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不銹鋼蝶閥銹蝕原因分析及解決辦法
材質(zhì)為 CF8M 的不銹鋼蝶閥在使用過程中出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼經(jīng)正常熱處理后，室溫下組織應(yīng)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(jìn)行分析。
1 試驗(yàn)方法
取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析（判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求）、金相組織檢查、熱處理工藝試驗(yàn)及 SEM 分析。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 化學(xué)成分
化學(xué)成分分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)成分見《表 1》。
《表 1》 化學(xué)成分分析結(jié)果 / %| 成分 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CF8M | 0.08 | 1.5 | 1.5 | 0.04 | 0.04 | 18~21 | 9~12 | 2~3 |
| 蝶閥 | 0.10 | 0.60 | 0.61 | 0.024 | 0.009 | 18.05 | 9.71 | 1.45 |
2.2 金相分析
從出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象的蝶閥上切取了金相試樣，經(jīng)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(jīng)正常熱處理后，應(yīng)得到均一奧氏體組織。組織中出現(xiàn)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(gè)共同的特點(diǎn)，那就是造成奧氏體不銹鋼對(duì)晶間腐蝕的敏感性。
首先采用了雜色法進(jìn)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?yōu)楹谏Ｓ蒙鲜龇椒▽牡y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(fā)現(xiàn)明顯變化。因此決定采用熱處理的方法進(jìn)一步試臉分析。
2.3 熱處理試驗(yàn)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(xué)成分、鐵素體、冷變形、溫變都不同程度地對(duì) σ 相形成產(chǎn)生影響。采用染色法試驗(yàn)，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(guān)資料介紹，σ 相通常是在 500~800℃ 長(zhǎng)期時(shí)效中形成的。這是因?yàn)檩^高的溫度下時(shí)效有利于鉻的擴(kuò)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(wěn)定溫度加熱可使之消除。形成 σ 相所需時(shí)間雖然很長(zhǎng)，但消除 σ 相一般只要短時(shí)間加熱即可。根據(jù)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(jīng)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。
2.4 SEM 分析
有時(shí)鋼中出現(xiàn)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?yàn)橐阎?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(cè)出未知相的組成元素及其含量，從而確定未知相。
對(duì)基體和析出相進(jìn)行的微區(qū)定量分析結(jié)果見《表 2》。
《表 2》 EDS 定量分析結(jié)果 / %| 成分 | Fe | Cr | Ni | Mo | Si | Mn |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 基體 | 70.463 | 16.365 | 10.211 | 1.239 | 0.466 | 1.257 |
| 析出相 | 56.908 | 33.629 | 3.681 | 4.835 | 0.040 | 0.907 |
EDS 分析結(jié)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(rèn)析出相為 σ 相。綜合染色試臉、熱處理試驗(yàn)的結(jié)果，認(rèn)為不銹鋼蝶閥組織中的析出相不是 σ 相。經(jīng) 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(tài)下使用。在室溫狀態(tài)下，其組織為奧氏體，奧氏體不銹鋼在廣泛的腐蝕介質(zhì)中特別是大氣中具有良好的抗腐蝕能力。對(duì)不銹鋼蝶閥銹蝕的原因分析如下：
① 綜合上述各項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)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(xiàn)象不是由 σ 相引起的。
② 通過 SEM 觀察，確認(rèn)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(jié)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 M<sub>23</sub>C<sub>6</sub> 型。隨碳化物的析出，又得不到鉻的擴(kuò)散補(bǔ)充時(shí)，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(qū)，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(jīng)固溶處理后的奧氏體不銹鋼，由于在高溫加熱時(shí)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(yīng)嚴(yán)格控制熱處理工藝，固溶處理時(shí)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(dǎo)致材料耐腐蝕性能降低。