閥體開裂原因分析

我公司生產的500kV高壓開關采用液壓操作。液壓機構的心臟部分二級閥閥體在操作試驗時發生開裂漏油事故。為此，我們對二級閥閥體開裂原因進行了分析。
1　閥體材質及使用狀況
1.1　材質
閥體材質為GCr15SiMn鋼，其化學成分見表1。其外形尺寸見圖1。
表1　閥體化學成分質量分數w（％）
C Si Mn Cr S P Ni
1.01 0.57 1.07 1.48 0.01 0.024 0.05

圖1　閥體外型尺寸

1.2　閥體制造工序
下料→退火→粗加工→淬火、回火→精加工→鍍鋅。閥體熱處理工藝見圖2，熱處理后硬度為57～59HRC。

圖2　閥體熱處理工藝曲線

1.3　使用狀況
閥體內承受32～34MPa油壓，于戶外使用，開裂均發生在操作100～200次以后。
2　宏觀檢查
圖3為閥體宏觀像，閥體開裂發生在油孔邊緣，長度約30mm，裂紋平直。

圖3　閥體開裂從油孔邊緣起始

3　斷口檢查
將閥體解體后斷口呈銀灰色，未被氧化和腐蝕，說明閥體裂紋既不是淬火裂紋也不是腐蝕裂紋，根據斷口形貌可以認為是瓷狀斷口，屬脆性斷裂。
斷口照片見圖4，由圖4可以看出裂紋斷口上有許多放射狀紋理。根據裂紋走向可以看出有兩處裂紋源，即箭頭1、箭頭2所指處。1處為*裂紋源，2處為*裂紋擴展到一定程度后才誘發產生的，裂紋源1位于不同平面交角附近。工作時估計此處有一定的應力集中。

圖4　裂紋斷口斷裂源部分　×6
（箭頭1、2各指一個斷裂源）

將裂紋源進一步放大，圖5為*裂紋源放大像，圖6為第二裂紋源放大像。可以看出兩處裂紋源均有二次裂紋，都以沿晶斷裂為主。

圖5　斷裂源1放大像

圖6　斷裂源2放大像

圖7、8為*裂紋源局部放大像。從圖7、8可以看出沿晶斷裂面上有一些析出顆粒及孔洞。經X射線能譜分析說明這種顆粒的鉻含量較基體約高1倍。X射線能譜分析結果見表2。估計這種析出的顆粒是（Fe、Cr）3C型碳化物。

圖7　斷裂源1局部放大像
（箭頭指晶界析出顆粒）

圖8　斷裂源1局部放大像
（箭頭指晶界孔洞）

表2　X射線能譜分析結果　w％
測量位置 Si S P Mn Cr Fe
晶界析出顆粒 0.6 0.11 0.08 0.96 2.97 95.38
基　　體 0.51 0.039 0.026 0.99 1.44 96.99
4　金相組織
金相試樣經深度腐蝕后可以看出有網狀碳化物沿晶界析出，這與斷口觀察結果一致。
5　開裂原因分析及驗證
斷口觀察說明閥體開裂有一個擴展過程，并不是瞬時斷裂，這與閥體經過100～200次操作試驗相符，反映了閥體開裂是逐漸發生的屬滯后破壞型，且閥體經過電鍍鋅，因此懷疑可能為氫脆所致。另外，GCr15SiMn鋼*類回火脆性區為200～400℃之間，而此閥體回火溫度恰在250～270℃之間，因此懷疑可能有*類回火脆性產生。
鑒于以上分析又進行了驗證試驗。
在閥體上取樣制備3點彎曲試樣，用線切割在試樣中間開槽，對試樣電解充氫，其中電解液為10％鹽酸水溶液，電壓6V、充氫時間30min。以3點彎曲方式對充氫試樣加80％屈服載荷的力，經10min后斷裂仍以沿晶斷口為主，見圖9，可以看出斷口形貌與圖5相近，說明閥體開裂確系氫脆所至。

圖9　閥體滯后破壞型氫脆斷口

為驗證閥體開裂是否為回火脆性引起，仍在閥體上取樣制備3點彎曲試樣，將試樣430℃×2h回火后，以3點彎曲方式將試樣折斷，其斷口照片見圖10，可以看出斷口基本上為穿晶斷口，很少見沿晶斷口。回火后硬度為46HRC，因此開裂閥體的回火溫度為430℃時避免了*類回火脆性區，沿晶脆斷就可以基本消除。抗彎強度也由原來的305MPa提高到762MPa，這充分證明了閥體開裂的沿晶脆斷確實是由*類回火脆性引起的。

圖10　閥體經430℃×2h空冷處理后的瞬斷斷口

6　改進措施及效果
將回火溫度控制在400～450℃之間避開*類回火脆性區。實際生產中采用430±10℃。并增加電鍍鋅后的去氫工藝。改進工藝后的閥體經過近百次的操作試驗尚未出現閥體開裂現象。