大型主汽閥閥殼鑄件爆裂原因分析

　　通過(guò)金相、斷口、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試等，對材質(zhì)為20CrMoV的大型主汽閥閥殼鑄件在靜水壓試驗時(shí)發(fā)生爆裂的原因進(jìn)行了分析。結果表明，該主汽閥閥殼爆裂的直接原因是鑄件內壁存在未除盡的裂紋和補焊后形成的焊接裂紋，其間接原因是鑄件內在質(zhì)量較差。

　　材質(zhì)為ZG20CrMoV的主汽閥閥殼，經(jīng)澆注、清理、正回火，粗加工后在鑄件內壁發(fā)現多處缺陷，在缺陷處進(jìn)行補焊，補焊前在250～300℃預熱；最后在進(jìn)行靜水壓試驗時(shí)，當水壓達到10MPa時(shí)，鑄件突然發(fā)生爆裂，爆裂后的宏觀(guān)形貌見(jiàn)圖1。為查清生產(chǎn)工序與發(fā)生爆裂的關(guān)系，本文對閥殼鑄件爆裂原因進(jìn)行了分析研究。

圖1 閥殼爆裂后宏觀(guān)外貌

1、檢驗方法

　　氣割掉閥殼鑄件堵頭部位，再用機械加工方法將鑄件從裂紋處打開(kāi)，將鑄件分為上下兩塊后，對裂紋斷面宏觀(guān)觀(guān)察，觀(guān)察斷口斷裂源，并分別在斷裂源及無(wú)缺陷區用機械加工方法切取6塊試料，其中1#、2#為無(wú)缺陷區試料，3#～6#為斷裂源試料。

　　將4#試料備用，在3#試料上切取低倍試片，檢驗鑄件宏觀(guān)低倍組織，并在低倍試片上切取化學(xué)成分分析試樣和力學(xué)性能試樣，檢驗鑄件的化學(xué)成分及缺陷附近力學(xué)性能情況；在3#試料斷裂源處切取電鏡分析試樣，分析斷裂源區宏觀(guān)斷口形貌及微觀(guān)斷口形貌，磨制電鏡試樣內壁面，分析斷裂源區缺陷微觀(guān)形貌以及組織、夾雜物、晶粒度等。

　　在1#、2#試料上各取力學(xué)性能試樣，檢驗鑄件力學(xué)性能，并磨制一件沖擊試樣，檢驗鑄件無(wú)缺陷區顯微組織、非金屬夾雜物及晶粒度，并與斷裂源區分析結果進(jìn)行對比分析。

　　將6#試料備用，在5#試料斷裂源區切取金相試樣，分析斷裂源區組織及缺陷微觀(guān)形貌，并將余料重新進(jìn)行回火處理，回火工藝為720℃×6h爐冷，回火處理后切取力學(xué)性能試樣，分析重新回火后，力學(xué)性能是否有所改善。

2、檢驗結果

2.1、宏觀(guān)斷口觀(guān)察結果

　　將閥殼沿裂紋打開(kāi)后觀(guān)察，發(fā)現閥殼斷口為多源斷裂，斷裂源主要分為兩類(lèi)，其中一類(lèi)斷裂源(稱(chēng)第一類(lèi)斷裂源)宏觀(guān)形貌見(jiàn)圖2，另一類(lèi)斷裂源是由焊接缺陷引起(稱(chēng)第二類(lèi)斷裂源)，其宏觀(guān)形貌見(jiàn)圖3�？梢钥闯�，第一類(lèi)斷裂源主要分為三個(gè)區域，分別為：1區，斷裂源區，它是線(xiàn)斷裂源，是兩個(gè)不同平行臺階的連接平面，呈黑色，類(lèi)似于夾渣形態(tài)；2區，斷裂擴展區，該區沿斷裂源區擴展，有明顯的擴展條紋，在斷裂擴展區還發(fā)現大尺寸空洞(長(cháng)45mm、寬12mm、深150mm)；3區，瞬時(shí)斷裂區，主要分布在鑄件外壁，為最后斷裂的區域。

圖2 一類(lèi)斷裂源宏觀(guān)形態(tài)局部放大圖

圖3 第二類(lèi)斷裂源宏觀(guān)形貌

2.2、低倍檢驗結果

　　在3#試料上切取低倍試片，經(jīng)50%鹽酸水溶液熱蝕后觀(guān)察，鑄件低倍組織有比較嚴重的縮松、偏析和點(diǎn)狀孔洞缺陷，并有大尺寸縮孔，低倍組織宏觀(guān)形貌見(jiàn)圖4。

圖4 低倍組織宏觀(guān)形貌

2.3、化學(xué)成分分析結果

　　在低倍試片上切取化學(xué)成分分析用試樣，檢驗鑄件化學(xué)成分，結果見(jiàn)表1。除V略超出標準要求上限外，其余元素均符合JB/T3285-83[3]標準的要求。

表1 化學(xué)成分分析結果w(%)

2.4、力學(xué)性能檢測結果

　　鑄件力學(xué)性能檢測結果見(jiàn)表2�？梢钥闯�，鑄件無(wú)缺陷區(1#、2#試料)的強度符合JB/T3285-83標準的要求，但鑄件塑性和韌性較差，δ、ψ、Aku2均不符合JB/T3285-83標準的要求；鑄件第一類(lèi)斷裂源處(3#試料)強度指標符合JB/T3285-83標準的要求，塑性和韌性與無(wú)缺陷區相比更差，仍不符合JB/T3285-83標準的要求；鑄件第二類(lèi)斷裂源處(5#試料)經(jīng)重新回火后，力學(xué)性能檢測結果與沒(méi)有重新回火的1#、2#、3##試料檢測結果相比，塑性和韌性有明顯提高，強度、塑性均符合JB/T3285-83標準的要求，但韌性仍不符合JB/T3285-83標準的要求。

表2 鑄件力學(xué)性能檢測結果

2.5、金相(高倍)檢驗結果

　　2.5.1 非金屬夾雜物檢驗結果

　　非金屬夾雜物檢驗結果見(jiàn)表3。第一類(lèi)斷裂源區硫化物較多，有網(wǎng)狀和共晶硫化物存在，見(jiàn)圖5(a)；在無(wú)缺陷區也發(fā)現有堆積的氧化物，見(jiàn)圖5(b)。

表3 非金屬夾雜物檢驗結果

圖5 非金屬夾雜物

　　2.5.2 晶粒度檢驗結果

　　無(wú)缺陷區、第一類(lèi)斷裂源區晶粒度差別不大，按GB/T6394-2002[1]標準進(jìn)行評定，平均晶粒度均為6.0級。

　　2.5.3 顯微組織檢驗結果

　　無(wú)缺陷區、第一類(lèi)斷裂源區顯微組織差別不大，均為鐵素體+粒狀珠光體，見(jiàn)圖6。

圖6 鑄件顯微組織

　　2.5.4 第一類(lèi)斷裂源區缺陷微觀(guān)形態(tài)分析結果

　　在斷裂源處切取的電鏡試樣，磨制鑄件內壁面，未經(jīng)腐蝕在顯微鏡下觀(guān)察，發(fā)現缺陷是由疏松孔洞串聯(lián)起來(lái)的裂紋，見(jiàn)圖7，在裂紋內充滿(mǎn)氧化物；經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀(guān)察，裂紋兩側未發(fā)現氧化脫碳現象，在裂紋兩側發(fā)現有晶間微裂紋，見(jiàn)圖8。

圖7 斷裂源區裂紋形態(tài)

圖8 斷裂源區裂紋尾部晶間微裂紋形態(tài)

　　2.5.5 第二類(lèi)斷裂源區(焊接缺陷區)缺陷微觀(guān)形態(tài)分析結果

　　在第二類(lèi)斷裂源區(焊接缺陷區)切取金相試樣，磨制鑄件內壁面，未經(jīng)腐蝕觀(guān)察，在焊接區內有裂紋，見(jiàn)圖9，裂紋平直，相互之間有一定夾角，裂紋末端尖銳，類(lèi)似淬火裂紋，裂紋內有氧化物，經(jīng)腐蝕后觀(guān)察，焊接區組織為貝氏體，裂紋兩側未見(jiàn)脫碳現象，見(jiàn)圖10。

圖9 焊接區裂紋形態(tài)

圖10 焊接區裂紋與組織

2.6、掃描電鏡分析結果

　　第一類(lèi)斷裂源區斷口微觀(guān)形貌為縮松，未見(jiàn)非金屬夾雜物及夾渣，見(jiàn)圖11，斷口正常區形態(tài)為準解理。

圖11 斷裂源區縮松

3、分析與討論

　　(1)低倍檢驗已證實(shí)，鑄件存在比較嚴重的鑄造縮松、點(diǎn)狀孔洞缺陷以及大尺寸的縮孔；以上檢驗說(shuō)明，該20CrMoV鑄件的澆注質(zhì)量是比較差的。

　　(2)從力學(xué)性能檢測結果來(lái)看，無(wú)論是鑄件斷裂源區，還是無(wú)缺陷區域，δ5、ψ等塑性指標均不符合JB/T3285-83標準的要求；將試料按原熱處理工藝再重新回火一次，鑄件的力學(xué)性能有所提高，但仍不符合JB/T3285-83標準的要求，AKV2值依然很低，顯然，不難理解，鑄件力學(xué)性能主要因素是澆注質(zhì)量比較差。

　　(3)從無(wú)缺陷區與第一類(lèi)斷裂源區的夾雜物、晶粒度以及顯微組織對比分析結果來(lái)看，第一類(lèi)斷裂源區與正常區都存在較多夾雜物，晶粒度級別和顯微組織比較一致，因此，鑄件的爆裂與鑄件材料的夾雜物含量、晶粒度大小及組織狀態(tài)沒(méi)有直接關(guān)系，但非金屬夾雜物含量多，并存在共晶夾雜物、網(wǎng)狀夾雜物和堆積夾雜物，因而它是造成鑄件力學(xué)性能較差的因素之一。

　　(4)從電鏡分析結果可知，第一類(lèi)斷裂源區斷裂源的微觀(guān)形貌為鑄造縮松，并未發(fā)現夾雜物及夾渣，因此，這進(jìn)一步證明，鑄件的爆裂，與材料的夾雜物沒(méi)有直接的關(guān)系。

　　(5)從第一類(lèi)斷裂源的微觀(guān)形態(tài)分析看，斷裂源處存在由孔洞串聯(lián)起來(lái)的裂紋，裂紋內部充滿(mǎn)氧化物，并且在裂紋兩側有數條晶界微裂紋；從焊接缺陷區斷裂源微觀(guān)形態(tài)分析看，在焊接缺陷區斷裂源也存在裂紋，并且在裂紋的內部也充滿(mǎn)氧化物，這就可以肯定，鑄件爆裂的直接原因是鑄件內壁存在未除盡的裂紋，以及補焊后形成的新的焊接裂紋，最后在鑄件試壓過(guò)程中，裂紋末端應力集中逐漸增大，由于鑄件塑性和韌性較差，隨著(zhù)水壓不斷增大，導致鑄件內壁裂紋快速擴展而產(chǎn)生過(guò)早爆裂。而鑄件塑性和韌性較差是由鑄件澆注質(zhì)量較差和夾雜物含量較多(共晶硫化物，網(wǎng)狀硫化物、堆積氧化物)所致，即鑄件內在質(zhì)量較差所致。因此，鑄件內在質(zhì)量較差是造成鑄件爆裂的間接原因，而鑄件內壁存在未除盡的裂紋及補焊后形成的焊接裂紋才是造成該鑄件爆裂的直接原因。

4、結論

　　材質(zhì)為ZG20CrMoV的主汽閥閥殼爆裂的直接原因是鑄件內壁存在未除盡的裂紋和補焊后形成的焊接裂紋，其間接原因是鑄件內在質(zhì)量較差。