分享：Monel400合金阀体裂纹产生原因
摘 要:在阀门的焊接过程中,其表面出现了裂纹,采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫 描电镜和能谱分析等方法对裂纹形成的原因进行了分析,结果表明:产生裂纹的主要原因是熔炼过 程中残留了未完全反应的电渣。
关键词:Monel400合金;阀体;非金属夹杂物;裂纹
中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)08-0028-04
Monel合金是一种以铜为主要合金元素的镍合 金,其具有强度高、耐腐蚀性好、耐磨性好等特点,在 海洋、化工等领域广泛应用[1-3],其中固溶强化型的 Monel400、MonelK500合金常用于制造耐腐蚀性 阀门。
在某阀门的现场焊接时,其表面出现裂纹。该 阀门为成品采购件,材料为 Monel400合金,制造方 式为模锻,状态为固溶。笔者采用宏观观察、化学成 分分析、金相检验、扫描电镜(SEM)及能谱分析等 方法对裂纹形成的原因进行分析,最后提出了改进 建议,以防止该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
阀体宏观形貌如图1所示,箭头所指处为裂纹 所在位置,由图1可知:正面裂纹不明显,两端面有 明显裂纹,裂纹未扩展至阀体内侧。阀体整体无明 显磕碰变形痕迹,焊缝端有轻微变色现象。
沿裂纹打开阀体,断口宏观形貌如图2所示,由 图2可知:裂纹区断口无金属光泽,呈山脊状断口特 征,裂纹头部位置有呈带状分布的结晶状夹杂物。 人为折断部分断口有明显金属光泽,整个断口区域 可见明显变形。
1.2 化学成分分析
阀体的化学成分分析结果如表1所示,由表1 可知:该阀体的化学成分符合 ASTM B564—2019 《镍合金锻件的标准规范》的要求。
1.3 金相检验
阀体裂纹附近非金属夹杂物微观形貌如图3所 示,参照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》,非金属夹杂物 级别为D1.5级。
焊缝附近裂纹微观形貌如图4所示,由图4可 知:裂纹起始处有大块夹杂物,裂纹形状曲折,且裂 纹两侧有夹杂物和氧化层的痕迹,当裂纹扩展到接 近表面时,基本无支裂纹,整条裂纹宽度基本一致。 远离焊缝裂纹微观形貌如图5所示,由图5可知,裂 纹形貌和特征基本与焊缝附近的裂纹一致。由此推 测,裂纹产生的直接原因是材料内部夹杂物,以及由 非焊接产生的热应力。
阀体显微组织形貌如图6所示,由图6可知:阀体显微组织为单一奥氏体,热影响区的平均晶粒度 为6.5级,阀体本体靠近热影响区和远离热影响区 的平均晶粒度均为9级;裂纹附近存在混晶现象,细 晶区晶粒度为9级,粗晶区晶粒度为5.5级,该粗晶 区和细晶区强度有明显差异[4]。由此可见,焊接对 阀体组织基本无影响。裂纹附近的混晶现象可能与 夹杂物有关。
1.4 SEM 和能谱分析
对夹杂物和氧化层进行SEM 和能谱分析,各 处夹杂物SEM 形貌如图7所示,能谱分析结果如 表2所示,由表2可知:夹杂物主要由 Ca、Al、F、O 等元素组成,其中①为 CaF2,②为 CaO 和 Al2O3, ③为基体氧化层,④为 Al2O3 和 CaO,⑤为基体氧 化层,⑥为Al2O3 和 MgO,⑦为Al2O3 和CaF2。由 此推断,该夹杂物是通过 CaF2-Al2O3-MgO-CaOSiO2 五元系电渣重熔的方式[5]进行熔炼的,熔炼过 程中电渣未完全反应导致 Ca、Al、Mg等元素未能 形成气体析出,最终形成非金属夹杂物。
Monel400的熔点为1300~1350℃,热加工 温度为 930~1200 ℃,固溶温度通常为 870~ 920℃,师帅等[5]提到选择渣系时,渣系的熔点需比 合金熔点低100~200℃,故电渣熔点可能低于锻造 温度,在锻造过程中,电渣可能存在一定的流动性。 电渣分布与裂纹分布基本一致,电渣基本填充于裂 纹内部,并且裂纹两侧存在明显氧化层,从而推测: 裂纹出现在锻造阶段,电渣具备一定流动性后,沿裂 纹向外挤压扩展的可能性较大。
断口各区域SEM 形貌如图8所示,由图8可 知:人为折断区域有大量韧窝存在,为韧性断口, 裂纹源位置呈解理特征。能谱分析结果如表3所 示,由表3可知,裂纹源堆积了大量 CaF2,形态与 CaF2 渣皮组织类似,扩展区平坦,为解理型断口, 断口表面基本被氧化层覆盖,瞬断区基本无塑性 变形特征。
2 结论与建议
1)在 Monel400合金熔炼过程中,有电渣残 留,在锻造时的热变形、电渣以及由于电渣而产生的 混晶现象的综合作用下,产生锻造裂纹,而锻造温度 与电渣熔点接近,电渣受到锻造变形的作用沿裂纹 向外流动,产生了电渣充满裂纹内部的现象。
2)建议使用方加强对材料的质量控制,提高抽 检频率。
参考文献:
[1] 张涛,郑文杰,李才巨.冷拔后退火对 Monel400合金 丝材的再结晶过程及力学性能的影响[J].金属热处 理,2022,47(1):56-62.
[2] 翁文林,李雄,周怀杰,等.蒙乃尔合金在海洋石油管 线中的应用[J].石油和化工设备,2021,24(1):82- 86.
[3] 陆钰珍.特殊阀门用蒙乃尔合金性能及应用[J].机械 研究与应用,2020,33(2):143-146,150.
[4] 方轶,刘庭耀.MonelK-500合金电渣重熔锭内裂纹 分析及改进措施[J].特钢技术,2022,28(3):33-38.
[5] 师帅,耿鑫,姜周华,等.TiO2 含量对于 CaF2-Al2O3- CaO-MgO-TiO2 五元电渣重熔渣系物性参数的影响 [J].工程科学学报,2018,40(增刊1):47-52.
<文章来源 > 材料测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 8期 (pp:28-31)>
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