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(duì)于軸向試樣，存在大量的條狀鐵素體。而根據(jù)工藝要求，泵軸進(jìn)行固溶+時(shí)效處理，所得到的組織應(yīng)為索氏體組織，因此，殘留的鐵素體推測(cè)實(shí)在原材料處理過程中產(chǎn)生的。條帶狀鐵素體屬于高溫形成相，通過后續(xù)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(xù)性，從而使得材料的韌性大幅降低。另外，金相組織中出現(xiàn)了大量的孔洞缺陷，熱加工、熱處理工藝無法產(chǎn)生孔洞缺陷，故而這與泵軸坯料有關(guān)。

材料的組織取決于其熱處理工藝，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該泵軸在使用前要經(jīng)過固溶+時(shí)效處理（具體的工藝參數(shù)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(huì)導(dǎo)致鐵素體增多，Ms點(diǎn)降低，并且會(huì)造成組織粗大。固溶溫度過低，合金元素及其相關(guān)碳化物來不及進(jìn)入奧氏體內(nèi)，從而使得組織內(nèi)成分不均勻，在后續(xù)形成馬氏體的過程中會(huì)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(duì)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?yàn)楣倘芴幚頊囟绕摺?/p>

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(tái)階未加工過渡圓角，導(dǎo)致此處應(yīng)力集中過大。另一方面是由于泵軸的后續(xù)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(nèi)存在大量的孔洞缺陷，不符合要求。

3 改進(jìn)措施

（1）從材料生產(chǎn)的源頭加強(qiáng)相關(guān)質(zhì)量文件的追蹤，并加強(qiáng)對(duì)原材料的檢測(cè)驗(yàn)收工作，規(guī)避使用不合格的材料。

（2）合理設(shè)計(jì)軸肩臺(tái)階過渡結(jié)構(gòu)，以此來緩解尺寸變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中過大的現(xiàn)象。

（3）適當(dāng)調(diào)整固溶處理的溫度，減少保溫時(shí)間，防止產(chǎn)生過多的條狀鐵素體。