分享：Monel400合金閥體裂紋產生原因
摘 要:在閥門的焊接過程中,其表面出現了裂紋,采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、掃 描電鏡和能譜分析等方法對裂紋形成的原因進行了分析,結果表明:產生裂紋的主要原因是熔煉過 程中殘留了未完全反應的電渣。
關鍵詞:Monel400合金;閥體;非金屬夾雜物;裂紋
中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號: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,其具有強度高、耐腐蝕性好、耐磨性好等特點,在 海洋、化工等領域廣泛應用[1-3],其中固溶強化型的 Monel400、MonelK500合金常用于制造耐腐蝕性 閥門。
在某閥門的現場焊接時,其表面出現裂紋。該 閥門為成品采購件,材料為 Monel400合金,制造方 式為模鍛,狀態為固溶。筆者采用宏觀觀察、化學成 分分析、金相檢驗、掃描電鏡(SEM)及能譜分析等 方法對裂紋形成的原因進行分析,最后提出了改進 建議,以防止該類問題再次發生。
1 理化檢驗
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,裂紋未擴展至閥體內側。閥體整體無明 顯磕碰變形痕跡,焊縫端有輕微變色現象。
沿裂紋打開閥體,斷口宏觀形貌如圖2所示,由 圖2可知:裂紋區斷口無金屬光澤,呈山脊狀斷口特 征,裂紋頭部位置有呈帶狀分布的結晶狀夾雜物。 人為折斷部分斷口有明顯金屬光澤,整個斷口區域 可見明顯變形。
1.2 化學成分分析
閥體的化學成分分析結果如表1所示,由表1 可知:該閥體的化學成分符合 ASTM B564—2019 《鎳合金鍛件的標準規范》的要求。
1.3 金相檢驗
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 量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》,非金屬夾雜物 級別為D1.5級。
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 紋兩側有夾雜物和氧化層的痕跡,當裂紋擴展到接 近表面時,基本無支裂紋,整條裂紋寬度基本一致。 遠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,裂紋產生的直接原因是材料內部夾雜物,以及由 非焊接產生的熱應力。
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,熱影響區的平均晶粒度 為6.5級,閥體本體靠近熱影響區和遠離熱影響區 的平均晶粒度均為9級;裂紋附近存在混晶現象,細 晶區晶粒度為9級,粗晶區晶粒度為5.5級,該粗晶 區和細晶區強度有明顯差異[4]。由此可見,焊接對 閥體組織基本無影響。裂紋附近的混晶現象可能與 夾雜物有關。
1.4 SEM 和能譜分析
對夾雜物和氧化層進行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 CaF2-Al2O3-MgO-CaOSiO2 五元系電渣重熔的方式[5]進行熔煉的,熔煉過 程中電渣未完全反應導致 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,渣系的熔點需比 合金熔點低100~200℃,故電渣熔點可能低于鍛造 溫度,在鍛造過程中,電渣可能存在一定的流動性。 電渣分布與裂紋分布基本一致,電渣基本填充于裂 紋內部,并且裂紋兩側存在明顯氧化層,從而推測: 裂紋出現在鍛造階段,電渣具備一定流動性后,沿裂 紋向外擠壓擴展的可能性較大。
斷口各區域SEM 形貌如圖8所示,由圖8可 知:人為折斷區域有大量韌窩存在,為韌性斷口, 裂紋源位置呈解理特征。能譜分析結果如表3所 示,由表3可知,裂紋源堆積了大量 CaF2,形態與 CaF2 渣皮組織類似,擴展區平坦,為解理型斷口, 斷口表面基本被氧化層覆蓋,瞬斷區基本無塑性 變形特征。
2 結論與建議
1)在 Monel400合金熔煉過程中,有電渣殘 留,在鍛造時的熱變形、電渣以及由于電渣而產生的 混晶現象的綜合作用下,產生鍛造裂紋,而鍛造溫度 與電渣熔點接近,電渣受到鍛造變形的作用沿裂紋 向外流動,產生了電渣充滿裂紋內部的現象。
2)建議使用方加強對材料的質量控制,提高抽 檢頻率。
參考文獻:
[1] 張濤,鄭文杰,李才巨.冷拔后退火對 Monel400合金 絲材的再結晶過程及力學性能的影響[J].金屬熱處 理,2022,47(1):56-62.
[2] 翁文林,李雄,周懷杰,等.蒙乃爾合金在海洋石油管 線中的應用[J].石油和化工設備,2021,24(1):82- 86.
[3] 陸鈺珍.特殊閥門用蒙乃爾合金性能及應用[J].機械 研究與應用,2020,33(2):143-146,150.
[4] 方軼,劉庭耀.MonelK-500合金電渣重熔錠內裂紋 分析及改進措施[J].特鋼技術,2022,28(3):33-38.
[5] 師帥,耿鑫,姜周華,等.TiO2 含量對于 CaF2-Al2O3- CaO-MgO-TiO2 五元電渣重熔渣系物性參數的影響 [J].工程科學學報,2018,40(增刊1):47-52.
<文章來源 > 材料測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 8期 (pp:28-31)>
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