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金相分析在阀门铸钢件质量控制中的作用

1、概述:铸钢件通过适当的方式,改变或保持了有利于铸钢件的内部组织,使材料塑性更佳、强度更高,并符合一定温度、压力、和环境下的使用要求,这就是铸钢件需要热处理的目的。而金相分析则是检验与分析铸件热处理状态的工具,帮助人们从微观了解铸钢件内部组织和热处理状态,达到安全使用铸钢件的目的。

2、阀门铸钢件常用钢种的热处理工艺、金相组织及晶粒度参考数据

钢  种

热处理工艺

金相组织

晶粒度#

零件名称

WCA/WCB/WCC

正火

粒状铁素体+珠光体

7-9级

阀体阀盖

LCB/LCC/LF2

淬火+回火

极细小铁素体+珠光体

8-10级

阀体阀盖

C5

正火+回火

回火贝氏体

8-10级

阀体阀盖

WC9

正火+回火

细晶粒铁素体+回火马氏体

9-11级

阀体阀盖

WC6

正火+回火

铁素体+贝氏体

8-10级

阀体阀盖

CF3/CF8/CF8M

固溶

奥氏体

7-9级

阀体阀盖

4A/5A/6A

固溶

奥氏体+铁素体

7-9级

阀体阀盖

Monel 400

固溶强化

奥氏体

6-7级

阀体阀盖

HB-3(N3M)

固溶

奥氏体

5-7

阀体阀盖

C95500/C95800

退火

 

a+Ni-AL相+Ni-Fe-Al相

+Fe -AL相

4-5

阀体阀盖

#:晶粒度评级图现分为4个系列、1-15级,其中1-5级为粗晶粒,6-15级为细晶粒.

3、金属组织显微分析的作用

3.1 从中了解铸钢件热处理工艺状况

要确保铸钢件质量安全可靠,必须制订合适的热处理工艺。如WCB钢铸件,一般采用正火工艺,内部组织可得到粒状铁素体+珠光体,晶粒度一般为7-8级(放大倍数为100倍,下同),如采用退火工艺,则为片状铁素体+珠光体,晶粒度要粗1-2级,力学性能不及正火。如不进行热处理,则金相显示为铸态的枝晶状粗晶粒,力学性能很差,远不能达标。通过金相分析,就能够判断出铸件供应商是用了哪种热处理工艺,或根本就未热处理,从中可掌握铸件的质量状况。

再如,一般阀杆都是用2Cr13钢制作的,要求热处理工艺为调质,即淬火+高温回火,得到回火索氏体组织,晶粒度一般可达9-11级。但如果只采用高温回火(也称退火),回火组织的晶粒就显得稍粗,只有6-7级左右了,力学性能尤其是冲击性能就会比调质差,通过金相观察完全可以掌握它的热处理状态。

当然,对于镍基合金是例外,因为无论采取何种热处理形式,它的基体都是奥氏体(也称单一固溶体)组织。

3.2 从中了解铸钢件热处理操作质量

通过金相分析还可掌握热处理工艺的实际执行状况,如WCB钢铸件一般采用900°左右正火,但如果加热温度不到AC3相变线以上,或保温时间不足,碳化物未能充分溶解于奥氏体中,冷却后显微分析,金相组织将有残留铸态枝晶组织,晶粒较粗,力学性能指标大大低于标准。如此铸件是承压壳体,又不巧用于高压工况,管路中又遇上霎时高压冲刷,此承压壳体一定会破裂泄漏,引发恶性事故。

又如,CF8等不锈钢铸件,如采用退火工艺(缓冷)代替固溶处理工艺(快冷),那么,退火后的金相组织不可能是单一奥氏体组织,会存在一定数量的铁素体,晶粒比固溶处理更粗,更由于铁素体的存在,将影响钢的耐腐蚀性能。

3.3从中了解铸钢件内部缩孔夹杂等铸造工艺状况

由于铸钢件在工艺和浇冒口设计中的某些不足,会导致铸钢件的缩孔缩松缺陷,冶炼过程中,又不可避免地会有各种非金属化合物(简称非金属夹杂物)存在,这些夹杂的存在破坏了金属基体的连续性,形成的空穴和尖锐角在热处理时因为应力集中极易产生裂纹,在承受载荷和冲击时就会导致铸钢件断裂失效。因此,许多用户对使用于抗硫、加氢、高温、高压、低温等特殊工况下的阀门承压铸钢件,一般会要求在铸件热节部位做拍片处理,并规定缺陷的等级,以防患于未然。

例如,许多阀门的招标书规定,铸钢件中硫化物、氧化铝、硅酸盐、球状氧化物、单颗粒球状类等夹杂物各单项含量应Q2级,总含量应Q5.5~6.0级。有抗硫要求的,硫化物含量还会被要求Q1.5级。

铸钢件拍片也对缺陷规定了相应等级,如国标JB/T6440-2008《阀门受压铸钢件射线照相检验》,美标ASTM E446-2010《厚度不大于1英寸的铸钢件的参考射线底片》等,许多标书最低都要求3级以上,严苛工况要求2级以上,焊接坡口部位甚至要求达到1级。铸钢件内部夹杂物越少越纯净,缩孔缩松气孔等缺陷越少越致密,铸件力学性能就越优越,使用起来就越安全可靠。

3.4从中了解铸钢件失效的原因

承压铸钢件在运行中如发生了非正常的断裂或破损,可以通过对破损断口的金相分析,来了解铸件失效的真实原因,从而找到避免再犯的方法。阀门常见的断裂失效形式主要有:1)阀体阀盖的爆裂,2)阀杆的弯曲或折断,3)栓接件的断裂,4)闸板T型槽的断裂,5)密封面咬合撕裂,6)特殊工况下SSC、SCC、HSC、HIC等形式的开裂。这些失效的零件经过里因外查和断口金相分析,一般都能找到失效的真正原因,帮助人们在铸件材料使用、工作环境、生产工艺、尺寸设计等各环节上作出合理改进,消除不安全不可靠之隐患。

4、常用阀门材料金相组织评级与合格级别(参考)

检验项目

参考级别

合格级别

检验标准号

标 准 名 称

带状组织

0—5级

Q2级

GB/T13299

钢的显微组织游离渗碳体、带状组织及魏氏组织评定方法

魏氏组织

0—5级

0级

同上

同上

调质钢淬火组织

1—8级

2—4级

JB/T9211

中碳钢与中碳合金钢马氏体等级

弹簧钢淬火组织

1—5级

1—3级

JB/T9129

60Si2Mn钢螺旋弹簧金相检验

马氏体不锈钢晶粒度

0—15级

R8级

GB/T6394

金属平均晶粒度测定法

奥氏体不锈钢晶粒度

0—15级

R5级

GB/T6394

金属平均晶粒度测定法

奥氏体不锈钢幌嗪量

0—4级

根据用户要求

GB/T13305

不锈钢中—相面积含量金相测定法

奥氏体不锈钢非金属夹杂物含量

0.5—3级

Q2级,或根据用户要求

GB/T10561

钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法

奥氏体不锈钢晶间腐蚀

酸蚀后有无裂纹

90°弯曲无裂纹

GB/T4334.5

不锈钢硫酸—硫酸铜腐蚀试验方法

双相不锈钢铁素体含量

35—65%

45—55%

GB/T13305

不锈钢中—相面积含量金相测定法

结构钢低倍组织缺陷

1—4级

Q2级

GB/T1979

结构钢低倍组织缺陷评级图

渗氮层脆性

1-5级

1-2级

GB/T11354

钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验

渗氮层氮化物

1-5级

1-2级

GB/T11354

钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验

渗氮层疏松

1-5级

1-2级

GB/T11354

钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验

渗氮扩散层深度

0.10-0.20

mm

≥0.10

mm

GB/T11354

钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验

感应淬火层

1-10级

3-9级

GB/T9204

钢件感应淬火金相检验

低合金铸钢正火组织#

1-8级

 

1-6级

TB/T3212.1-3

机车车辆用用低合金铸钢金相组织检验图谱

低合金铸钢残留铸态组织

1-8级

 

不允许出现

TB/T3212.1-3

机车车辆用用低合金铸钢金相组织检验图谱

#正火或正火+回火

5、铸钢件力学性能与金相检验关系

5.1一般情况下,合同里未注明需要对铸钢件进行金相检验的,应以该铸钢件的常规机械性能指标为准(即抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击性能、硬度),阀门制造商进行材料金相分析是监控阀门中主关零部件的内在质量,了解特殊工序工艺执行状况,无需向阀门用户提供金相检验报告,可自己留作档案。

5.2在铸钢件金相分析实践中,如出现评级不合格(如晶粒度稍低),但材料的力学性能却是合格的,只要合同里没有明确规定材料金相组织级别的,习惯上还是以机械性能指标合格为准。又如,双相不锈钢中铁素体含量偏高(不超出上限)引起晶粒粗大,但机械性能合格的,在不影响耐腐蚀情况下,就可以接受。

5.3 运用于特殊工况(抗硫、加氢、高温、高压等)的,制造商应特别重视对材料的宏观和微观的检验分析,如材料中非金属夹杂物含量、晶粒度、奥氏体不锈钢中晶间腐蚀倾向和—相含量等,要明白,材料的显微组织直接影响到机械零件的性能和使用寿命,材料的金相分析是防止“万里长堤溃于一穴”的有效工具。

6. 结语

开展铸件和材料的宏观和微观金相组织分析和研究,可以指导人们安全而可靠地使用金属材料,是非常有用和科学的工具,对于阀门这样的承压机械,尤显重要。但目前使用这一工具还不普遍,现行标准也还不多,铸钢件在阀门中所占比例超过半壁江山,使用极广泛,但至今尚无铸钢件内部的非金属夹杂物含量检验的国家标准,目前执行的GB/T10561钢中非金属夹杂物含量检验标准仅适用于锻制钢件或轧制钢件;碳钢和合金钢铸件不同热处理状态下的金相组织及晶粒度国家标准也迟迟未予颁布,在产品标准化方面与国际接轨的差距还很大,业内有志者仍须努力。

 

参考文献

[1]叶卫平.实用钢铁材料金相检验.机械工业出版社.2012.

[2]李炯辉.金属材料金相图谱.机械工业出版社.2006.

[3]张博.金相检验.机械工业出版社.2009.

[4]姚正耀.铸造手册-铸钢第2版.机械工业出版社.2007.

[5]张文华.不锈钢及其热处理.辽宁科学技术出版社.2010

[6]GB/T6394-2002.金属平均晶粒度测定法.

[7]GB/T10561-2005.钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法

[8]GB/T1979-2001.结构钢低倍组织缺陷评级图.