閥桿用X6CrNiCu17-04鋼棒斷裂失效原因分析

雷 欣 焦少陽 王 晰

（中國核電工程有限公司，中國 北京 100840）

0　引言

某核電機組閥門中的閥桿在安裝調試過程中，使用同一批材料的4臺閥門中的直徑為φ150mm的X6CrNiCu17-04閥桿均發生了斷裂，如圖1所示。

圖1　閥桿斷裂宏觀形貌圖

閥桿用棒材為按RCC-M （2000版+2002補遺）[1]M5110生產制造的X6CrNiCu17-04，化學成分如表1所示；可以看出實測化學成分滿足標準規定值。

根據M5110的規定，閥桿應熱處理應滿足下述要求：1020℃～1060℃固溶熱處理， 然后空冷或油冷到30℃或更低；然后在 595℃～620℃保溫（時效硬化）4h，后空冷。實際的熱處理條件為：固溶溫度是1040℃，固溶保溫時間 2h，然后油冷至26℃；時效熱處理時，時效溫度為620℃，保溫 4h，然后空冷。據此可以看出熱處理過程也完全滿足規范要求。

表1　X6CrNiCu17-04的化學成分（質量分數，w t%）

1　力學性能復驗

表2給出了室溫拉伸和沖擊試驗的規定值和復驗實測值，可以看出除室溫拉伸的抗拉強度滿足規定值以外，其他結果均不滿足規定要求，尤其是沖擊值明顯較低。

表 2 X6CrNiCu17-04閥桿（A級）的力學性能

沿半徑方向從邊緣向中心位置按GB/T 4340進行維氏硬度（HV）測試[2]，如圖 2所示，測試條件為載荷300gf，保載時間 15s。對測得的HV值，根據 GB/T 1172-1999轉換為布氏硬度(HBW)，具體結果如圖3所示。根據RCC-M M5110的要求，X6CrNiCu17-04在經過固溶處理+時效硬化后，其硬度值應大于等于302HBW，據此可以看出硬度檢測結果滿足規定要求。

圖2　硬度測試示意圖

圖3　硬度檢測結果

2　斷口形貌及金相組織分析

2.1　斷口形貌分析

對斷口區域，利用S-3400型電子掃描電鏡（SEM,scanning electron microscope）對T型斷口進行微觀觀察分析。首先對起裂位置S2處附近的斷口形貌進行了觀察分析，如圖2。經過仔細觀察后，在亞表面發現了裂紋源，經放大觀察為沿晶斷裂特征。

圖4　斷口附近形貌觀察

2.2　基體金相組織分析

在靠近斷口區域，截取試樣進行金相觀察。材料經打磨、拋光后，使用10m lHF+5m lHNO3+15m lHCL+70m l蒸餾水溶液腐蝕，時間約10min。其結果如圖3所示，圖3（a）為靠近表面金相組織，能明顯看出明顯的晶界，這表明存在較多的殘余奧氏體，同時晶粒內存在粗大的板條狀馬氏體和少量鐵素體；圖3（b）為心部組織，可以看出該組織為正常的馬氏體組織。研究表明[3-4]想要獲得高的沖擊韌性，金相組織應為不含δ鐵素體的低碳回火馬氏體組織，粗大的晶粒以及當組織中含δ鐵素體時，會明顯降低沖擊試驗結果值，由于靠近表明區域的較大晶粒及其中存在的δ鐵素體，導致沖擊韌性結果較差，和表2結果相吻合。

圖5　金相組織

3　原因分析

3.1　合金元素的影響[5]

在不銹鋼的合金元素中，鉻是最重要的元素。由于鉻形成的致密、穩定的Cr2O3薄膜的保護，阻止了介質對基體的繼續滲入腐蝕。研究表明Cr含量超過11.7%（對應Cr原子與鐵原子之比為1/8）時，可明顯提高鐵基體的電極電位，并具有明顯的耐蝕性。

鎳不僅是優良的耐腐蝕材料，而且可以增加鎳當量，擴大奧氏體區間，使得不銹鋼在含較多鉻時，可以通過加入適當鎳使不銹鋼在固溶熱處理后得到馬氏體組織；如果進一步提高鎳到8%左右（如廣泛使用的18-8奧氏體不銹鋼），即可獲得單相的奧氏體組織。

銅在沉淀硬化不銹鋼中，因時效處理析出富銅的強化相而使鋼強化；但銅含量過高時對韌性有影響，常控制銅含量不超過3.5%。

鈮是強烈形成碳化物的元素，比鉻更容易形成碳化物。鋼中加入部分鈮，就會使鋼中的鉻能盡量穩定地存在于固溶體中，使固溶體中有足以保證耐蝕性能的鉻含量，并可避免晶間存在貧鉻區，從而可有效防止晶間腐蝕。加入鈮也可以在時效期間起到沉淀硬化的作用，并阻礙時效時組織的晶粒長大傾向。

釩在不銹鋼中的作用是增強淬透性和形成碳化物，并且能耐高溫，有強烈的二次硬化作用，對提高硬度有顯著作用；并且能夠細化晶粒，穩定尺寸，一般常用于合金刀具鋼中。

3.2　熱處理制度的影響

X6CrNiCu17-04的熱處理制度為固溶+時效硬化。固溶加熱時應保證鋼中的碳和合金元素充分溶于奧氏體中，但也不宜過高，因為（1）過高的加熱溫度不僅會引起晶粒粗大，還會使馬氏體轉變點太低，致使固溶完成后產生較多的殘余奧氏體；（2）過高的加熱溫度還可能使固溶組織中存在較多含量的鐵素體。固溶處理后的金相組織應為含有過飽和銅的低碳板條狀馬氏體組織，有時可能存在少量殘留奧氏體和鐵素體。時效熱處理是為了時效析出富銅相，以提高其硬度和強度，一般在480℃左右可獲得最高的硬度和強度；隨著時效溫度的升高，硬度和強度下降，塑性和韌性提高。為了保證沉淀相的充分析出和時效效果，時效的保溫時間一般不少于4h。

3.3　執行標準差異

作為馬氏體沉淀硬化不銹鋼，X6CrNiCu17-04的合金成分中，除鉻、鎳、銅外，應含有0.15～0.45%的鈮，而釩作為提高淬透性和硬度作用的合金元素，不應加入，如 GB/T 1220中對應的05Cr17Ni4Cu4Nb，其Nb含量要求為0.15～0.45%。

在RCC-M英文版2000版和2007版，以及其間2002補 遺 和 2005補 遺 的 M5110中 ， 對 于X6CrNiCu17-04，均將化學成分鈮錯誤的寫為釩；在RCC-M 2012英文版中，才將該錯誤糾正為含釩。

據此可以得知，閥桿鋼棒斷裂失效的最根本原因是由于制造廠在嚴格按照RCC-M標準采購鋼棒時，因為標準錯誤，而導致該類鋼中本應該含鈮，卻變成了含釩。由于釩具有強烈的淬透和二次硬化作用，導致鋼棒的硬度遠大于規定值（如圖3），同時沖擊值明顯小于規定值（如表2）。

由于鈮的缺失，鋼中未能形成碳化鈮，且由于鋼棒表面溫度較高，使得表面金相組織中晶粒明顯長大；同時粗大的晶粒會使馬氏體轉變點變低，致使熱處理完成后，除馬氏體外，還包含少量殘余奧氏體和鐵素體。由于心部溫度相對較低，形成了均勻的馬氏體組織。

4　小結

（1）閥桿鋼棒斷裂失效的根本原因是由于在按照RCC-M M5110(2000版+2002補遺)采購時，由于標準的錯誤，導致鋼中本應該存在的鈮變成了釩，從而導致材料強度較高，沖擊韌性較差。

（2）由于鈮的缺失，另外鋼棒表面熱處理時溫度較高，使得表面區域的金相組織為殘余奧氏體+馬氏體+鐵素體；而心部由于熱處理時溫度相對較低，其金相組織為均勻的馬氏體組織。

【參考文獻】

［1］RCC-M,核島機械設備設計和建造規則[S].

［2］GB-T 4340 金屬維氏硬度試驗[S].

［3］班允吉,林慶選,羅揚,等.17-4PH鋼軋制棒材低溫冷沖擊性能的研究,材料熱處理技術，2009，38(12),40-43.

［4］鄒紅,王均,李聰,等.17-4PH不銹鋼350℃長期時效組織演化的透射電鏡觀察，核動力工程，2005,26(4)：397-401.

［5］張文華.不銹鋼及其熱處理[M].遼寧科學技術出版社,2010.