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阀体开裂原因分析
沈阳高压开关有限责任公司(沈阳 110025) 吕凤海
辽宁省轻工业学校 王玉坤
我公司生产的500kV高压开关采用液压操作。液压机构的心脏部分二级阀阀体在操作试验时发生开裂漏油事故。为此，我们对二级阀阀体开裂原因进行了分析。
1 阀体材质及使用状况
1.1 材质
阀体材质为GCr15SiMn钢，其化学成分见表1。其外形尺寸见图1。
图1 阀体外型尺寸
图2 阀体热处理工艺曲线
1.2 阀体制造工序
下料→退火→粗加工→淬火、回火→精加工→镀锌。阀体热处理工艺见图2，热处理后硬度为57～59HRC。
1.3 使用状况
阀体内承受32～34MPa油压，于户外使用，开裂均发生在操作100～200次以后。
2 宏观检查
图3为阀体宏观像，阀体开裂发生在油孔边缘，长度约30mm，裂纹平直。
图3 阀体开裂从油孔边缘起始
图4 裂纹断口断裂源部分 ×6
(箭头1、2各指一个断裂源)
3 断口检查
将阀体解体后断口呈银灰色，未被氧化和腐蚀，说明阀体裂纹既不是淬火裂纹也不是腐蚀裂纹，根据断口形貌可以认为是瓷状断口，属脆性断裂。
断口照片见图4，由图4可以看出裂纹断口上有许多放射状纹理。根据裂纹走向可以看出有两处裂纹源，即箭头1、箭头2所指处。1处为第一裂纹源，2处为第一裂纹扩展到一定程度后才诱发产生的，裂纹源1位于不同平面交角附近。工作时估计此处有一定的应力集中。
将裂纹源进一步放大，图5为第一裂纹源放大像，图6为第二裂纹源放大像。可以看出两处裂纹源均有二次裂纹，都以沿晶断裂为主。
图5 断裂源1放大像
图6 断裂源2放大像
图7 断裂源1局部放大像
图8 断裂源1局部放大像
(箭头指晶界析出颗粒)
(箭头指晶界孔洞)
图7、8为第一裂纹源局部放大像。从图7、8可以看出沿晶断裂面上有一些析出颗粒及孔洞。经X射线能谱分析说明这种颗粒的铬含量较基体约高1倍。X射线能谱分析结果见表2。估计这种析出的颗粒是(Fe、Cr)3C型碳化物。
4 金相组织
金相试样经深度腐蚀后可以看出有网状碳化物沿晶界析出，这与断口观察结果一致。
5 开裂原因分析及验证
断口观察说明阀体开裂有一个扩展过程，并不是瞬时断裂，这与阀体经过100～200次操作试验相符，反映了阀体开裂是逐渐发生的属滞后破坏型，且阀体经过电镀锌，因此怀疑可能为氢脆所致。另外，GCr15SiMn钢第一类回火脆性区为200～400℃之间，而此阀体回火温度恰在250～270℃之间，因此怀疑可能有第一类回火脆性产生。
鉴于以上分析又进行了验证试验。
在阀体上取样制备3点弯曲试样，用线切割在试样中间开槽，对试样电解充氢，其中电解液为10%盐酸水溶液，电压6V、充氢时间30min。以3点弯曲方式对充氢试样加80%屈服载荷的力，经10min后断裂仍以沿晶断口为主，见图9，可以看出断口形貌与图5相近，说明阀体开裂确系氢脆所至。为验证阀体开裂是否为回火脆性引起，仍在阀体上取样制备3点弯曲试样，将试样430℃×2h回火后，以3点弯曲方式将试样折断，其断口照片见图10，可以看出断口基本上为穿晶断口，很少见沿晶断口。回火后硬度为46HRC，因此开裂阀体的回火温度为430℃时避免了第一类回火脆性区，沿晶脆断就可以基本消除。抗弯强度也由原来的305MPa提高到762MPa，这充分证明了阀体开裂的沿晶脆断确实是由第一类回火脆性引起的。
图9 阀体滞后破坏型氢脆断口
图10 阀体经430℃×2h空冷处理后的瞬断断口
6 改进措施及效果
将回火温度控制在400～450℃之间避开第一类回火脆性区。实际生产中采用430±10℃。并增加电镀锌后的去氢工艺。改进工艺后的阀体经过近百次的操作试验尚未出现阀体开裂现象。
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