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金相分析在閥門鑄鋼件起的作用
金相分析在閥門鑄鋼件起的作用
1、概述：鑄鋼件通過適當(dāng)?shù)姆绞�，改變或保持了有利于鑄鋼件的內(nèi)部組織，使材料塑性更佳、強度更高，并符合一定溫度、壓力、和環(huán)境下的使用要求，這就是鑄鋼件需要熱處理的目的。而金相分析則是檢驗與分析鑄件熱處理狀態(tài)的工具，幫助人們從微觀了解鑄鋼件內(nèi)部組織和熱處理狀態(tài)，達到安全使用鑄鋼件的目的。南京華欣分析儀器制造有限公司生產(chǎn)的HX-JX2型金相分析儀就可以滿足這個需求。
2、鑄鋼件力學(xué)性能與金相檢驗關(guān)系
2.1一般情況下，合同里未注明需要對鑄鋼件進行金相檢驗的，應(yīng)以該鑄鋼件的常規(guī)機械性能指標(biāo)為準（即抗拉強度、屈服強度、延伸率、斷面收縮率、沖擊性能、硬度），閥門制造商進行材料金相分析是監(jiān)控閥門中主關(guān)零部件的內(nèi)在質(zhì)量，了解特殊工序工藝執(zhí)行狀況，無需向閥門用戶提供金相檢驗報告，可自己留作檔案。
2.2在鑄鋼件金相分析實踐中，如出現(xiàn)評級不合格（如晶粒度稍低），但材料的力學(xué)性能卻是合格的，只要合同里沒有明確規(guī)定材料金相組織級別的，習(xí)慣上還是以機械性能指標(biāo)合格為準。又如，雙相不銹鋼中鐵素體含量偏高（不超出上限）引起晶粒粗大，但機械性能合格的，在不影響耐腐蝕情況下，就可以接受。
2.3 運用于特殊工況（抗硫、加氫、高溫、高壓等）的，制造商應(yīng)特別重視對材料的宏觀和微觀的檢驗分析，如材料中非金屬夾雜物含量、晶粒度、奧氏體不銹鋼中晶間腐蝕傾向和ɑ—相含量等，要明白，材料的顯微組織直接影響到機械零件的性能和使用壽命，材料的金相分析是防止“萬里長堤潰于一穴”的有效工具。
3、金屬組織顯微分析的作用
3.1 從中了解鑄鋼件熱處理工藝狀況
要確保鑄鋼件質(zhì)量安全可靠，必須制訂合適的熱處理工藝。如WCB鋼鑄件，一般采用正火工藝，內(nèi)部組織可得到粒狀鐵素體+珠光體，晶粒度一般為7-8級（放大倍數(shù)為100倍，下同），如采用退火工藝，則為片狀鐵素體+珠光體，晶粒度要粗1-2級，力學(xué)性能不及正火。如不進行熱處理，則金相顯示為鑄態(tài)的枝晶狀粗晶粒，力學(xué)性能很差，遠不能達標(biāo)。通過金相分析，就能夠判斷出鑄件供應(yīng)商是用了哪種熱處理工藝，或根本就未熱處理，從中可掌握鑄件的質(zhì)量狀況。
再如，一般閥桿都是用2Cr13鋼制作的，要求熱處理工藝為調(diào)質(zhì)，即淬火+高溫回火，得到回火索氏體組織，晶粒度一般可達9-11級。但如果只采用高溫回火（也稱退火），回火組織的晶粒就顯得稍粗，只有6-7級左右了，力學(xué)性能尤其是沖擊性能就會比調(diào)質(zhì)差，通過金相觀察完全可以掌握它的熱處理狀態(tài)。
當(dāng)然，對于鎳基合金是例外，因為無論采取何種熱處理形式，它的基體都是奧氏體（也稱單一固溶體）組織。
3.2 從中了解鑄鋼件熱處理操作質(zhì)量
通過金相分析還可掌握熱處理工藝的實際執(zhí)行狀況，如WCB鋼鑄件一般采用900°左右正火，但如果加熱溫度不到AC3相變線以上，或保溫時間不足，碳化物未能充分溶解于奧氏體中，冷卻后顯微分析，金相組織將有殘留鑄態(tài)枝晶組織，晶粒較粗，力學(xué)性能指標(biāo)大大低于標(biāo)準。如此鑄件是承壓殼體，又不巧用于高壓工況，管路中又遇上霎時高壓沖刷，此承壓殼體一定會破裂泄漏，引發(fā)惡性事故。
又如，CF8等不銹鋼鑄件，如采用退火工藝（緩冷）代替固溶處理工藝（快冷），那么，退火后的金相組織不可能是單一奧氏體組織，會存在一定數(shù)量的鐵素體，晶粒比固溶處理更粗，更由于鐵素體的存在，將影響鋼的耐腐蝕性能。
3.3從中了解鑄鋼件內(nèi)部縮孔夾雜等鑄造工藝狀況
由于鑄鋼件在工藝和澆冒口設(shè)計中的某些不足，會導(dǎo)致鑄鋼件的縮孔縮松缺陷，冶煉過程中，又不可避免地會有各種非金屬化合物（簡稱非金屬夾雜物）存在，這些夾雜的存在破壞了金屬基體的連續(xù)性，形成的空穴和尖銳角在熱處理時因為應(yīng)力集中極易產(chǎn)生裂紋，在承受載荷和沖擊時就會導(dǎo)致鑄鋼件斷裂失效。因此，許多用戶對使用于抗硫、加氫、高溫、高壓、低溫等特殊工況下的閥門承壓鑄鋼件，一般會要求在鑄件熱節(jié)部位做拍片處理，并規(guī)定缺陷的等級，以防患于未然。
例如，許多閥門的招標(biāo)書規(guī)定，鑄鋼件中硫化物、氧化鋁、硅酸鹽、球狀氧化物、單顆粒球狀類等夾雜物各單項含量應(yīng)≦2級，總含量應(yīng)≦5.5～6.0級。有抗硫要求的，硫化物含量還會被要求≦1.5級。
鑄鋼件拍片也對缺陷規(guī)定了相應(yīng)等級，如國標(biāo)JB/T6440-2008《閥門受壓鑄鋼件射線照相檢驗》，美標(biāo)ASTM E446-2010《厚度不大于1英寸的鑄鋼件的參考射線底片》等，許多標(biāo)書很低都要求3級以上，嚴苛工況要求2級以上，焊接坡口部位甚至要求達到1級。鑄鋼件內(nèi)部夾雜物越少越純凈，縮孔縮松氣孔等缺陷越少越致密，鑄件力學(xué)性能就越優(yōu)越，使用起來就越安全可靠。
3.4從中了解鑄鋼件失效的原因
承壓鑄鋼件在運行中如發(fā)生了非正常的斷裂或破損，可以通過對破損斷口的金相分析，來了解鑄件失效的真實原因，從而找到避免再犯的方法。閥門常見的斷裂失效形式主要有：1）閥體閥蓋的爆裂，2）閥桿的彎曲或折斷，3）栓接件的斷裂，4）閘板T型槽的斷裂，5）密封面咬合撕裂，6）特殊工況下SSC、SCC、HSC、HIC等形式的開裂。這些失效的零件經(jīng)過里因外查和斷口金相分析，一般都能找到失效的真正原因，幫助人們在鑄件材料使用、工作環(huán)境、生產(chǎn)工藝、尺寸設(shè)計等各環(huán)節(jié)上作出合理改進，消除不安全不可靠之隱患。
7、閥門鑄鋼件常用鋼種的熱處理工藝、金相組織及晶粒度參考數(shù)據(jù)
|
鋼 種 |
熱處理工藝 |
金相組織 |
晶粒度# |
零件名稱 |
|
WCA/WCB/WCC |
正火 |
粒狀鐵素體+珠光體 |
7-9級 |
閥體閥蓋 |
|
LCB/LCC/LF2 |
淬火+回火 |
極細小鐵素體+珠光體 |
8-10級 |
閥體閥蓋 |
|
C5 |
正火+回火 |
回火貝氏體 |
8-10級 |
閥體閥蓋 |
|
WC9 |
正火+回火 |
細晶粒鐵素體+回火馬氏體 |
9-11級 |
閥體閥蓋 |
|
WC6 |
正火+回火 |
鐵素體+貝氏體 |
8-10級 |
閥體閥蓋 |
|
CF3/CF8/CF8M |
固溶 |
奧氏體 |
7-9級 |
閥體閥蓋 |
|
4A/5A/6A |
固溶 |
奧氏體+鐵素體 |
7-9級 |
閥體閥蓋 |
|
Monel 400 |
固溶強化 |
奧氏體 |
6-7級 |
閥體閥蓋 |
|
HB-3(N3M) |
固溶 |
奧氏體 |
5-7 |
閥體閥蓋 |
|
C95500/C95800 |
退火
|
a+Ni-AL相+Ni-Fe-Al相 +Fe -AL相 |
4-5 |
閥體閥蓋 |
|
#：晶粒度評級圖現(xiàn)分為4個系列、1-15級，其中1-5級為粗晶粒，6-15級為細晶粒. |
||||
5、常用閥門材料金相組織評級與合格級別
|
檢驗項目 |
參考級別 |
合格級別 |
檢驗標(biāo)準號 |
標(biāo) 準 名 稱 |
|
帶狀組織 |
0—5級 |
≦2級 |
GB/T13299 |
鋼的顯微組織游離滲碳體、帶狀組織及魏氏組織評定方法 |
|
魏氏組織 |
0—5級 |
0級 |
同上 |
同上 |
|
調(diào)質(zhì)鋼淬火組織 |
1—8級 |
2—4級 |
JB/T9211 |
中碳鋼與中碳合金鋼馬氏體等級 |
|
彈簧鋼淬火組織 |
1—5級 |
1—3級 |
JB/T9129 |
60Si2Mn鋼螺旋彈簧金相檢驗 |
|
馬氏體不銹鋼晶粒度 |
0—15級 |
≧8級 |
GB/T6394 |
金屬平均晶粒度測定法 |
|
奧氏體不銹鋼晶粒度 |
0—15級 |
≧5級 |
GB/T6394 |
金屬平均晶粒度測定法 |
|
奧氏體不銹鋼ɑ相含量 |
0—4級 |
根據(jù)用戶要求 |
GB/T13305 |
不銹鋼中ɑ—相面積含量金相測定法 |
|
奧氏體不銹鋼非金屬夾雜物含量 |
0.5—3級 |
≦2級，或根據(jù)用戶要求 |
GB/T10561 |
鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準評級圖顯微檢驗法 |
|
奧氏體不銹鋼晶間腐蝕 |
酸蝕后有無裂紋 |
90°彎曲無裂紋 |
GB/T4334.5 |
不銹鋼硫酸—硫酸銅腐蝕試驗方法 |
|
雙相不銹鋼鐵素體含量 |
35—65% |
45—55% |
GB/T13305 |
不銹鋼中ɑ—相面積含量金相測定法 |
|
結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷 |
1—4級 |
≦2級 |
GB/T1979 |
結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖 |
|
滲氮層脆性 |
1-5級 |
1-2級 |
GB/T11354 |
鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗 |
|
滲氮層氮化物 |
1-5級 |
1-2級 |
GB/T11354 |
鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗 |
|
滲氮層疏松 |
1-5級 |
1-2級 |
GB/T11354 |
鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗 |
|
滲氮擴散層深度 |
0.10-0.20 mm |
≥0.10 mm |
GB/T11354 |
鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗 |
|
感應(yīng)淬火層 |
1-10級 |
3-9級 |
GB/T9204 |
鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗 |
|
低合金鑄鋼正火組織# |
1-8級
|
1-6級 |
TB/T3212.1-3 |
機車車輛用用低合金鑄鋼金相組織檢驗圖譜 |
|
低合金鑄鋼殘留鑄態(tài)組織 |
1-8級
|
不允許出現(xiàn) |
TB/T3212.1-3 |
機車車輛用用低合金鑄鋼金相組織檢驗圖譜 |
6. 結(jié)語
開展鑄件和材料的宏觀和微觀金相組織分析和研究，可以指導(dǎo)人們安全而可靠地使用金屬材料，是非常有用和科學(xué)的工具，對于閥門這樣的承壓機械，尤顯重要。但目前使用這一工具還不普遍，現(xiàn)行標(biāo)準也還不多，鑄鋼件在閥門中所占比例超過半壁江山，使用極廣泛，但至今尚無鑄鋼件內(nèi)部的非金屬夾雜物含量檢驗的標(biāo)準，目前執(zhí)行的GB/T10561鋼中非金屬夾雜物含量檢驗標(biāo)準僅適用于鍛制鋼件或軋制鋼件；碳鋼和合金鋼鑄件不同熱處理狀態(tài)下的金相組織及晶粒度標(biāo)準也遲遲未予頒布，在產(chǎn)品標(biāo)準化方面與國際接軌的差距還很大，我們南京華欣分析儀器制造有限公司仍須努力。
