圖 1轉鼓裂紋處宏觀形貌
某制藥廠對設備進行日常維護保養的過程中，在離心機表面發現裂紋。據委托方介紹，該離心機設備用于淀粉加工，內部工況存在熱蒸汽，使用年限約為3 a，轉鼓材料為304不銹鋼。進一步檢查后發現裂紋位于離心機轉鼓鼓底位置。
離心機作為固液分離設備，大量應用于化工、石油、食品、制藥、選礦、煤炭、水處理和船舶等領域。離心機的主要部件有：底座、外殼、轉鼓、電動機等，其中轉鼓是離心機的關鍵部件之一。304不銹鋼是300系列奧氏體不銹鋼中的典型鋼種，因其具有良好的耐腐蝕性能及機械加工性能，在食品、制藥、化工、石油等工業領域應用廣泛。相較于碳鋼，不銹鋼表面被完整的氧化膜所覆蓋，覆蓋度和致密性是決定不銹鋼耐腐蝕性能的關鍵[1]。筆者采用一系列理化檢驗方法分析該離心機轉鼓開裂的原因，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
轉鼓裂紋處宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：鼓底外表面裂紋大體沿著圓周方向擴展，鼓底內表面溝槽附近可見兩處裂紋，裂紋表面黃色銹跡較明顯。
在開裂轉鼓處取樣，試樣的裂紋由內表面開始向縱深方向擴展，形成穿透性裂紋，取樣完成后內表面的裂紋繼續擴展，基本完全沿鼓底錐面和平面交界處的溝槽擴展，界面呈一定角度，未圓滑過渡（見圖2）。
圖 2轉鼓取樣過程中裂紋處宏觀形貌
用機械方法打開裂紋，觀察斷口的宏觀形貌，結果如圖3所示。由圖3可知：斷口表面無明顯塑性變形。
圖 3斷口處宏觀形貌
1.2 化學成分分析
在開裂的轉鼓鼓底位置取樣，依據GB/T 11170—2008 《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》，采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：轉鼓試樣的化學成分符合GB/T 20878—2007 《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》及GB/T 222—2006 《鋼的成品化學成分允許偏差》的標準要求。
Table 1.轉鼓材料的化學成分分析結果
1.3 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
用丙酮清洗轉鼓斷口，利用掃描電子顯微鏡觀察轉鼓斷口，結果如圖4所示。由圖4可知：裂紋源處斷口呈河流花樣，斷口表面被泥狀腐蝕產物覆蓋；在循環應力的作用下，裂紋擴展區斷口表面有明顯的間距條痕。
圖 4斷口處SEM形貌
對斷口表面腐蝕產物覆蓋處進行能譜分析，結果如表2所示。由表2可知：腐蝕產物中C、O元素含量較高，斷口表面檢測到具有腐蝕性的S、Cl元素，其質量分數分別為1.19%和2.46%。
Table 2.斷口表面能譜分析結果
1.4 金相檢驗
在開裂轉鼓上截取試樣，將試樣進行鑲嵌、研磨和拋光處理，依據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，利用光學顯微鏡觀察試樣，結果如圖5所示。由圖5可知：試樣斷口附近存在樹枝狀裂紋；將試樣用10%（體積分數）草酸溶液電解腐蝕，可見試樣的顯微組織為奧氏體+鐵素體，有析出相沿晶界分布；將拋光后的試樣在高錳酸鉀水溶液中煮沸腐蝕，析出相呈彩虹色，確定析出相為σ相。
圖 5開裂轉鼓的微觀形貌
2. 綜合分析
離心機轉鼓鼓底錐面和平面交界處存在溝槽，界面呈一定角度，未圓滑過渡，鼓底裂紋由內表面開始向縱深方向擴展，形成穿透性裂紋，取樣完成后內表面的裂紋繼續沿溝槽擴展，斷口表面無明顯塑性變形。該離心機轉鼓的顯微組織為奧氏體+鐵素體，其中奧氏體晶粒較為粗大，σ相沿晶界析出。當奧氏體不銹鋼中存在適量鐵素體時，奧氏體不銹鋼對應力腐蝕的敏感性降低[2]，但會增大σ相的析出傾向。σ相是一種鉻、鉬元素含量較高的硬脆金屬間化合物，在晶界析出時會顯著降低不銹鋼的沖擊韌性[3]，同時造成周圍局部形成貧鉻區，加速腐蝕裂紋沿晶界的擴展，導致材料在氯離子介質中的腐蝕傾向加重[4]。另一方面，σ相的存在容易破壞金屬基體的均勻連續性，造成局部應力集中，促進微裂紋的產生，并在一定條件下加速裂紋的擴展，從而造成材料的早期破壞。奧氏體不銹鋼材料在固溶處理過程中，鋼中的析出物對不銹鋼的組織性能影響較大。離心機轉鼓斷口處可見微裂紋，裂紋呈樹枝狀沿晶界擴展；裂紋源處斷口呈河流花樣，斷口表面被泥狀腐蝕產物覆蓋，腐蝕產物中C、O元素含量較高，且存在具有腐蝕性的S及Cl元素，其中Cl元素的質量分數達到2.46%，說明該離心機轉鼓的工作介質中存在氯離子。
應力腐蝕開裂（SCC）宏觀上是一種脆性斷裂，拉伸應力（如工作載荷、冷加工或熱加工的殘余應力、裝配應力、腐蝕產物的楔力等）、特定的材料和環境組合是SCC發生的必要條件。當發生SCC時，不銹鋼表面鈍化膜的完整性被破壞，材料先形成微裂紋，再擴展為宏觀裂紋，微裂紋一旦形成即可快速擴展，直至材料破裂，因此SCC被認為是所有腐蝕類型中破壞性和危害性最大的一種失效形式[5]，應力腐蝕開裂也是奧氏體不銹鋼最主要的失效方式[6]。拉應力和腐蝕介質是導致材料發生應力腐蝕開裂的兩大因素，對于300系列奧氏體不銹鋼，介質中的氯離子是引起SCC的最常見物質[7]。
綜合以上分析結果，確認該離心機轉鼓的開裂性質為應力腐蝕開裂。離心機轉鼓鼓底在高速轉動的工況下承受較大拉應力和切應力，在介質中氯離子的作用下，轉鼓發生了應力腐蝕開裂，σ相和工作介質中腐蝕性元素硫進一步促進了裂紋擴展。
3. 結論與建議
離心機作為固液分離設備在正常工況下承受較大拉應力，轉鼓內表面在加工過程中未圓滑過渡，導致溝槽部位產生應力集中，在含有腐蝕性氯離子的熱蒸汽工作環境下，不銹鋼轉鼓發生了應力腐蝕開裂。固溶處理不當使轉鼓材料組織中出現硬脆的σ相，析出相周圍局部貧鉻區萌生了腐蝕裂紋，進一步促進了裂紋的擴展。
建議嚴格控制工作介質中氯離子等腐蝕性物質。選擇適當的熱處理工藝，如將材料完全置于流動水中快速冷卻，避免其析出σ相。檢修人員在設備使用前應對各部件進行仔細排查，避免因制造缺陷產生應力集中。
文章來源——材料與測試網