摘 要:某火电厂用316L钢球阀在表面渗碳热处理后产生凹坑及黑斑现象,严重影响了球阀使 用过程中的密封效果。采用宏观观察、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了该凹坑及黑斑的产生原 因。结果表明:球阀在渗碳过程中,温度和热处理时间控制不当,导致表面碳元素形成局部偏聚,形 成了局部黑色区域;Cr元素在表层区域形成短程扩散,并覆盖于表层,渗碳后以 M23C6 和Fe-Cr-C 化合物相形式析出,M23C6 以球状形式偏聚,随着运行过程发生脱落,并形成凹坑,元素在凹坑边缘 偏聚并析出有害相,析出和脱落交替作用,最终导致凹坑加速形成。

关键词:球阀;渗碳热处理;凹坑;黑斑;元素偏聚

中图分类号:TB31 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)03-0045-05

球阀的主要作用是通过在阀体内的旋转作业, 控制电力系统中部分管道工质的流通和截止[1]。球 阀外壁与阀体内壁之间存在时间较长、频次较高的 滑动摩擦作用,易使球阀外壁或阀体内壁产生磨损, 在运行过程中,流动工质会持续冲刷已经脱落的薄 弱区域,导致球阀表面开裂,并引发工质泄漏[2]。

在球阀产品生产过程中,通常会对球阀表面进 行硬化表面改性,主要方法有等离子喷涂、激光熔 覆、热喷涂、渗碳等,为提高批量化生产的效率,常用 渗碳方法进行表面改性。球阀渗碳过程产生的表面 缺陷主要有两种形式,一种是黑色块状凸起(黑斑) 缺陷,另一种是凹坑缺陷[3]。某火电厂用316L钢 球阀渗碳热处理后发现球阀表面局部产生凹坑及黑 斑缺陷,严重影响了球阀在旋转过程中的密封效果和表层硬度均匀性,该球阀直径为80mm,材料为 316L奥氏体不锈钢。笔者对该球阀进行一系列理 化检验,查明了凹坑及黑斑产生的原因,以期为提高 球阀产品的质量提供理论基础。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对表面存在凹坑和黑斑的球阀进行宏观观 察,结果如图1所示。由图1可知:球阀表面区域 A分布有密集的凹坑和黑斑,个别凹坑直径较大, 深度较深,区域B与区域 A形貌基本一致;表面凹 坑的平均直径约为0.18mm,最大凹坑直径约为 0.53mm,凹坑的平均间距约为1.86mm,分布较 为密集。

1.2 扫描电镜(SEM)分析

在球阀外表面和截面区域取样,采用线切割的 方法将试样加工为片状,然后用Apollo300型SEM 进行观察,试样观察方法如图2所示。

1.2.1 表面

球阀表面的SEM 形貌如图3所示,可见球阀 表面渗碳不均匀,碳元素偏聚引起球阀表面出现块 状析出,进而形成圆形黑斑;黑斑和凹坑的分布都较 为均匀、弥散,黑斑的平均直径约为22μm,凹坑的 平均直径约为121μm,均属于微观缺陷。

对不同析出程度的碳元素偏聚块状析出相进行 SEM 观察,结果如图4所示。由图4可知:在析出 初期时,块状析出相以暗斑形式分布在球阀表面;随 着渗碳时效处理的时间不断延长,该处形成碳元素 偏聚,并在表面形成黑色块状凸起,甚至块状聚集形 貌[4],此时黑色块状析出相附近并未产生明显的凹 坑形貌或其他析出相。

球阀表面部分析出相并未以块状凸起或聚集的 形式继续长大,而是形成球状析出相,其SEM 形貌如 图5所示。由图5可知:在形核初期,球状析出相尺 寸较小,未形成团聚,分布在块状析出相表面[5];随着 渗碳热处理工艺的进行,块状析出相长大、聚集,且其 附近球状析出相的尺寸开始增大,数量逐渐增多,并 形成团聚效应[6];随着球状析出相团聚尺寸不断增 大,该处基体开始产生凹陷,并伴有基体组织损失,球 状析出相和块状析出相发生脱落[7];最终基体表面形 成凹坑,凹坑周边伴有球状析出相的形貌组织。

1.2.2 截面

对球阀截面进行SEM 分析,结果如图6所示。 由图6可知:渗碳层呈锯齿状,为热处理和焊接过程 中材料表层的典型形貌[8],球阀表层距离锯尖的平 均厚度为413μm,球阀表层距离齿根的平均厚度为 352μm,渗碳层中分布有黑色块状析出相,该相与 表层黑色块状析出相的形貌和尺寸基本一致,平均 直径为18μm,说明该相为渗碳浓度过高时基体内 析出的块状化合物颗粒;将渗碳层分为C和D两个 区域,区域C黑色块状析出相分布密集,黑色块状 析出相平均间距约为35μm,且多靠近试样表层;区 域D黑色块状析出相平均间距为280μm,两个区 域析出相尺寸并无明显变化;球阀表层的黑色块状 析出相剥离于基体外,在试样磨抛过程中并未发生 形变,可推断其为基体内部和表层的硬质颗粒质 点[9]。

基材表面凹坑和块状析出相的SEM 形貌如图 7所示,可见黑色块状析出相与球状析出相(M23C6) 交替析出,形成共生状态。

1.3 能谱(EDS)分析

采用 QUANTAX 型 EDS分别对球阀表层不 同区域进行分析,结果如图8所示。由图8可知:球 阀表层均匀渗碳区域无碳元素偏聚导致的黑色形 貌;表层轻微渗碳不均区域存在因轻微碳元素偏聚 而导致的黑色区域,但该偏聚未形成明显析出相,形 貌仍与基体保持一致;表层明显渗碳不均区域存在因碳元素偏聚而导致的黑色块状析出相,且析出相 附着于球阀表层,黑色块状析出相几乎不含 Cr元 素,因此保持为黑色的块状碳化物[10];表层较严重 渗碳不均区域因块状碳化物的交替析出、脱落而形 成明显凹坑,凹坑内部区域为渗碳不均的黑色区域, 凹坑内形成了大量球状析出相,还有部分尚未脱落 的黑色块状析出相;凹坑内部球状析出相附着于凹 坑内部黑色块状析出相表面,形成球状团聚,球状析 出相和块状析出相为共生析出状态,球状析出相主 要含有Fe、C元素,同时含有少量Cr元素。

对 O元素及干扰元素Si、S进行计算排除[11], 可得出C、Fe元素含量(质量分数,下同)以及C、Fe 元素含量比随球阀表层不同区域的变化趋势(见图 9)。由图9可知,均匀渗碳表面 C、Fe元素含量比为18.9%,碳元素作为表面硬质改性的少量添加元 素,约占基体成分含量的1/5;黑色块状析出相中 C、Fe元素含量比约为1825.3%,高浓度的碳元素 形成偏聚效应,集合成硬质质点,约为基体成分的 18倍,其 他 区 域 的 C、Fe 元 素 含 量 比 均 介 于 18.9%~1825.3%。

2 综合分析

由上述理化检验结果可知:含碳析出相更容易 在碳元素含量较高的区域附近形成化合物并析 出[12],球状析出相均位于黑色块状析出相和脱落后 凹坑的周围,说明球状析出相更容易在碳元素含量 较高的块状析出相周围析出,C、Fe元素含量比直接 影响渗碳层的脆性及脱落减薄特性,C、Fe元素含量 比越大,该处渗碳层的脆性越大,脱落风险越大[13]。 Cr元素在球阀基材表层富集,同时因渗碳气氛而导 致球阀表层局部碳元素含量过高,使表层Cr元素与 C元素产生化合物,该区域含碳析出相 M23C6 和高 碳颗粒析出过量,最终形成黑色块状高碳Fe-C析出 相和球状Fe-Cr-C析出相。该两种物质均为硬质质 点,与基材形成剥离状态,结合不紧密,在球阀旋转 摩擦或碰撞过程中均有可能发生脱落,进而产生凹 坑。基材表面的凹坑加速了元素偏聚效应,进而加 速了碳颗粒的形成和球状相析出。M23C6 相和FeC相的析出和脱落交替作用,导致凹坑处变深,最终 形成大尺寸凹坑形貌,导致球阀表面密封失效。

3 结论

该球阀表面渗碳凹坑和黑斑产生的原因为,渗 碳热处理过程中,渗碳气氛浓度过高、渗碳时间过 长,导致碳元素发生偏聚,从而造成球阀外表面材料损失,并形成凹坑和黑斑。

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<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 3期 (pp:45-49)