通過金相、斷口、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試等，對材質(zhì)為20CrMoV的大型主汽閥閥殼鑄件在靜水壓試驗時發(fā)生爆裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該主汽閥閥殼爆裂的直接原因是鑄件內(nèi)壁存在未除盡的裂紋和補(bǔ)焊后形成的焊接裂紋，其間接原因是鑄件內(nèi)在質(zhì)量較差。

　　材質(zhì)為ZG20CrMoV的主汽閥閥殼，經(jīng)澆注、清理、正回火，粗加工后在鑄件內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)多處缺陷，在缺陷處進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊前在250～300℃預(yù)熱；最后在進(jìn)行靜水壓試驗時，當(dāng)水壓達(dá)到10MPa時，鑄件突然發(fā)生爆裂，爆裂后的宏觀形貌見圖1。為查清生產(chǎn)工序與發(fā)生爆裂的關(guān)系，本文對閥殼鑄件爆裂原因進(jìn)行了分析研究。

圖1 閥殼爆裂后宏觀外貌

1、檢驗方法

　　氣割掉閥殼鑄件堵頭部位，再用機(jī)械加工方法將鑄件從裂紋處打開，將鑄件分為上下兩塊后，對裂紋斷面宏觀觀察，觀察斷口斷裂源，并分別在斷裂源及無缺陷區(qū)用機(jī)械加工方法切取6塊試料，其中1#、2#為無缺陷區(qū)試料，3#～6#為斷裂源試料。

　　將4#試料備用，在3#試料上切取低倍試片，檢驗鑄件宏觀低倍組織，并在低倍試片上切取化學(xué)成分分析試樣和力學(xué)性能試樣，檢驗鑄件的化學(xué)成分及缺陷附近力學(xué)性能情況；在3#試料斷裂源處切取電鏡分析試樣，分析斷裂源區(qū)宏觀斷口形貌及微觀斷口形貌，磨制電鏡試樣內(nèi)壁面，分析斷裂源區(qū)缺陷微觀形貌以及組織、夾雜物、晶粒度等。

　　在1#、2#試料上各取力學(xué)性能試樣，檢驗鑄件力學(xué)性能，并磨制一件沖擊試樣，檢驗鑄件無缺陷區(qū)顯微組織、非金屬夾雜物及晶粒度，并與斷裂源區(qū)分析結(jié)果進(jìn)行對比分析。

　　將6#試料備用，在5#試料斷裂源區(qū)切取金相試樣，分析斷裂源區(qū)組織及缺陷微觀形貌，并將余料重新進(jìn)行回火處理，回火工藝為720℃×6h爐冷，回火處理后切取力學(xué)性能試樣，分析重新回火后，力學(xué)性能是否有所改善。

2、檢驗結(jié)果

2.1、宏觀斷口觀察結(jié)果

　　將閥殼沿裂紋打開后觀察，發(fā)現(xiàn)閥殼斷口為多源斷裂，斷裂源主要分為兩類，其中一類斷裂源(稱第一類斷裂源)宏觀形貌見圖2，另一類斷裂源是由焊接缺陷引起(稱第二類斷裂源)，其宏觀形貌見圖3。可以看出，第一類斷裂源主要分為三個區(qū)域，分別為：1區(qū)，斷裂源區(qū)，它是線斷裂源，是兩個不同平行臺階的連接平面，呈黑色，類似于夾渣形態(tài)；2區(qū)，斷裂擴(kuò)展區(qū)，該區(qū)沿斷裂源區(qū)擴(kuò)展，有明顯的擴(kuò)展條紋，在斷裂擴(kuò)展區(qū)還發(fā)現(xiàn)大尺寸空洞(長45mm、寬12mm、深150mm)；3區(qū)，瞬時斷裂區(qū)，主要分布在鑄件外壁，為最后斷裂的區(qū)域。

圖2 一類斷裂源宏觀形態(tài)局部放大圖

圖3 第二類斷裂源宏觀形貌

2.2、低倍檢驗結(jié)果

　　在3#試料上切取低倍試片，經(jīng)50%鹽酸水溶液熱蝕后觀察，鑄件低倍組織有比較嚴(yán)重的縮松、偏析和點(diǎn)狀孔洞缺陷，并有大尺寸縮孔，低倍組織宏觀形貌見圖4。

圖4 低倍組織宏觀形貌

2.3、化學(xué)成分分析結(jié)果

　　在低倍試片上切取化學(xué)成分分析用試樣，檢驗鑄件化學(xué)成分，結(jié)果見表1。除V略超出標(biāo)準(zhǔn)要求上限外，其余元素均符合JB/T3285-83[3]標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果w(%)

2.4、力學(xué)性能檢測結(jié)果

　　鑄件力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。可以看出，鑄件無缺陷區(qū)(1#、2#試料)的強(qiáng)度符合JB/T3285-83標(biāo)準(zhǔn)的要求，但鑄件塑性和韌性較差，δ、ψ、Aku2均不符合JB/T3285-83標(biāo)準(zhǔn)的要求；鑄件第一類斷裂源處(3#試料)強(qiáng)度指標(biāo)符合JB/T3285-83標(biāo)準(zhǔn)的要求，塑性和韌性與無缺陷區(qū)相比更差，仍不符合JB/T3285-83標(biāo)準(zhǔn)的要求；鑄件第二類斷裂源處(5#試料)經(jīng)重新回火后，力學(xué)性能檢測結(jié)果與沒有重新回火的1#、2#、3##試料檢測結(jié)果相比，塑性和韌性有明顯提高，強(qiáng)度、塑性均符合JB/T3285-83標(biāo)準(zhǔn)的要求，但韌性仍不符合JB/T3285-83標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 鑄件力學(xué)性能檢測結(jié)果

2.5、金相(高倍)檢驗結(jié)果

　　2.5.1 非金屬夾雜物檢驗結(jié)果

　　非金屬夾雜物檢驗結(jié)果見表3。第一類斷裂源區(qū)硫化物較多，有網(wǎng)狀和共晶硫化物存在，見圖5(a)；在無缺陷區(qū)也發(fā)現(xiàn)有堆積的氧化物，見圖5(b)。

表3 非金屬夾雜物檢驗結(jié)果

圖5 非金屬夾雜物

　　2.5.2 晶粒度檢驗結(jié)果

　　無缺陷區(qū)、第一類斷裂源區(qū)晶粒度差別不大，按GB/T6394-2002[1]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定，平均晶粒度均為6.0級。

　　2.5.3 顯微組織檢驗結(jié)果

　　無缺陷區(qū)、第一類斷裂源區(qū)顯微組織差別不大，均為鐵素體+粒狀珠光體，見圖6。

圖6 鑄件顯微組織

　　2.5.4 第一類斷裂源區(qū)缺陷微觀形態(tài)分析結(jié)果

　　在斷裂源處切取的電鏡試樣，磨制鑄件內(nèi)壁面，未經(jīng)腐蝕在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷是由疏松孔洞串聯(lián)起來的裂紋，見圖7，在裂紋內(nèi)充滿氧化物；經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象，在裂紋兩側(cè)發(fā)現(xiàn)有晶間微裂紋，見圖8。

圖7 斷裂源區(qū)裂紋形態(tài)

圖8 斷裂源區(qū)裂紋尾部晶間微裂紋形態(tài)

　　2.5.5 第二類斷裂源區(qū)(焊接缺陷區(qū))缺陷微觀形態(tài)分析結(jié)果

　　在第二類斷裂源區(qū)(焊接缺陷區(qū))切取金相試樣，磨制鑄件內(nèi)壁面，未經(jīng)腐蝕觀察，在焊接區(qū)內(nèi)有裂紋，見圖9，裂紋平直，相互之間有一定夾角，裂紋末端尖銳，類似淬火裂紋，裂紋內(nèi)有氧化物，經(jīng)腐蝕后觀察，焊接區(qū)組織為貝氏體，裂紋兩側(cè)未見脫碳現(xiàn)象，見圖10。

圖9 焊接區(qū)裂紋形態(tài)

圖10 焊接區(qū)裂紋與組織

2.6、掃描電鏡分析結(jié)果

　　第一類斷裂源區(qū)斷口微觀形貌為縮松，未見非金屬夾雜物及夾渣，見圖11，斷口正常區(qū)形態(tài)為準(zhǔn)解理。

圖11 斷裂源區(qū)縮松

3、分析與討論

　　(1)低倍檢驗已證實，鑄件存在比較嚴(yán)重的鑄造縮松、點(diǎn)狀孔洞缺陷以及大尺寸的縮孔；以上檢驗說明，該20CrMoV鑄件的澆注質(zhì)量是比較差的。

　　(2)從力學(xué)性能檢測結(jié)果來看，無論是鑄件斷裂源區(qū)，還是無缺陷區(qū)域，δ5、ψ等塑性指標(biāo)均不符合JB/T3285-83標(biāo)準(zhǔn)的要求；將試料按原熱處理工藝再重新回火一次，鑄件的力學(xué)性能有所提高，但仍不符合JB/T3285-83標(biāo)準(zhǔn)的要求，AKV2值依然很低，顯然，不難理解，鑄件力學(xué)性能主要因素是澆注質(zhì)量比較差。

　　(3)從無缺陷區(qū)與第一類斷裂源區(qū)的夾雜物、晶粒度以及顯微組織對比分析結(jié)果來看，第一類斷裂源區(qū)與正常區(qū)都存在較多夾雜物，晶粒度級別和顯微組織比較一致，因此，鑄件的爆裂與鑄件材料的夾雜物含量、晶粒度大小及組織狀態(tài)沒有直接關(guān)系，但非金屬夾雜物含量多，并存在共晶夾雜物、網(wǎng)狀夾雜物和堆積夾雜物，因而它是造成鑄件力學(xué)性能較差的因素之一。

　　(4)從電鏡分析結(jié)果可知，第一類斷裂源區(qū)斷裂源的微觀形貌為鑄造縮松，并未發(fā)現(xiàn)夾雜物及夾渣，因此，這進(jìn)一步證明，鑄件的爆裂，與材料的夾雜物沒有直接的關(guān)系。

　　(5)從第一類斷裂源的微觀形態(tài)分析看，斷裂源處存在由孔洞串聯(lián)起來的裂紋，裂紋內(nèi)部充滿氧化物，并且在裂紋兩側(cè)有數(shù)條晶界微裂紋；從焊接缺陷區(qū)斷裂源微觀形態(tài)分析看，在焊接缺陷區(qū)斷裂源也存在裂紋，并且在裂紋的內(nèi)部也充滿氧化物，這就可以肯定，鑄件爆裂的直接原因是鑄件內(nèi)壁存在未除盡的裂紋，以及補(bǔ)焊后形成的新的焊接裂紋，最后在鑄件試壓過程中，裂紋末端應(yīng)力集中逐漸增大，由于鑄件塑性和韌性較差，隨著水壓不斷增大，導(dǎo)致鑄件內(nèi)壁裂紋快速擴(kuò)展而產(chǎn)生過早爆裂。而鑄件塑性和韌性較差是由鑄件澆注質(zhì)量較差和夾雜物含量較多(共晶硫化物，網(wǎng)狀硫化物、堆積氧化物)所致，即鑄件內(nèi)在質(zhì)量較差所致。因此，鑄件內(nèi)在質(zhì)量較差是造成鑄件爆裂的間接原因，而鑄件內(nèi)壁存在未除盡的裂紋及補(bǔ)焊后形成的焊接裂紋才是造成該鑄件爆裂的直接原因。

4、結(jié)論

　　材質(zhì)為ZG20CrMoV的主汽閥閥殼爆裂的直接原因是鑄件內(nèi)壁存在未除盡的裂紋和補(bǔ)焊后形成的焊接裂紋，其間接原因是鑄件內(nèi)在質(zhì)量較差。