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嘉峪检测网 2019-03-04 22:28
耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。其中，“生长”是指由于氧化性气体沿石墨边界和裂纹渗入铸铁内部造成的氧化，以及因Fe3C分解发生石墨化而引起铸件的体积膨胀。
耐热铸铁主要有硅系耐热铸铁、铬系耐热铸铁、铝系耐热铸铁、多元合金耐热铸铁、镍系耐热铸铁等，主要用于制造锅炉及其附件、排气支管、涡轮机壳体等。
某单位排气支管采用QTRSi4Mo耐热铸铁一体铸造成型，该排气支管与其余零件通过螺栓连接。排气支管内介质为高温燃气，高负荷时最高温度可达到650℃左右，外部为大气，该排气支管在运行约2000h时后发现开裂，如图1所示。
图1 开裂排气支管宏观形貌
本文将对开裂的排气支管解剖取样进行检验和分析，以查明其开裂原因，从而采取措施避免类似失效的再发生。
理化检验
1
宏观检查
对开裂排气支管进行宏观检查，表面能观察到一条裂纹并且裂纹扩展很深，几乎贯穿试样，排气支管开裂处宏观形貌如图2所示。
图2 排气支管裂纹宏观形貌
人工打开开裂处形成断口试样，如图3所示，断裂面下部为人工打开区域，呈新鲜金属色，靠近表面的上部区域存在灰色氧化皮，其上有红褐色锈迹，断裂面无明显塑性变形，具有脆性断裂特征。
图3 断口宏观形貌
2
化学成分分析
在开裂排气支管上取样进行化学成分分析，结果见表1。
表1 化学成分分析结果(质量分数)
可见各元素含量均符合GB/T 9437－2009对QTRSi4Mo耐热铸铁成分的技术要求。
3
力学性能试验
在开裂排气支管上截取拉伸试样，试验结果见表2。
表2 力学性能试验结果
可见排气支管材料的室温及高温(700℃)抗拉强度均低于GB/T 9437－2009对QTRSi4Mo耐热铸铁的技术要求。考虑到测试试样已在高温下服役过，并且断在缺陷处，如图4所示，故该试验结果仅供参考。
图4 拉伸断口宏观形貌
4
断口扫描电镜分析
将图3中的断口试样置于扫描电子显微镜(SEM)内观察。
图5 断口SEM形貌
由图5a)可见，断裂面靠近外表面区域有严重的氧化覆盖情况，并且可见较多的疏松孔洞；由图5b)可见，人工打开区域断口呈准解理特征。
5
金相分析
截取垂直于开裂面的剖面试样，镶嵌、磨抛后置于光学显微镜下观察。
图6 断裂源处抛光态形貌
试样剖面抛光态形貌见图6a)，可见存在严重的疏松缺陷；断裂面上可见氧化物覆盖层，见图6b)。
图7 基体石墨形态及显微组织形貌
基体石墨形态见图7a)，按GB/T 9441－2009评定石墨球化率为70％，石墨大小级别为6级；基体显微组织为铁素体＋珠光体＋少量碳化物，见图7b)。
综合分析
由上述理化检验结果可知：开裂排气支管的化学成分满足GB/T 9437－2009对QTRSi4Mo耐热铸铁的技术要求；按GB/T 9441－2009评定铸铁材料的石墨球化率为70％，石墨大小级别为6级，基体显微组织为铁素体＋珠光体＋少量碳化物。
通过宏观分析可知排气支管表面能观察到裂纹并且裂纹已经贯穿试样；排气支管开裂面上具有氧化及锈蚀特征，开裂面无明显塑性变形，符合脆性开裂特征。
通过断口SEM分析可知，断裂面靠近表面区域有氧化覆盖层，并且存在较多的疏松孔洞。
通过断面的剖面金相分析可知，开裂处存在严重的疏松缺陷，疏松的存在减小了排气支管的有效承载面积，降低了材料的强度，在后续服役时，在振动力的作用下，排气支管于缺陷处发生开裂失效。
结论及建议
该耐热铸铁排气支管开裂是由于材料内部存在疏松缺陷，大大降低了材料的服役强度，在振动力的作用下排气支管发生了开裂。疏松的产生主要是由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，形成疏松的条件是：合金的结晶温度范围宽，倾向于糊状凝固方式；或者是铸件断面的温度梯度小，合金液几乎同时凝固，因液态和凝固收缩所形成的细小孔洞分散且得不到合金液的补充，就形成了疏松。建议在浇铸时尽量降低浇铸温度和浇铸速度。
来源：理化检验物理分册
