Monel 400合金阀体裂纹产生原因.pdf

28PTCA(PARTA:PHYS.TEST.)2023年第59 卷81理化检验-物理分册质量控制与失效分析D0I:10.11973/lhjy-w1202308007Monel400合金阀体裂纹产生原因尉成栋，赵洁芳（杭州制氧机研究所有限公司，杭州3 1 1 3 0 5）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：1 0 0 1-40 1 2(2 0 2 3)0 8-0 0 2 8-0 4Cause of cracks in Monel 400 alloy valve bodyWEI Chengdong,ZHAO Jiefang(Hangzhou Oxygen Plant Group Co.,Ltd.,Hangzhou 311305,China)Abstract:During the welding process of the valve,cracks appeared on the surface of the valve.The cause ofthe cracks was analyzed by means of macroscopic observation,chemical composition analysis,metallographicexamination,scanning electron microscopy and energy spectrum analysis.The results show that the main cause ofthe cracks was the residual incomplete reaction of electroslag in the smelting process.Keywords:Monel 400 alloy;valve body;non-metallic inclusion;crackMonel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、M o n e lK 50 0 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。阀体整体无明收稿日期：2 0 2 3-0 4-1 6作者简介：尉成栋（1 9 8 6 一），男，硕士，主要从事金属材料的理化检验与失效分析工作，2 3 2 42 2 7 3 4 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ASTMB5642019镍合金锻件的标准规范的要求。表1阀体的化学成分分析结果%质量分数项目CSiMnSNiFeCu实测值0.0350.2081.060.01064.801.7530.46标准值0.30.50632.528341.3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/T10561一2 0 0 5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。29尉成栋，Monel4oo金伐本裂纹产生原因理化检验-物理分册V19A40012800a)远离焊缝侧b)正面c)焊缝侧图1阀体宏观形貌图2 裂纹处断口宏观形貌100um图3裂纹附近非金属夹杂物微观形貌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。200 um图4焊缝附近裂纹微观形貌阀体显微组织形貌如图6 所示，由图6 可知：阀200m图5远离焊缝裂纹微观形貌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。1.4SEM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、A l、F、O等元素组成，其中为CaF2，为CaO和Al,O3，为基体氧化层，为Al,O：和CaO,为基体氧化层，为Al,O：和MgO,为Al2O：和CaF2。由此推断，该夹杂物是通过CaF2-Al,O-MgO-CaO-SiO，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、A l、M g 等元素未能形成气体析出，最终形成非金属夹杂物。表2各处夹杂物能谱分析结果%位置质量分数编号0SiMnA1NiFeCuCaFMg0.100.6022.7076.5968.1426.735.0764.620.230.7230.310.962.7866.7927.255.9664.700.680.3719.200.8514.19?65.9020.4613.5765.260.4725.853.055.3630尉成栋，Monel40o0合金阀体裂纹产生原因理化检验-物理分册50um50ma)热影响区b）裂纹附近，远离热影响区50um50umc)距焊缝1 0 mm基体d）远离热影响区基体图6阀体的显微组织形貌100um100um100uma)和位置b)位置c)?位置5100um100um100umd)位置e)位置f位置图7各处夹杂物SEM形貌Monel400的熔点为1 3 0 0 1 3 50，热加工温度为9 3 0 1 2 0 0，固溶温度通常为8 7 0 920，师帅等 5 提到选择渣系时，渣系的熔点需比合金熔点低1 0 0 2 0 0，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CaF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。31(上接第1 6 页）尉成栋，Monel4oo金全阀体裂纹产生原因理化检验-物理分册300m80um300um300uma)折断断口b)冷裂源）折展区d）瞬断区图8断口各区域SEM形貌表3 困断口能谱分析结果%位置质量分数编号OSiMnA1NiFeCuCaFMg6.990.123.4721.12 66.64 0.6163.050.771.521.5318.620.9612.862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。温度控制不稳定，轧制后盘条中的晶粒尺寸就会出现变化，有可能出现局部的晶粒不均匀，或较大范围的晶粒不均匀现象，形态特征比较复杂。正常加热和轧制工艺状态下，DL05电缆钢盘条铁素体晶粒的形态特征一般都是等轴的，而且分布较均匀，晶粒度的评价可以按照GB/T6394一2017标准进行评定。由于大生产质量检验需要较短的生产检验周期、较高的检验速率和检验效率，因此一般优先采用图谱比较法评价晶粒度。如果对晶粒度的级别测量要求较高，也可以采用面积法或者截点法。对于非正常加热和轧制状态下的DL05电缆钢盘条，晶粒形态特征表现为局部区域晶粒大小明显不同，且不均匀，可以按照GB/T241772009标准对晶粒度进行评定。DL05电缆钢盘条的晶粒总体较均匀，只有某一个点或区域出现一颗或几颗（一般不超过3 颗）比较大的晶粒，可以按照YB/T42902012标准进行晶粒度评价，在评定总体晶粒参考文献：1张涛，郑文杰，李才巨.冷拔后退火对Monel 400合金丝材的再结晶过程及力学性能的影响.金属热处理,2 0 2 2,47(1):56-6 2.2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，2 0 2 1，2 4（1）：8 2-86.3陆钰珍.特殊阀门用蒙乃尔合金性能及应用 J.机械研究与应用，2 0 2 0,3 3（2）：1 43-1 46,1 50.4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，2 0 2 2，2 8（3）：3 3-3 8.5师帅，耿鑫，姜周华，等.TiO2含量对于CaF2-Al,O3-CaO-MgO-TiOz五元电渣重熔渣系物性参数的影响J.工程科学学报，2 0 1 8，40（增刊1)：47-52.特征的基础上，把最大晶粒评定出来；另外，对于DL05电缆钢盘条中有一定变形形态特征的等轴晶，可以按照GB/T43352013标准进行晶粒度评价。4丝结语（1）D L 0 5电缆钢盘条的晶粒形态在实际生产中呈现多种形貌，只用一种方法评价不全面，不能真实科学地对其进行晶粒度评价。（2）国内不同的晶粒度检验标准有自已应用的对象及其表征和评价特点。将4种国家晶粒度检验标准联合使用，可以更准确地表征DL05电缆钢盘条晶粒的形态特征，评价晶粒的大小、形态、分布、占比等关键数据。（3）根据实际试样的晶粒形态，建立一个DL05电缆钢盘条晶粒形态表征和评价技术方法体系，能够科学、全面、客观和准确地表征和评价DL05电缆钢盘条的晶粒度，可在工艺的改善中发挥重要作用。