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不銹鋼蝶閥的化學成分分析及標準剖析

    不銹鋼蝶閥的材質為CF8M 在使用過程中出現銹蝕現象。奧氏體不銹鋼經正常熱處理后,室溫下組織應為奧氏體,耐蝕性能很好。為了分析蝶閥的銹蝕原因,在其上取樣進行分析。在取樣進行化學成分分析(判斷是否符合標準要求)、金相組織檢查、熱處理工藝試驗及 SEM 分析。的基礎上提出問題。

試驗結果及分析:化學成分分析結果及標準成分見《表 1》。

    1.金相分析:從出現銹蝕現象的蝶閥上切取了金相試樣,經磨制拋光后,用三氯化鐵水溶液腐蝕,在 Neophot-32 金相顯徽鏡上觀察分析,其金相組織由奧氏體與另一種析出物組成。從理論上講奧氏體不銹鋼經正常熱處理后,應得到均一奧氏體組織。組織中出現的另一析出物究竟是何組織,有兩種判斷:一是 σ 相,另一種是碳化物。σ 相與碳化物形成的條件不同,但都具有一個共同的特點,那就是造成奧氏體不銹鋼對晶間腐蝕的敏感性。

    首先采用了雜色法進行 σ 相的鑒別。采用堿性赤血鹽水溶液(赤血鹽 10g + 氫氧化鉀 10g + 水 100ml),試樣在該試劑中煮沸2~4 min 后,鐵素體呈黃色,碳化物被腐蝕,奧氏體呈光亮色,σ 相由褐色變為黑色。用上述方法將從蝶閥上切取的試樣在堿性赤血鹽水溶液中煮沸 4 min 后,在顯徽鏡下觀察,析出物保持了原形貌,未發現明顯變化。因此決定采用熱處理的方法進一步試臉分析。

    2.SEM 分析:有時鋼中出現的 σ 相,采用任何染色的方法均無法辨別其頗色,可采用 SEM 的分析方法來鑒別。因為已知 σ 相為鐵與鉻的化合物,含鉻量為 42%~48%,通過 EDS 定性和定量分析測出未知相的組成元素及其含量,從而確定未知相。

對基體和析出相進行的微區定量分析結果見《表 2》。

    EDS 分析結果表明,析出物的含鉻量為 33.6%,明顯高于基體中的 Cr 含量 16.3%,而 σ 相的含鉻量是 42%~48%,因而否認析出相為 σ 相。綜合染色試臉、熱處理試驗的結果,認為不銹鋼蝶閥組織中的析出相不是 σ 相。經 SEM 觀察析出相為一種共晶組織,是以鉻為主的碳化物。

    不銹鋼蝶閥的材料為鎳鉻奧氏體不銹鋼,這種材料一般都在固溶狀態下使用。在室溫狀態下,其組織為奧氏體,奧氏體不銹鋼在廣泛的腐蝕介質中特別是大氣中具有良好的抗腐蝕能力。對不銹鋼蝶閥銹蝕的原因分析如下:
    ① 綜合上述各項試驗的結果,可判定蝶閥材料組織中析出相不是 σ 相,故蝶閥的銹蝕現象不是由 σ 相引起的。
    ② 通過 SEM 觀察,確認蝶閥的組織中析出相是以鉻為主的碳化物,這種共晶組織沿晶界分布。EDS 分析結果表明這種分布在晶界上的碳化物鉻含量明顯高于基體。這種碳化物是 M23C6 型。隨碳化物的析出,又得不到鉻的擴散補充時,以碳化鉻的形式沿奧氏體晶界析出,在碳化物周圍形成貧鉻區,從而奧氏體不銹鋼晶界易被腐蝕。所以沿晶界析出的碳化物是造成蝶閥銹蝕的主要原因。
    ③ 經固溶處理后的奧氏體不銹鋼,由于在高溫加熱時大部分碳化物被溶解,奧氏體中飽和了大量的碳與鉻,并因隨后的快速冷卻而固定下來,使材料有很商的耐腐蝕性。因此應嚴格控制熱處理工藝,固溶處理時將工件加熱至高退,使碳化物充分溶解,然后迅速冷卻,得到均一奧氏休組織。固溶處理后,如果采用緩慢冷卻,在冷卻過程中碳化鉻將沿晶界析出,從而導致材料耐腐蝕性能降低。

  3.熱處理試驗分析:σ 相是一種鐵鉻原子比例大致相等的金屬間化合物。化學成分、鐵素體、冷變形、溫變都不同程度地對 σ 相形成產生影響。采用染色法試驗,在顯微鏡下觀察析出相變化不明顯,故采用了熱處理的方法來鑒別 σ 相。有關資料介紹,σ 相通常是在 500~800℃ 長期時效中形成的。這是因為較高的溫度下時效有利于鉻的擴散。再高溫度加熱 σ 相將開始溶解,溶解完畢至少要在 920℃ 以上。在高于 σ 相的穩定溫度加熱可使之消除。形成 σ 相所需時間雖然很長,但消除 σ 相一般只要短時間加熱即可。根據這一理論,制定了熱處理工藝,觀察組織中的析出相是否可以消除。將從蝶閥上切取的試樣加熱到 940℃,保溫 30 min,然后在 Neophot-32 金相顯微鏡上觀察分析。經熱處理后的試樣中的析出相沒有消除,并保持原形貌,由此證明了該組織中的析出相有可能不是 σ 相。
 

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