不銹鋼蝶閥銹蝕原因分析及解決辦法
蝶閥的名稱來源于翼狀結(jié)構(gòu)的蝶板,蝶板安裝于管道的直徑方向。在蝶閥閥體圓柱形通道內(nèi),圓盤形蝶板繞著軸線旋轉(zhuǎn)只需 90° 即可開閉閥門。
蝶閥結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。它只有少數(shù)幾個零件組成。而且只需旋轉(zhuǎn) 90° 即可快速啟閉,操作簡單。該閥具有良好的流體控制特性。
蝶閥處于完全開啟位置時,蝶板厚度是介質(zhì)流經(jīng)閥體時唯一的阻力。因此通過該閥所產(chǎn)生的壓力降很小。在閥門關(guān)閉運動中,蝶板朝著關(guān)閉位置轉(zhuǎn)動,介質(zhì)流動速度逐漸減小。該閥具有較好的流量控制特性。
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,在其上取樣進行分析。
1 試驗方法
取樣進行化學(xué)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。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1 化學(xué)成分
化學(xué)成分分析結(jié)果及標準成分見《表 1》。
《表 1》 化學(xué)成分分析結(jié)果 / %成分CSiMnPSCrNiMo
CF8M0.081.51.50.040.0418~219~122~3
蝶閥0.100.600.610.0240.00918.059.711.45
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?yōu)楹谏?。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(fā)現(xiàn)明顯變化。因此決定采用熱處理的方法進一步試臉分析。
2.3 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?;瘜W(xué)成分、鐵素體、冷變形、溫變都不同程度地對 σ 相形成產(chǎn)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(guān)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(wěn)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(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(qū)定量分析結(jié)果見《表 2》。
《表 2》 EDS 定量分析結(jié)果 / %成分FeCrNiMoSiMn
基體70.46316.36510.2111.2390.4661.257
析出相56.90833.6293.6814.8350.0400.907
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%,因而否認析出相為 σ 相。綜合染色試臉、熱處理試驗的結(jié)果,認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。對不銹鋼蝶閥銹蝕的原因分析如下:
?、?綜合上述各項試驗的結(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。
?、?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(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 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(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(dǎo)致材料耐腐蝕性能降低。
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